ТВН - Назначение и основное оборудование лаборатории

Глава I
Назначение и основное оборудование лаборатории мощности отключения. Ударные генераторы

Методы испытания выключающих аппаратов (выключателей) на коммутационную способность

Рис. 1. Схемы испытания выключателя на коммутационную способность.

I — схемы испытания на мощность отключения короткого замыкания: а — трехполюсного; б — двухполюсного; в — однополюсного; 1 — ударный генератор; 2 — повышающий или понижающий трансформатор; 3 — испытуемый выключатель.
II — схемы испытания а, б, и в на отключение емкостных токов; C1, C2, С3 — емкости отключаемых фаз ненагруженных ЛЭП.
III — схемы испытания а, б и в на отключение индуктивных токов холостых трансформаторов 4.

Для изыскания новых методов отключения цепей высокого напряжения, создания новых типов выключающих аппаратов, исследования характеристик существующей аппаратуры и разработки способов модернизации старых типов выключателей необходима хорошо оборудованная экспериментальная база. Такой базой и являются лаборатории мощности отключения (ЛМО), в которых проводятся:

1. Испытания на коммутационную способность при больших мощностях короткого замыкания (рис. 1, I, а, б и в) при трех-, двух-  и однополюсном коротких замыканиях.
2. Испытания на отключение емкостных токов. В этом случае емкостные токи возникают при отключении холостых линий (рис. 1, II, а, б и в) при трех-, двух- и однополюсном отключениях.
3. Испытания на отключение малых индуктивных токов, появление которых вызвано отключением работающих вхолостую трансформаторов (рис. 1, III, а, б и в) при трех-, двух- и однополюсном отключениях индуктивностей.
4. Испытания на термическую и электродинамическую устойчивость.
5. Испытания на нагрев длительным номинальным током.
6. Механические испытания.

Испытания, проводимые в ЛМО, можно разделить на две группы работ.

К первой группе относятся работы, представляющие основную задачу лаборатории — изыскание и исследование новых принципов выключения цепей высокого напряжения, ко второй относятся работы, связанные с проектированием, конструктивным выполнением и испытаниями новых типов выключателей, разрядников, предохранителей и других коммутационных аппаратов.
Промышленные испытания выключающих аппаратов высокого напряжения переменного тока производятся по нормам, определяемым ГОСТ 687—67, а также приведенным в работах [16, 38, 53, 93]. Кроме этих испытаний дополнительно проводятся:

1. исследования влияния изменений конструкции на дугогасительную способность выключателя;
2. исследования влияния изменения скорости движения контактов, а также изменения размеров камер, давления, параметров рабочих пружин, свойств гасительных материалов и т. п.;
3. исследования кинетических систем включающей аппаратуры и их приводов в статических и динамических условиях;
4. коммутационные исследования при рабочих токах, а также при малых индуктивных и емкостных токах.

Большую роль в работе ЛМО играют научные исследования электрофизических процессов:

1. изучение физических свойств короткой и длинной дуги;
2. исследования электрических контактов и их устойчивости при коротких замыканиях;
3. исследования устойчивости контактов в условиях рабочей коммутации;
4. исследования остаточного тока дуги;
5. исследования влияния магнитного поля на гашение дуги;
6. исследования новых методов гашения дуги (применение взрыва для гашения дуги, применение новых дугогасящих сред и др.).

В настоящее время основными методами испытания выключателей являются:

1. Сетевые испытания.
2. Испытания на ударных генераторах в лабораториях мощности отключения.
3. Испытания при помощи колебательного контура, предложенного проф. А. А. Горевым (гл. VI).
4. Синтетические схемы испытания (гл. VII).

