БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЕ ПОВТОРНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ
Стремление снизить число часов простоя потребителей привело к созданию автоматического повторного включения, действующего с обычной скоростью. В случае преходящих повреждений АПВ быстро возвращает линию к нормальной работе, в результате чего перерыв в снабжении потребителей оказывается кратковременным. В среднем в системах 75— 90% всех повреждений успешно устраняются при первом повторном включении.
Опыт показывает, что увеличение числа повторных включений вплоть до трех повышает вероятность устранения повреждений. Устройство АПВ состоит из управляющего механизма и источника энергии, запас которой должен обеспечить намеченное число отключений и включений. Следующим шагом, связанным главным образом с проблемой динамической устойчивости систем, явилось создание быстродействующего повторного включения.
Было установлено [Л. 11], что устойчивость систем чрезвычайно сильно зависит от продолжительности повреждений, которая оказывает влияние на синхронизирующую мощность благодаря ослаблению или разрыву связей, по которым происходит обмен мощности, и благодаря размагничивающему действию, которое оказывает ток короткого замыкания на генераторы. В системах, работающих вблизи предела устойчивости, сокращение продолжительности повреждения и быстрое восстановление нормальной схемы могут устрашить опасность выхода из синхронизма и тем самым допускают увеличение реактивного сопротивления между системами, что в свою очередь облегчает действие выключателей. Однако, как правило, повышение динамической устойчивости имеет целью более надежное снабжение потребителей.
Заземление нейтрали через сопротивление повышает предел устойчивости, так как при этом уменьшаются токи замыкания. При включении в нейтраль индуктивности фазный угол тока замыкания меняется таким образом, что увеличивается синхронизирующая мощность. Заземление нейтрали через активное сопротивление создает дополнительные потери энергии, что до некоторой степени полезно для сохранения нагрузки и скорости вращения генераторов неизменными при появлении повреждения. По-видимому, можно считать, что проблема динамической устойчивости едва ли будет решаться путем заземления нейтрали через небольшую индуктивность вместо глухого заземления. Более привлекательным, очевидно, является автоматическое быстродействующее повторное включение, которое как средство устранения переходящих замыканий имеет более широкие возможности. Быстродействующие АПВ должны совмещать малое время отключения с малой продолжительностью отключенного состояния. Здесь имеются определенные ограничения механического и электрического характера.
Выключатели и их приводы должны быть специально приспособлены к быстродействующему АПВ. Необходимо стремиться уменьшить массу движущихся деталей и сократить ход контактов. Большинство воздушных выключателей пригодно для этой цели. Их работа происходит в два этапа: быстрое срабатывание контактов, разрывающих дугу, и затем относительно медленное размыкание разъединяющих контактов. Гашение дуги происходит очень быстро. После этого электрическая прочность промежутка между первыми контактами поддерживается за счет дутья сжатым воздухом в течение времени, необходимого для того, чтобы разъединяющие контакты разошлись на достаточно большое расстояние. Как только дутье прекратится, контакты, рвущие дугу, под действием пружины снова замыкаются. Для того чтобы такой воздушный выключатель мог работать в режиме быстродействующего АПВ, надо не допустить действия разъединяющих контактов, для чего достаточно не подавать сжатого воздуха в привад этих контактов. Главный клапан управляется отдельным устройством, допускающим регулирование времени открытия в пределах, скажем. 0,08—1,0 сек.. Масляные выключатели также часто модернизируются или специально конструируются для быстродействующего АПВ. Для этого механизм свободного расцепления привода изменяется таким образом, чтобы разомкнутое состояние контактов поддерживалось за счет энергии, подводимой к катушке отключения. В современных масляных выключателях полное время отключения может составлять 0,1—0,15 сек.
Не следует забывать о том, что введение быстродействующего АПВ на выключателях, уже установленных в системах, ставит их в более жесткие условия [Л. 12].
В связи с этим интересно вспомнить, сколь мало время действия трубчатых разрядников, а также дугогасящих катушек в случае однофазных замыканий на землю, помимо преимуществ последних в нейтрализации тока повреждения.
Устранение повреждения происходит в тот промежуток времени, когда поврежденная линия остается без напряжения. Поэтому длительность паузы АПВ определяется не столько временем действия механизмов, сколько временем, необходим для восстановления прочности диэлектрика. Здесь опять можно отметить значительные преимущества трубчатых разрядников и дугогасящих катушек. В случае быстродействующего АПВ через место перекрытия протекают большие токи замыкания в течение нескольких периодов, предшествующих отключению. В силу этого должно иметь место некоторое минимальное время паузы АПВ, необходимое для получения приемлемого процента удачных повторных включений. В системе 138 кВ [Л. 13 и 16] 90% повреждений были успешно устранены действием АПВ со временем отключения 0,1—0,15 сек и последующей паузой и 0,2 сек. Содержащиеся в табл. 24 сведения составлены исходя из режимов работы АПВ, когда 95% повторных включений было успешным.
