Известно, что коммутации конденсаторных батарей (КБ) являются потенциальным источником опасных сверхтоков и перенапряжений. Коммутации включения единичной конденсаторной батареи на шины системы и подключения параллельно работающей дополнительной конденсаторной батареи вызывают опасные переходные сверхтоки превышающие номинальные в 5.. 100 раз. Последние являются причиной возникновения опасных перенапряжений в удаленных точках сети и в сетях более низких напряжений.
Коммутация отключения конденсаторных батарей наиболее опасна т.к. может явиться причиной эскалации перенапряжений в том случае, если процесс отключения сопровождается повторными зажиганиями дуги в выключателе. Тогда каждое повторное зажигание дуги опасно не только возникающими перенапряжениями в сети, но и большими переходными токами, сопутствующими повторным пробоям межконтактного промежутка в выключателе.
Отключение конденсаторных батарей рассмотрим в простейшей однолинейной схеме сети, изображенной на рис. 1, где показан источник питания, представленный неизменной ЭДС за индуктивностью сети и трансформатором, коммутируемая конденсаторная батарея (КБ) и другие присоединения на секции питания. Трехфазная схема замещения этой сети представлена на рис. 2, где е , еь, е - неизменные фазные ЭДС, L - индуктивность трансформатора и сети, LKB- индуктивность КБ для ограничения переходного тока при ее включении, С£ - суммарные емкости фаза-земля кабельных присоединений других нагрузок на секции, С - фазные емкости конденсаторной батареи при их соединении в звезду с изолированной нейтралью. Для выключателя показано положение при одной отключенной фазе.
Рис. 1 Принципиальная схема сети с коммутируемой конденсаторной батареей
Рис. 2 Расчетная схема замещения трехфазной сети. При компьютерном моделировании переходных процессов, приведенных ниже, принято: RNC=W Ом; Ета=8,16 кВ; L=6,54 мГн; С=0,ЗмкФ; Ьк=10мГн; С=100мкФ; С=0,03мкФ;
Для рассматриваемой схемы рис. 2 из граничного условия ia=0 и баланса токов ib+ic=0 следует, что несмотря на продольную несимметрию, источник питания имеет симметричную нагрузку и, следовательно, uNC=0. Определим далее напряжение на элементах схемы при переходном процессе отключения одной фазы выключателя. Пренебрежем индуктивностями L,LKE для этого процесса.
Напряжение Uс на любой емкости схемы С рис. 2 запишем в операторном виде :
или
где Uc=uc,I=i- изображения напряжения на емкости и тока в ней, ис(0) - начальное напряжение на емкости.
Изображения токов в конденсаторной батарее :
где UN=uN - изображение напряжения на нейтрали конденсаторной батареи, ub(0),uc(0),uN (0)- начальные значения напряжений на фазах „ b " и „ с " относительно земли и начальное напряжение на нейтрали конденсаторной батареи в момент прерывания тока в фазе „ а " выключателя
Граничное условие в изображениях : 1а =0
Баланс токов в нейтрали конденсаторной батареи в изображениях :
Ib+lc=0 (4.2)
На основании полученных выражений можно сделать предварительные выводы о наибольших значениях напряжений, имеющих место на этапе отключения первой фазы выключателя. В условиях, когда отключению первой фазы предшествует симметричный режим напряжений иа,иь,ис практически равных фазным ЭДС еа,еь,ес в момент нулей тока соответствующие напряжения, естественно, имеют максимальные значения (например, для фазы „ а " имеем : еа (t = 0) = Ет = иа (0), где Ет - амплитуда ЭДС). Спустя половину периода промышленной частоты (в том случае, если разброс в моментах отключения фаз более этой величины) напряжение на нейтрали - uN становится равным фазному (см.(4.3)), где еа (t = 0Мс)--Ет и uN(t = 0.01 с) =+£,„). На основании (4.4) и (4.5) напряжение на конденсаторной батарее отключенной фазы относительно земли становится равным ual(t = 0.01с) = 2£ш, напряжение на контактах отключенной фазы Аиа(? = 0.01с) = 3£'т. Полученные результаты весьма близко соответствуют данным компьютерного моделирования (рис. 3), которое выполнено с учетом потерь в схеме, Lit 0 ЬКБ Ф0 я при реальных емкостных и активных проводимостях в нейтрали конденсаторной батареи и сети (см. пунктир на рис. 2). Так напряжение на отключаемой фазе достигает значения 2,23
Рис.4.3 Отключение одной фазы конденсаторной батареи (iab- токи выключателя, Аиаь - напряжения на контактах выключателя, иаЬ- напряжения на конденсаторной батарее относительно земли, иы - напряжение на нейтрали КБ, t- момент отключения первой фазы КБ). Напряжения даны в о.е., в долях амплитуды фазного напряжения сети 10 кВ (Emia=Urm=8,16 кВ).
Рис. 4 Отключение конденсаторной батареи тремя фазами (ta,th,tc - моменты отключения фаз выключателя, iab- токи выключателя, &иаЬ- напряжения на контактах выключателя, и ь- напряжения на КБ относительно земли, uN - напряжение на нейтрали КБ). Напряжения даны в о.е., в долях амплитуды фазного напряжения сети 10 кВ
(E^=Urm=8'16 кВ)' о.е., а напряжение на контактах выключателя 3,29 о.е.. Полученные результаты также весьма близки к экспериментальным данным, например, опубликованным.