Кроме этих основных методов испытания, будет рассмотрена схема Бирманса.
Прежде чем перейти к рассмотрению установок для указанных испытаний выключателей необходимо ознакомиться с основными нормативными требованиями, предъявляемыми к выключателю, и испытаниями выключателя на коммутационную способность. Общие технические требования на выключатели переменного тока высокого напряжения [115] определены в ГОСТ 687—67.
Согласно ГОСТ 687—67 типовые испытания выключателей необходимо повторять не реже одного раза в 5 лет, кроме испытаний на коммутационную способность и на устойчивость при сквозных токах короткого замыкания, которые необходимо повторять не менее одного раза за 10-летний период (периодические типовые испытания).
Изоляция выключателя должна испытываться по ГОСТ 1516—60. Длина пути утечки внешней изоляции выключателей, предназначенных для наружных установок, должна соответствовать требованиям ГОСТ 9920—61. Испытания на нагрев при длительной работе выключателей производится согласно ГОСТ 8024—56.
Рассмотрим испытания выключателей на коммутационную способность и предъявляемые к ним требования.
Испытания выключателей на коммутационную способность производятся для проверки работы выключателя при включении и отключении токов короткого замыкания вплоть до предельных для данного типа выключателя токов отключения, гарантируемых заводом-изготовителем. Требования к коммутационной способности выключателей переменного тока высокого напряжения определены ГОСТ 687—67 и ГОСТ 688—67.
Коммутационную способность выключателя (с данным приводом) определяет ряд значений гарантируемых величин: номинальный ток отключения, номинальное относительное содержание апериодической составляющей тока, собственное время отключения, время отключения (до погасания дуги); номинальный ток включения — амплитуда и эффективное значение периодической составляющей, собственное время включения, бестоковая пауза (минимальная) при АПВ, восстанавливающееся напряжение промышленной частоты (возвращающееся напряжение), а также скорость восстановления напряжения (или собственная частота восстанавливающегося напряжения) и коэффициент превышения амплитуды.
В гарантируемые характеристики выключателя входит: отключение и включение индуктивных токов вплоть до значения номинального тока отключения, работа в номинальных циклах, установленных ГОСТ 687—67, отключение неудаленных коротких замыканий, отключение ненагруженных трансформаторов, отключение ненагруженных воздушных линий (по ГОСТ 12450—67).
Рассмотрим требования, предъявляемые к выключателю, и условия проверки его характеристик.

Номинальные циклы операций

Согласно ГОСТ 687—67 выключатель должен выдерживать следующие номинальные циклы операций:

1. для выключателей, которые допускают автоматическое повторное включение, необходимо проводить два цикла операций.

Цикл 1:
О — tδТ — ВО — Т — О — tδТ — ВО.
Цикл 2:
О — tδТ — ВО — 180 — ВО;

1. для выключателей, не допускающих автоматического повторного включения (например, крупные генераторные выключатели, а также выключатели, изготовляемые для этого цикла по соглашению сторон), проводят один цикл операций:

цикл 3:
О — 180 — ВО — 180 — ВО,
где О — операция отключения;
ВО — операция включения и немедленно (без преднамеренной выдержки времени) следующая за нею операция отключения;
tδТ— гарантируемая для выключателя минимальная бестоковая пауза при АПВ;
Т — промежуток времени 15 мин между двумя полуциклами О— tδТ — ВО;
180 — промежуток времени (180 сек).
Кроме того, для выключателей на номинальное напряжение до 110 кВ включительно, предназначенных для АПВ, помимо циклов 1—3 должна гарантироваться также работа по циклу 4:
О — tδТ — ВО — 20 — ВО,
где 20 — интервал времени (20 сек).  При этом, если для выполнения последней операции (ВО) указанного цикла отдельных типов воздушных выключателей необходима подпитка выключателя сжатым воздухом из магистрали за время паузы 20 сек, то завод-изготовитель должен оговорить это в информационных материалах. После выполнения принятого цикла операций выключатель должен остаться в исправном состоянии (без ремонта). Как принято в ГОСТ 687—67, наибольшее допустимое для выключателя без осмотра и ремонта число операций отключения и включения в режиме короткого замыкания при токах отключения в диапазоне 30—60%, а также при 100% номинального тока отключения должно быть указано предприятием-поставщиком в информационных материалах. При этом суммарное число операций (в том числе и операций включения) для диапазона 30—60% должно быть для масляных выключателей не меньше 10 и для воздушных выключателей не меньше 15.
Значения токов отключения и токов включения, которые гарантирует предприятие-поставщик, относятся к одно-, двух- и трехполюсному виду коротких замыканий.
Для выключателей, работающих только в сетях с изолированной нейтралью, указанные токи относятся только к двух- и трехполюсному коротким замыканиям.

