Помимо своей главной задачи, отключения токов короткого замыкания, силовые выключатели должны справляться и со всеми другими коммутационными задачами, которые возможны в процессе эксплуатации. Так как при этом к выключателям предъявляются, отчасти, совершенно противоположные требования, то неизбежно, что не все эти задачи могут выполняться одинаково успешно. Отдельные разработки выключателей представляют собой более или менее удачные компромиссные решения. Для вакуумных выключателей современной конструкции были найдены оптимальные решения, которые рассмотрены ниже.
Помимо отключения токов короткого замыкания коммутационные операции можно разделить на три следующие группы:
коммутация емкостных токов
коммутация малых индуктивных токов (прибл. до 20 А)
коммутация индуктивных токов (от 20 А до номинального рабочего тока).
Коммутация емкостных токов
В эту категорию входит отключение батарей конденсаторов, ненагруженных кабелей и воздушных линий, а также включение и параллельное включение конденсаторов.
Также, как и вакуумный выключатель, элегазовый производит отключение в этом случае практически без повторных зажиганий и, тем самым, без перенапряжений.
При включении конденсаторных батарей, особенно при их параллельном включении (например, подключение секции конденсаторной батареи к уже находящейся в работе), возникают переходные токи с высокой частотой и большой амплитудой. В элегазовых выключателях со скользящими и розеточными контактами данные переходные токи могут привести к торможению подвижных деталей контакта. Поэтому необходимо принимать меры по уменьшению этих нагрузок (дроссельные катушки).
Коммутация малых индуктивных токов
При рассмотрении данной коммутационной операции речь идет прежде всего об отключении ненагруженных трансформаторов. Из-за среза тока в выключателе здесь могут возникать высокие перенапряжения.
При использовании вакуумных выключателей 3AH токи среза невелики (ниже 5 А). Поэтому при отключении ненагруженных трансформаторов перенапряжения невелики и при этом не требуется никаких дополнительных средств защиты от перенапряжений.
У тех элегазовых выключателей, которые работают исключительно на принципе гашения дуги, при котором дутье зависит от величины отключаемого тока (выключатель с гашением дуги автодутьем и с гашением дуги вращением) примерно такие же токи среза, как и у вакуумных выключателей.
У элегазовых выключателей с дополнительным поршнем (для надежного прерывания емкостных токов), токи среза намного выше, что ведет к большим коммутационным перенапряжениям.
Коммутация индуктивных токов
К этой категории относятся в основном две коммутационные операции:
Коммутация компенсирующих реакторов.
Отключение электродвигателей с заторможенным ротором при их пуске (сюда
относятся электродвигатели с малой мощностью).
Опасные перенапряжения при коммутации сетей среднего напряжения вакуумными выключателями фирмы Siemens могут возникать в очень редких случаях. В основном, при отключении пусковых токов менее, чем 600 А небольших двигателей при начале расхождения контактов за 0,5-1,0 мс до перехода тока через нуль (0,2 % случаев из всех случаев коммутации двигателей). Для этих случаев разработано руководство по координации изоляции при эксплуатации вакуумных выключателей фирмы Siemens, где приводятся схемы защиты от перенапряжений, в основном, с использованием ограничителей перенапряжений. При использовании этих средств ограничения, коэффициент перенапряжений равен:
(1)
где Uoct опн = 13 кВ - остающееся напряжение ограничителя перенапряжений;
U = 6,6 кВ - номинальное напряжение двигателя.
Электродвигатели имеют уровень изоляции, определяющийся следующими испытательными напряжениями (IEC 3415, ГОСТ):
где Unep испыт- испытательное одноминутное напряжение промышленной частоты.
U испыт - импульсное испытательное напряжение стандартной волны (1,2/50 мкс).
При коммутации вакуумными выключателями в отдельных случаях возможно возникновение высокочастотного импульса перенапряжения (вероятность 0,2 %). Для правильной оценки необходимо сравнить уровень перенапряжения с уровнем изоляции электродвигателя, который определяется по следующей формуле:
(2)
где U уров изоляции - уровень изоляции электродвигателя при коммутации вакуумными выключателями ;
К =1,4- Коэффициент импульса (CIGRE) [50]
Получаемый по (1) коэффициент перенапряжений с учетом (2), с достаточным запасом решает задачу координации изоляции электродвигателей.