Таблица 24
Цифры в скобках заимствованы из работы фирмы Броуи-Боери (Л.15).
Позже было найдено [Л. 18], что для напряжений 69—230 кВ и токов замыкания свыше 8 000 а минимальная продолжительность паузы составляет 10 периодов при 60 гц, т. е. 0,16 сек.
Если это позволяют условия бесперебойного снабжения потребителей, часто предпочитают длительность паузы делать значительно больше минимально необходимой. Выбор верхнего предела продолжительности паузы следует производить с учетом ряда факторов. Некоторые из них приводятся ниже, так как они характеризуют связь рассматриваемого нами вопроса с проблемой динамической устойчивости систем.
Многое зависит от вида повреждения. Трехфазные замыкания, которые, правда, относительно редки, могут вызвать столь сильные толчки в системе, что устойчивость не удается сохранить при тех временах повторного включения, которые могут быть достигнуты с помощью оборудования приемлемой стоимости.
Это относится также, хотя и в меньшей мере, и к замыканиям двух фаз на землю. Поэтому иногда целесообразно ограничить область применения быстродействующего АПВ, используя его лишь при наиболее частых видах повреждений, к которым в первую очередь относятся однофазные замыкания на землю. В этом случае можно пойти на увеличение времени отключения, времени включения и продолжительности паузы. Однако, если действие АПВ допускать лишь при однофазных замыканиях, то это значит возложить па АПВ точно такие же технические функции, как и на дугогасящую катушку, хотя работают они по-разному. При быстродействующем АПВ токи замыкания во много раз больше по величине и более продолжительны; запас устойчивости будет уменьшаться из-за резких толчков, длительного протекания больших токов, а также из-за продолжительной паузы АПВ, в течение которой связь между системами ослабляется.
Другим фактором, влияющим на выбор времени АПВ, является конфигурация системы. Одноцепные линии или длинные линии связи между системами с их высоким реактивным сопротивлением требуют быстрого действия АПВ, а также ограничения длительности паузы. Большое значение имеют мощности передающей и приемной систем, которые удобно характеризовать с помощью постоянных инерций. Системы с гидростанциями требуют, как правило, малой продолжительности паузы АПВ.
Ниже рассматриваются примеры, иллюстрирующие влияние отдельных факторов [Л. 16]. Предположим, что имеются две системы с глухо заземленными нейтралями, состоящие только из тепловых станций. Мощность каждой системы в 4 раза больше натуральной мощности связывающей их одноцепной линии. Для этих условий найдено:
- В случае двухцепной линии длиной 160 км устойчивость не нарушается, даже если одна цепь после повреждения не будет повторно включена.
- В случае двухцепной линии длиной 320 км устойчивость будет нарушена, если пауза АПВ будет больше:
0,4 сек — при однофазном замыкании на землю;
0,29 сек — при замыкании двух фаз на землю;
0,16 сек — при трехфазном замыкании.
- В случае одноцепной линии длиной 320 км устойчивость будет нарушена, если длительность паузы АПВ превысит:
0,25 сек — при однофазных замыканий на землю;
0,23 сек — для замыканий двух фаз на землю;
0,21 сек — для трехфазных замыканий.
Эти цифры найдены в предположении, что время отключения составляет 0,1 сек, включая время срабатывания реле.
Обычно время действия трехфазного быстродействующего АПВ составляет около 0,33 сек, или 20 периодов, при частоте 60 гц. Имеется тенденция к дальнейшему уменьшению времени отключения и длительности паузы. По мнению Спорна, время действия АПВ может быть равно 12 периодам при частоте 60 гц (0,2 сек), из которых 1 период — время срабатывания реле, 3 периода—время действия выключателя и 8 периодов — пауза [Л. 17].
Трехфазное АПВ может оказаться неэффективным при наличии длинных одноцепных линий связи между системами или соединении станций средней мощности, например гидростанций. Трудности, с которыми здесь приходится сталкиваться, хорошо видны из того, что максимально допустимое время паузы АПВ в таких случаях может составлять 1— 5 периодов. Таким образом, верхний предел длительности паузы может быть столь малым, что его невозможно осуществить. Могут быть и другие случаи. В системах сверхвысоких напряжений время, необходимое для деионизации, столь велико, что трехфазное повторное включение становится возможным тогда, когда устойчивость оказывается уже нарушенной. В этих случаях возможно использование пофазного АПВ, которое пока применяется в ограниченных размерах [Л. 10].