Отключающая способность

Отключающая способность выключателя определяется величиной отключаемого тока и параметрами восстанавливающегося напряжения. Согласно ГОСТ 687—67 разрешается предприятию-изготовителю наряду с номинальным током отключения (ка) указывать также мощность отключения (МВА), которая определяется согласно приложению к ГОСТ 687—67.
Токи, отключаемые выключателем, определяют двумя величинами, соответствующими моменту расхождения дугогасительных контактов (рис. 2):

1. симметричным током — эффективным значением периодической составляющей I;
2. относительным содержанием апериодической составляющей

где I=—значение апериодической составляющей в момент расхождения контактов.
Согласно ГОСТ 687—67 номинальные значения относительного содержания апериодической составляющей при номинальном токе отключения зависят от наименьшего возможного для данного выключателя времени τ от момента возникновения короткого замыкания до размыкания дугогасительных контактов. Значения β =φ(τ) определяются кривой на рис 3.
Время τ принимается равным собственному времени отключения выключателя с добавлением 0,01 сек для выключателей, которые отключаются не от встроенных реле. Номинальный ток отключения и номинальное относительное содержание апериодической составляющей не должны быть превышены.
Время отключения выключателя с приводом (ГОСТ 687—67) должно находиться в пределах:

1. для сверхбыстродействующих выключателей — до 0,06 сек;
2. для быстродействующих выключателей — свыше 0,06 до 0,08 сек; в) для выключателей ускоренного действия — свыше 0,08 до 0,12 сек;

г) для небыстродействующих выключателей — свыше 0,12 до 0,25 сек. При отключении около 30% номинального тока отключения допускается превышение указанных выше верхних значений времени отключения выключателя на 0,02 сек, а при значении отключаемых токов порядка 60% — на 0,01 сек.
Выключатели на номинальные напряжения 110 кВ и выше с номинальным током отключения выше 12,5 ка должны испытываться на отключение в однофазном режиме неудаленных коротких замыканий с токами 98, 75 и 60% от номинального тока отключения выключателя. При этом ток однофазного короткого замыкания источника, от которого отключается линия, должен быть равным номинальному току отключения выключателя. На каждом из перечисленных значений токов производится по три опыта на отключение.

Рис. 2. Определение токов, отключаемых выключателем на момент расхождения дугогасительных контактов:
I— периодическая составляющая; I — апериодическая составляющая; 1 — огибающие кривой тока; 2 — момент расхождения дугогасительных контактов; 3 — смещенная нулевая линия кривой тока.

Рис. 3. Кривая зависимости относительного содержания апериодической составляющей β = φ(τ); τ — время от момента возникновения короткого замыкания до размыкания дугогасительных контактов, в миллисекундах.

Испытания на отключение критических токов производятся в том случае, если во время исследования обнаружено, что для данного типа выключателя существует зона критических токов (например, у выключателя с автодутьем). Если такие предварительные исследования не выполнялись, то они проводятся при типовых испытаниях.
Испытаниям на отключение токов с относительным содержанием апериодической составляющей, равным β, подвергаются выключатели, у которых время τ (рис. 3) меньше 0,08 сек.

Включающая способность

Номинальный ток включения определяется начальным эффективным значением его периодической составляющей, которое должно быть не ниже соответствующего тока отключения, с амплитудой не ниже 1,8√2I.
Включение выключателя двигательным приводом на ток короткого замыкания должно происходить до конца с удерживанием во включенном положении (например, «с посадкой на защелку») при токах до гарантированного тока включения.
Ручное оперативное включение выключателя допускается только для выключателей на номинальное напряжение не выше 35 кВ при условии, что оператор защищен от выключателя защитной стенкой или перегородкой. Включение двигательных приводов вручную не допускается. Значения мощностей и токов короткого замыкания в месте установки выключателя, при которых допускается ручное оперативное включение, должны быть указаны поставщиком, но не должны превышать следующих величин:

1. мощность короткого замыкания — 150 МВА;
2. эффективное значение периодической составляющей тока короткого замыкания — 6 ка;
3. амплитуда ударного тока короткого замыкания — 15 ка.