Для исключения возможности возникновения перенапряжений при отключении малых индуктивных токов, фирма Siemens разработала "Руководство по координации изоляции при эксплуатации вакуумной техники фирмы Siemens в сетях среднего напряжения". При этом ограничитель перенапряжений используется в том случае, если пусковой ток двигателя меньше или равен 600 ампер. В комбинации «Электродвигатель - трансформатор» определяющим является ток, который проходит через выключатель.
Исключение: электродвигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности не требуют схем защиты от перенапряжений, если:
конденсаторы постоянно связаны с электродвигателем
компенсационная мощность Qc составляет как минимум 1/5 полной мощности электродвигателя Sдвиг, обычно Qc= (1/3) * Sдвиг
Ёмкость конденсатора снижает частотный спектр переходного процесса. В этом случае перенапряжения не возникают. Поэтому альтернативным вариантом является использование вместо ограничителей перенапряжений индивидуальной компенсации реактивной мощности.
Электродвигатель, коммутируемый напрямую
I < 600 А
пуск.
Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный за выключателем
Электродвигатель с блочным трансформатором
Защитное действие в обоих вариантах одинаково.
Вариант 1 Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный за выключателем
Вариант 2. Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный на трансформаторе
На нижеприведенных схемах указаны точки подключения ограничителей.
На трансформаторы вместо ограничителей перенапряжений 3EF могут быть установлены разрядники в том случае, если изоляция трансформатора соответствует наивысшему значению уровня изоляции, нормированному согласно МЭК 71 / VDE 0111.
Электродвигатель с пусковым трансформатором
Пусковой ток | Подключение ограничителя перенапряжений 3EF |
1пуск. < 600 А | либо на основном выключателе (1), либо на трансформаторе (2); на нейтрали трансформатора (3) |
1пуск. > 600 А | на нейтрали трансформатора (3) |
Часто уровень изоляции пусковых трансформаторов не соответствует расчетному уровню изоляции, нормированному согласно МЭК 71 / VDE 0111. Поэтому на трансформаторах (2) необходимо использовать только ограничители перенапряжений, потому что они имеют низкие значения остающегося напряжения. В этих случаях разрядники практически не используются.
Электродвигатель с индивидуальной компенсацией
Не требуется никаких мер защиты. В качестве альтернативы применению ОПН может использоваться метод индивидуальной компенсации.
Требование: компенсационная мощность Qc>( 1 /5)*Sдвиг обычно Qc = (l/3)*Sдвиг
В связи с вышеизложенным, и тем фактом, что вакуумные выключатели тысячекратно прошли проверку на практике и эксплуатируются на АЭС многих стран, современные фирмы - производители вакуумной коммутационной техники дают гарантию на безотказную работу электродвигателей при коммутациях их вакуумными выключателями.
Общая коммутационная система вакуумного выключателя (макс. 2 части) с ограничителем перенапряжений (макс. 6 частей) имеет гораздо меньше составных частей, чем отдельно взятый элегазовый выключатель (макс. 24 части, см. табл.2.1.). Это означает, что эксплуатационная надежность вакуумного выключателя с ограничителем перенапряжений гораздо выше, чем отдельно взятого элегазового выключателя.
Кроме того, как было отмечено выше, в настоящее время проблему опасных перенапряжений при коммутации малых индуктивных токов с большим успехом решают применяемые для этой коммутационной задачи вакуумные выключатели с использованием AgW - или AgWC - сплавов для контактного материала.
Элегазовые выключатели с дутьем, зависящим от величины отключаемого тока, не имеют тенденции к многократным повторным зажиганиям и виртуальным токовым срезам.
При отключении электродвигателей в их пусковом режиме элегазовыми выключателями с дугогасительной камерой с поршнем, из-за повторных зажиганий и больших токовых срезов, создаются опасные перенапряжения, которые представляют опасность для изоляции электрооборудования.
Что касается включения и отключения электродвигателей, можно в целом констатировать, что благодаря своему большому допустимому числу коммутационных циклов и надежности в эксплуатации вакуумный выключатель лучше всего приспособлен для этой коммутационной операции, в том числе в особых условиях (отключение небольших электродвигателей во время пуска).