Основное преимущество пофазного АПВ состоит в том, что неповрежденные фазы остаются в работе и по ним может продолжаться передача значительной энергии. Тем самым создается возможность для увеличения времени действия АПВ. Очевидно, это не имеет места при трехфазных замыканиях, требующих отключения и повторного включения всех трех фаз. Поэтому если время действия АПВ будет выбрано исходя из однофазных повреждений, то при трехфазных коротких замыканиях устойчивость будет нарушаться. По тем же причинам пофазное АПВ не будет эффективным при повреждении двух фаз. Однако это может оказаться не столь существенным в связи с тем, что преобладающими повреждениями являются однофазные замыкания на землю. Ограничив работу быстродействующего АПВ случаями однофазных замыканий, можно извлечь некоторую выгоду за счет увеличения времени действия АПВ, так как здесь для сохранения устойчивости достаточно полное время АПВ порядка 0,6 сек против 0,33 сек при трехфазных повторных включениях. Может показаться заманчивым выполнение однофазного АПВ с таким малым временем действия, какое обычно принимают для трехфазных устройств. Однако, как правило, исследователи [Л. 18 и 19] отклоняют эту идею, указывая на необходимость значительного времени для деионизации, которое в определенных условиях [Л. 18 и 20—22], хотя и не во всех случаях [Л. 21, 23 и 24], может быть весьма большим. Это связано с тем, что между отключенным участком поврежденной фазы и здоровыми проводами протекает зарядный ток, замыкающийся затем через место повреждения на землю. Деионизация при этом значительно затрудняется из-за появления восстанавливающегося напряжения основной частоты, имеющего как постоянную составляющую, обусловленную накоплением заряда, так и периодическую составляющую, наведенную неповрежденными проводами через междуфазную емкость. Это обстоятельство, как видно из следующих числовых примеров [Л. 16], может ограничить применение однофазного АПВ.
Пример А. Мощность системы в 4 раза больше натуральной мощности линии. Время отключения 0,1 сек. Для соблюдения динамической устойчивости при передаче мощности вплоть до натуральной максимально допустимая продолжительность паузы АПВ (в секундах) равна:
Во всех случаях требования динамической устойчивости могут быть удовлетворены применением трехфазного быстродействующего АПВ с использованием масляных выключателей со временем отключения 0,1 сек при паузе АПВ 0,23 сек. Высокий предел устойчивости, характерный для однофазного АПВ, достигается при междуфазных повреждениях ценой отказа от простоты устройства, и вероятно, повышения его стоимости.
Пример Б. Гидростанция, номинальная мощность которой равна натуральной мощности линии. Линия — одноцепная, полностью нагружена. Время отключения, 0,1 сек.
Максимально допустимая длительность паузы при длине линии 160 км, однофазном замыкании и пофазном отключении составляет 0,24 сек. Возможно, что это время одновременно является минимально необходимым для деионизации при напряжении 132 кВ (0,16 сек плюс 50% запаса для учета емкостной подпитки при пофазном отключении). В этом случае устойчивость может быть сохранена как раз действием однофазного АПВ, в то время как трехфазное АПВ уже не будет удовлетворять указанным требованиям.
Можно полагать, что однофазному АПВ следует отдавать предпочтение при временах действия 0,5—0,6 и 1 сек.
Среди возражений против однофазного АПВ заслуживают внимание следующие:
Влияние на линии связи. В течение паузы АПВ вследствие асимметрии поврежденной линии протекает значительный ток в земле. По величине он обычно много меньше первоначального тока замыкания, но имеет большую продолжительность.
Ложное действие релейной защиты. Протекание тока в земле в течение, паузы АПВ может вызвать где-нибудь в системе срабатывание защиты от замыканий на землю.
Оборудование. Необходимо иметь три отдельных управляющих механизма и специальные реле для выбора поврежденной фазы. Было предложено [Л. 25] использовать составляющие обратной и нулевой последовательностей тока повреждения для определения поврежденной фазы с помощью реле направленного действия. Эти реле должны выполнять ряд функций. Они распределяют отключающий импульс от направленного реле земляной защиты между тремя выключателями; разрывают цепи отключения здоровых фаз, блокируя действие других реле этих фаз, которые могут сработать; возбуждают катушку отключения поврежденной фазы, если не действует дополнительное трехфазное реле, и, наконец, управляют промежуточными реле, которые в дальнейшем импульс на отключение посылают во все три фазы. При такой схеме после отключения одной фазы немедленно следует повторное включение и — в случае устойчивого замыкания — окончательное отключение всех трех фаз.
Эта же схема не может быть использована при замыкании двух фаз на землю, поскольку она не в состоянии точно определить поврежденные фазы.
Таким образом, при всех повреждениях более чем одной фазы отключаются все три выключателя и повторное включение не производится. С помощью более сложных релейных схем можно добиться отключения и повторного включения двух и трех фаз соответственно при двух- и трехфазных повреждениях.