Выключатель должен отключать короткие замыкания, возникающие на любом расстоянии от выключателя (в том числе и неудаленные).
Минимальная бестоковая пауза при АПВ tδτ должна быть:

1. для выключателей с АПВ — больше 0,4 сек, но не выше 1,2 сек;
2. для выключателей с БАПВ — не менее 0,25 сек, но не более 0,4 сек.

Данные о количестве опытов и режимов испытаний приведены в ГОСТ 687—67 и работах ВЭИ*. Испытания на коммутационную способность должны обеспечивать проверку соответствия выключателя требованиям ГОСТ 687—67 и ГОСТ 688—67.

Напряжение на испытуемом выключателе при испытании на коммутационную способность

Частота высокочастотных колебаний при отключении тока короткого замыкания, зависящая от параметров отключаемой сети, а также амплитуда восстанавливающегося напряжения влияют на отключающую способность выключателя [93].
В связи с этим установлению параметров напряжения на выключателе при коммутации цепей высокого напряжения и методике воспроизведения его при испытаниях на коммутационную способность уделяется значительное внимание.
Нормируемое восстанавливающееся напряжение (ГОСТ 687—67) определяется следующим образом: нормированное (приписанное) восстанавливающееся напряжение (ВН) — собственное восстанавливающееся напряжение в точке сети или испытательной схемы, при которых гарантируется коммутационная способность выключателя. Приписанное ВН нормируется для первого гасящего полюса. Восстанавливающееся напряжение может рассматриваться как состоящее из двух составляющих: напряжения промышленной частоты (возвращающееся напряжение) и напряжения переходного процесса (апериодического или колебательного одночастотного или с несколькими частотами).

Возвращающееся напряжение

Испытания на коммутационную способность трехполюсных выключателей в зависимости от их конструктивных особенностей и возможностей испытательной установки должны в отношении количества испытуемых полюсов и соответствующих возвращающихся напряжений производиться согласно табл. 1 (ГОСТ 687—67).

Напряжение включения

При испытаниях на включающую способность напряжение, приложенное к выключателю перед включением, должно быть не меньше значений [115]:

1. при трехполюсных испытаниях (напряжение между полюсами) —  Uн. р;
2. при однополюсных испытаниях (напряжение на полюсе) при одновременном смыкании контактов полюсов — 0,58 Uн.р; при неодновременном смыкании контактов полюсов (выключатели для работы в системах с изолированной нейтралью) — Uн.р; выключатели для работы в системах с эффективно заземленной нейтралью — 0,75Uн.р.

* В ВЭИ и Ленфилиале ВЭИ при разработке методов испытания выключателей на выключающую и отключающую способность принимали участие Кожухов В. К., Сысоев М. И., Чернышев Η. М., Литваков У. М., Агафонов F. Е., Шерман Я. Н.

Таблица 1
Значения возвращающихся напряжений при испытании выключателей (ГОСТ 637—67)

Примечание. Uл должно быть не менее 0,95 Uн.р, где Uн.р — наибольшее рабочее напряжение выключателя.
*Возвращающееся напряжение междуполюсное.
** Возвращающееся напряжение на первом гасящем дугу полюсе.
***Настоящее испытание не обязательно для выключателей, предназначенных только для сетей с изолированной нейтралью.

Одновременное смыкание контактов полюсов выключателя следует считать в том случае, когда интервал времени между смыканием отдельных полюсов не превышает 0,005 сек.
При испытаниях двухполюсных выключателей, предназначенных для работы в однофазной цепи, напряжения выключения должны быть не ниже:

1. при двухполюсных испытаниях — Uн.р;
2. при однополюсных — kUн.р (k — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжения между полюсами, определяемый экспериментальным путем для каждого типа выключателя).

Напряжение включения при испытаниях однополюсных выключателей должно быть не ниже Uн.р.