КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ИСПЫТАНИЮ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
В соответствии с требованиями к выключателям [2.1] они должны пройти следующие испытания: 1) на механическую работоспособность; 2) на электрическую прочность изоляции; 3) на нагрев номинальным током; 4) на стойкость при сквозных токах КЗ, 5) на коммутационную способность; 6) на стойкость к воздействию климатических факторов внешней среды; 7) на надежность по механическому ресурсу.
Рассмотрим только испытание выключателей на коммутационную способность, поскольку она является главной функциональной характеристикой аппарата. Кроме того, для этих испытаний необходимо специальное и даже уникальное оборудование.
Как указывалось ранее, выключатели имеют значительные токи отключения Если принять, что выключатель имеет ток 63 кА при номинальном напряжении 750 кВ, то для проведения испытания такого выключателя необходим источник мощностью:
Такие мощности могут создаваться только при объединении мощных энергосистем. Токи генераторных выключателей достигают 200 кА и более. Испытание современных выключателей является сложной технической проблемой.
В качестве источников энергии для испытаний на коммутационную способность могут быть использованы: 1) энергетические системы; 2) специальные генераторы; 3) колебательный контур проф. А. А. Горева; 4) синтетические схемы испытаний.
Проведение испытаний в энергосистемах является для них аварийным режимом, при котором иногда выходят из строя силовые трансформаторы, подгорают неразъемные контакты, ухудшается надежность энергоснабжения. Поэтому энергосистемы используются для испытаний аппаратов в редких случаях, когда отсутствуют другие возможности.
Для отработки макетов ДУ и выключателей очень удобны испытания на специальных ударных генераторах. Упрощенная схема лаборатории разрывных мощностей (ЛРМ) изображена на рис. 2.6. Ударный генератор — это синхронный генератор, который должен обеспечивать· 1) пониженное сверхпереходное сопротивление (2—4%); 2) высокую термическую и электродинамическую стойкость обмоток; В) большой момент инерции ротора.
Пониженное переходное сопротивление статора дает возможность получить большие токи КЗ. Отечественный генератор ТИ-100 имеет Рном=100 МВт, Uном=13,8 кВ, Iном=5780 А. При испытаниях этот генератор может дать ток до 118 кА. Эквивалентная трехфазная мощность достигает 2500 МВ-А. Большие токи в статоре создают значительные механические усилия в лобовых частях обмотки генератора.
Протекание больших токов является для генератора номинальным режимом (генераторы работают десятки лет без ремонта), причем в день может производиться до 15 опытов с наибольшим током КЗ. Поэтому к обмотке предъявляются высокие требования в отношении термической я электродинамической стойкости.
Ротор генератора раскручивается при разомкнутой цепи статора до частоты вращения около 3000 об/мин с помощью двигателя мощностью 1000 кВт.
Рис. 2.6. Упрощенная схема ЛРМ с ударным генератором:
1— возбудитель; 2 - приводной двигатель возбудителя; 3 — выключатели приводных двигателей; 4 — приводной двигатель; 5 — ударный генератор; 6 — защитный выключатель; 7 — короткозамыкатель; 8 — регулирующий реактор; 9— регулирующий резистор; 10 — разъединитель; 11 — повышающий трансформатор; 12— конденсаторная батарея; 13 — испытуемый выключатель; 14 — понижающий трансформатор
Масса ротора достигает 50 т, и в роторе запасается колоссальная механическая энергия, равная Jω2/2=300 МДж, где I— момент инерции ротора, ω — его угловая скорость. Длительность разгона ротора составляет около 6 мин.
При проведении испытаний происходит торможение ротора генератора за счет активных потерь в его обмотке, шинах и за счет мощности, выделяющейся в дуге, 3UдIо,ном (при трехфазных испытаниях). Уменьшение скорости ротора вызывает уменьшение частоты тока генератора. Для ограничения этого явления ротор генератора обладает большим маховым моментом и скоростью, а длительность протекания тока КЗ (при предельном значении) не превышает 0,1 с.
Для получения предельных токов КЗ возбудитель отдает ротору мощность 8000 кВт. Энергия, отдаваемая возбудителем, черпается также из энергии маховика на валу возбудителя. Маховой момент системы равен 80 т-м2.