Наиболее серьезным преимуществом однофазного АПВ может оказаться возможность сохранения устойчивой передачи энергии в критических случаях, когда применение трехфазного АПВ оказывается технически или экономически неприемлемым. Кроме того, при однофазном АПВ уменьшаются толчки в машинах во время цикла АПВ. Не следует. однако, забывать, что некоторые преимущества, которые имеет однофазное АПВ со временем действия 0,6 сек перед трехфазным АПВ со временем 0,33 сек, относятся только к однофазным замыканиям. Это можно видеть по результатам, приведенным во второй и третьей колонках табл. 25, которые относятся к линии 132 кВ длиной 80 км, оборудованной выключателями со временем отключения 8 периодов [Л. 26].
Таблица 25
Эта линия, связывающая систему Паблик Сервис Компани ов Индиана с соседними системами, была снабжена пофазным АПВ со временем действия 0,6 сек, работающим только при однофазных замыканиях. От междуфазных замыканий на ней была установлена дистанционная защита со ступенчатой характеристикой, а от замыканий на землю—схема, основанная на изложенном выше методе выбора поврежденной фазы [Л. 25]. Были проведены тщательные испытания для проверки действия оборудования, главным образом при небольшой нагрузке линии. При мощности 40 Мвт первоначальный ток 500 а снизился после отключения поврежденной фазы до 85 а.
Быстродействующее АПВ нецелесообразно производить более 1 раза. Вероятность сохранения устойчивой работы после первого неудачного повторного включения резко снижается из-за сильного повторного толчка и последующей второй паузы, приводящих к значительному расхождению векторов напряжения. Кроме того, ограничены возможности выключателей противостоять многократному воздействию дуги [Л. 27].
В США [Л. 28] к 1952 г. АПВ было оборудовано 28% линий с напряжением 100—— 200 кВ. На линиях 200 кВ и выше АПВ не устанавливались. Из указанного числа линий, оборудованных АПВ, лишь 4,7% имели однофазные устройства.
Таблица 26
Все сказанное выше о быстродействующем АПВ свидетельствует о том, что развитие его тесно связано с проблемой динамической устойчивости. Вопросы гашения дуги были при этом второстепенными. Наоборот, дугогасящая катушка является устройством, специально предназначенным для мгновенной ликвидации дуги в месте замыкания одной фазы на землю, и уже посредством этого сохраняет устойчивую работу при таких замыканиях. Очевидно, есть много общего у этих двух методов, что и отмечалось уже в начале настоящего параграфа. Поэтому будет полезно сделать обзор и сопоставление основных характеристик этих двух методов.
Обзор, содержащийся в табл. 26, не является полным, так как он не содержит сведений о стоимости. Поэтому целесообразно сопоставить стоимости этих двух защитных устройств, а также трехфазного АПВ, трубчатых разрядников и защитных тросов и тем дополнить сведения, которые были даны о них в § 3 настоящей главы.
Кривые [Л. 12] воспроизведены на рис. 108. Здесь сравнение проведено для одноцепных линий двух напряжений: 69 и 138 кВ. Защитные тросы, которые требуют относительно больших затрат, не следует противопоставлять другим защитным устройствам, ибо они, снижая число перекрытий, не помогают их устранению после того, как они возникли. Среди других устройств наиболее дорогими являются трубчатые разрядники, особенно при их установке на каждой опоре. Трехфазное АПВ может оказаться более экономичным. Однако следует иметь в виду, что положение может в корне измениться, если вместо отдельной линии рассмотреть полную схему системы, т. е. учесть реальное число выключателей, участвующих в АПВ. При таком более широком подходе стоимость оборудования для быстродействующего АПВ, отнесенную к единице длины линии на рис. 108, следует соответственно умножить. В то же время затраты на дугогасящие аппараты на единицу длины линии остаются неизменными при любой схеме системы. Такое рассмотрение становится еще более важным при однофазном АПВ, особенно в системах среднего напряжения.
Сведения о стоимости дугогасящих аппаратов для систем 33 кВ были опубликованы многими авторами. Майер [Л. 29] оценивает полные затраты для системы 34,5 кВ, 60 гц при длине линий 320, 160 и 80 км соответственно 27, 27 и 88 долл. на 1 км. Самнер [Л. 30] дает для дугогасящей катушки 600 кВА (протяженность линий 320 км, частота 50 гц) полную стоимость (1939 г.) 11,1 долл. на 1 км, или 3,75 долл. на 1 кВА.
По данным Брауна и Гросса [Л. 31] стоимость трехфазного устройства мощностью 1,6 тыс. кВА для системы 34,5 кВ с протяженностью линий 403 км
(частота 60 гц) составляет 32 долл. на 1 км (75% резерва на расширение).
В одной крупной южноафриканской системе 88 кВ установка дугогасящих катушек в довоенное время потребовала затрат 47 долл. на 1 км.