При отключении компенсирующих реакторов как у вакуумного выключателя, так и у элегазового выключателя с дугогасительной камерой с поршнем наблюдаются перенапряжения, вызванные многократными повторными зажиганиями, а при номинальных токах до 600 А - также виртуальные токовые срезы (об использовании в этом случае элегазовых выключателей с гасящим действием, зависящим от силы тока, в целом не может быть и речи из-за их номинальных параметров: 36 кВ / 31,5 кА). Но, благодаря своему большому допустимому числу циклов включения-отключения, вакуумный выключатель имеет преимущества, при условии применения специальных схем защиты от перенапряжений.
В заключение приведем еще два специальных случая коммутации: тяговый выключатель и выключатель для трансформаторов дуговых электропечей.
Коммутация в однофазных сетях тягового электроснабжения означает для выключателя следующие отличия, по сравнению с выключателями трехфазного тока на 50 Гц или 60 Гц:
при низких частотах (16 2/3 Гц или 25 Гц) среднее время горения электрической дуги становится больше из-за увеличения периода отключаемого тока. - в выключателях трехфазного тока три полюса «помогают» друг другу, например, в выключателях трехфазного тока 50 Гц каждые 3,3 мсек на 3 полюсах по очереди наблюдается прохождение тока через нуль, что приводит к уменьшению среднего времени горения электрической дуги. В тяговых выключателях такого облегчения не существует.
Уже при гашении электрической дуги в сетях трехфазного тока у элегазовых выключателей энергия горения дуг гораздо больше, чем у вакуумного выключателя. Поэтому из-за продолжительного времени горения электрической дуги, описанного выше, они вряд ли могут быть пригодны в качестве тягового выключателя.
При коммутации дуговых электропечей токи в диапазоне между током холостого хода и двукратным номинальным током трансформатора должны коммутироваться до 100 раз в день. Это создает чрезвычайно высокую нагрузку на выключатель, как электрическую, так и механическую, с которой лучше всего может справиться вакуумный выключатель (с защитными устройствами от перенапряжений).
Ввиду своего ограниченного допустимого числа коммутационных циклов и своих номинальных параметров (часто 36 кВ / 31,5 кА) элегазовые выключатели могут лишь в исключительных случаях использоваться в качестве выключателей дуговых электропечей.
В итоге можно констатировать, что использование современных вакуумных выключателей в каждом из отдельных случаев применения имеет преимущества по сравнению с использованием других выключателей. Это касается также, так называемых, критических коммутационных операций.
Выводы
Исходя из анализа имеющихся данных и выполненных исследований сформулированы следующие выводы:
1 Для коммутационных задач в сетях среднего напряжения оптимальным является вакуумный выключатель.
Перенапряжения, которые возникают при коммутации современными вакуумными выключателями в сетях среднего напряжения, в очень редких случаях требуют применения ОПН.
По показателям уровня опасных перенапряжений, при прочих равных условиях параметров сети, современные вакуумные выключатели находятся на одном уровне с элегазовыми выключателями.
Современные вакуумные выключатели среднего напряжения превосходят элегазовые по следующим параметрам:
Стабильность диэлектрической среды дугогасящей камеры на протяжении всего срока службы выключателя
Постоянное, небольшое переходное сопротивление контактов
Отсутствие продуктов разложения при коммутациях.
Высокое число коммутаций номинальных токов
Отсутствие обслуживания в течение 20 лет
Высокая надежность.
Низкое содержание синтетических материалов.
Отсутствие опасности взрыва в случае неисправности вакуумной дугогасительной камеры
Возможность применения для всех коммутационных задач
По показателям эксплуатационной надежности, коммутационным и механическим ресурсам, затратам на эксплуатацию, по экологичности, а также сравнительно малой массы и малых габаритов, вакуумные выключатели на порядок превосходят как элегазовые, так и любые другие выключатели.
Благодаря этим признакам, в сочетании с экономической выгодой принцип вакуумного дугогашения приобретает все большее признание. Вакуумный силовой выключатель является наиболее покупаемым коммутационным устройством в мире.