Отключение КБ всеми фазами в естественной последовательности переходов токов фаз через нулевые значения несколько снижает остающиеся напряжения на фазах КБ и на контактах выключателя, что можно видеть на рис.4.4. Здесь напряжение на отключенной фазе КБ остается равным 1,83 о.е., напряжение на контактах имеет максимальное значение 1,92 о.е.. Это объясняется тем, что напряжение на нейтрали КБ не достигает своего максимального значения ( близкого к амплитуде фазной ЭДС ), что, в свою очередь, происходит из-за того, что переход токов фаз „ b " и „ с ",через нулевые значения (после фазы „ а ") происходит за время меньшее, чем 0.01 сек (через 90° или через 0.005 сек). Полное отключение КБ приводит к фиксации потенциала нейтрали и напряжений иа,иь,ис на стороне КБ в этот момент (далее эти напряжения меняются только вследствие саморазряда КБ).
Как видно из приведенных осциллограмм, скорость восстановления напряжения на контактах выключателя даже с учетом реальных последовательных индуктивных элементов (индуктивности L питающей сети, токоограничивающих индуктивностей LKE) весьма мала (переходное восстанавливающееся напряжение в основном содержит постоянную составляющую и основную гармонику сети - выражение (4.5)).
Рис. 5 Отключение одной фазы конденсаторной батареи при однократном повторном зажигании дуги в первой отключаемой фазе (ta - момент отключения первой фазы КБ, t а - момент повторного зажигания дуги в фазе «а» выключателя, tal - момент гашения тока пробоя фазы «а», i ь- токи выключателя, ЛиаЬ- напряжения на контактах выключателя, uah- напряжения на КБ относительно земли, uN - напряжение на нейтрали КБ). Напряжения «даны в о.е., в долях амплитуды фазного напряжения сети 10 кВ (Emax=U6ai=8,16 кВ).
В принципе, как следует из рис. 3, возможность повторного зажигания дуги в первой отключаемой фазе „ а " все же имеется в том случае, если момент начала движения контактов был весьма близок к моменту ,,ta", когда межконтактное расстояние невелико и скорость восстановления диэлектрической прочности этого промежутка мала.
Так на рис. 5 показан процесс повторного зажигания дуги в момент времени t когда начало движения контактов t было весьма близко к моменту ta, а скорость восстановления диэлектрической прочности 1,5 кВ/мсек. Второй и последующие пробои становятся практически невозможными ввиду того, что ток в выключателе содержит составляющую промышленной частоты и следующий переход тока через нуль tal наступает уже при большом межконтактном расстоянии. Как видно из сравнения рис.4.3 и 4.5, возможный однократный пробой несколько увеличивает максимальное напряжение на КБ (2,69 о.е. по сравнению с 2,23 о.е. на рис. 3) и создает в момент пробоя высокочастотный ток, который может создать опасные перенапряжения на других элементах сети. Рассмотренный механизм, ведущий к повторному зажиганию дуги, практически невозможен в случае вакуумного выключателя, но может иметь место при коммутации элегазовых выключателей.
Относительно медленное нарастание электрической прочности межконтактного промежутка, свойственное элегазовым выключателям, все-таки может привести к значительным перенапряжениям даже при однократном пробое межконтактного промежутка выключателя. Так на рис. 6 показан процесс отключения всех трех фаз выключателя и повторный пробой в первой отключаемой фазе „ а " в момент tnPa, соответствующий максимальному напряжению на контактах Диа , при этом скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка не превышает 2кВ/мсек.
Рис. 6 Отключение конденсаторной батареи тремя фазами с однократным повторным пробоем в первой отключаемой фазе в момент максимума напряжения на контактах фазы «а» выключателя (ta,tll,tc - моменты отключения фаз выключателя, - время горения дуги, i - токи выключателя, напряжения на контактах выключателя, uah- напряжения на КБ относительно земли, uN - напряжение на нейтрали КБ). Напряжения даны в о.е., в долях амплитуды фазного напряжения сети 10 кВ (Emax=U.a=8,16 кВ).
В данном примере время горения дуги после повторного пробоя (td - рис. 6) составило 1,2 мсек и ее гашение произошло при скорости подхода тока к нулю 0,5 А/мксек, что характерно для элегазовых выключателей. При этом возникают существенные перенапряжения на всех элементах сети. Так напряжение на нейтрали имеет пик 4,37 о.е., фазное напряжение на КБ относительно земли достигает 5,97 о.е., пик напряжения на контактах выключателя 6,57 о.е. Те же напряжения после гашения дуги в выключателе снижаются после затухания высокочастотных составляющих и не превышают и= 2,63, ui/ivaKC= 4,2, Ликмак=5,Ъ9, но остаются большими соответствующих значений до первого пробоя, то есть создают опасность для повторных пробоев и эскалации перенапряжений
Заметим, что возможность пробоев и эскалации перенапряжений становится еще более реальной и опасной, если коммутация осуществляется при наличии в сети однофазного замыкания.
Как видно из рис. 6, если бы повторный пробой завершился более быстрым гашением тока (через 1-3 полуволны высокочастотного тока), что более свойственно вакуумным выключателям, то напряжение на нейтрали, на КБ и на контактах выключателя были бы значительно больше - они были бы равными максимальным отмеченным на рис. 6 значениям и потенциальная опасность многократных повторных пробоев возросла, следовательно, возросла бы опасность эскалации перенапряжений. Однако, здесь более важным является фактор более быстрого роста диэлектрической прочности межконтактного промежутка в вакуумном выключателе и поэтому следует считать, что он менее склонен к отключению КБ с единичными или повторными пробоям и, следовательно, менее склонен к эскалации перенапряжений, чем элегазовый. Дополнительным благоприятным обстоятельством применения вакуумных выключателей для коммутации конденсаторных батарей является малый контактный износ при коммутации больших переходных токов КБ вследствие низковольтной дуги между его контактами.