При испытаниях на генераторном напряжении в цикле О включаются испытуемый выключатель 13 (II), разъединитель 10, защитный выключатель 6. Специальный прибор автоматического управления (ПАУ) производит включение и отключение аппаратов в следующем порядке: вначале включается короткозамыкатель 7 и по цепи течет ток. После этого отключается испытуемый выключатель 13. Затем отключается защитный выключатель 6.
Рис. 2.7. Основные схемы колебательного контура
Короткозамыкатель имеет регулируемый момент включения с точностью долей электрического градуса. Выключатель 6 отключает ток цепи при отказе испытуемого выключателя 13. Если испытуемый выключатель отключил цепь нормально, то защитный отключает обесточенную цепь.
Параметры тока регулируются с помощью цепочки 8, 9. Скорость восстановления напряжения меняется конденсатором 12.
При испытании на высоком напряжении используется трансформатор 11, при низком — трансформатор 14. Трансформаторы имеют пониженное сопротивление КЗ и высокую термическую и электродинамическую стойкость.
Научно-исследовательский центр по испытанию высоковольтной аппаратуры (НИЦ ВВА) в Москве имеет два генератора ТИ-100 и обеспечивает испытание выключателей мощностью до 5000 МВ-А. Мощную генераторную установку (два генератора ТИ-100) имеет также испытательный центр ПО Уралэлектротяжмаш.
Для испытаний выключателей может быть использован колебательный контур, предложенный советским ученым проф. А. А. Горевым (рис. 2.7, а).
Рис. 2.8. Характер изменения основных параметров при испытаниях на колебательном контуре
С помощью трансформатора Тр и выпрямителя В заряжается до высокого напряжения (50 кВ) мощная конденсаторная батарея С емкостью несколько тысяч микрофарад. Сначала включается испытуемый выключатель ИВ, затем оперативный ОВ. В цепи ИВ протекает ток
Параметры L и С подбираются так, чтобы ω=314 1/с (f=50 Гц). Напряжение конденсатора и схема соединений L, С обеспечивают необходимый ток. Условия отключения практически такие же, как в предыдущей установке в схеме с ударным генератором (см. рис. 26). Контур А. А. Горева значительно дешевле, проще в обслуживании, но не позволяет выполнять все виды испытаний (сложные циклы, трехфазные испытания).
На рис. 28, а изображен процесс отключения тока в колебательном контуре.
Рис. 2.9. Фазы гашения дуги:
i—ток КЗ (50 Гц); е — ЭДС источника
Здесь ис — напряжение на конденсаторе, iк — ток через выключатель, ид — напряжение на дуге. Вследствие потерь в контуре и ток iк, и напряжение ис уменьшаются во времени по амплитуде. Через время tк контакты испытуемого выключателя разошлись и загорелась дуга. При прохождении тока через нуль в моменты была неуспешная попытка гашения и дуга загорелась вновь. При прохождении тока через нуль в момент 4 дуга успешно погашена. Восстанавливающееся напряжение изображается напряжением. Процесс восстановления напряжения идет вокруг напряжения на конденсаторе и0. На рис. 2.8, б изображен процесс отключения при наличии повторного пробоя, который наступил через время.
Схемы рис. 2.7, б—з позволяют менять в широких пределах напряжение на ИВ при неизменном напряжении на конденсаторной батарее. В отличие от ударного генератора энергия для испытаний сосредоточивается в конденсаторной батарее Р=CU2/2, и поэтому для получения максимального тока батарея должна заряжаться до наивысшего напряжения.
С целью регулирования напряжения, восстанавливающегося на выключателе, и полного использования энергии батареи в схему включаются силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Так, в схеме 2.7, е индуктивность контура LK складывается из реактора L и индуктивности КЗ трансформатора Lт=Χт/ω. В некоторых случаях реактор L может отсутствовать (если f=1/2π√LтC).
Из-за активного сопротивления реактора, шин и сопротивления электрической дуги амплитуда тока затухает. Поэтому длительность испытаний должна быть минимальной (2-3)·10-2 с.
Недостатком схемы с контуром А. А. Горева заключается в том, что ток в испытательной цепи из-за активных потерь быстро уменьшается.
Поэтому на этой установке желательно испытывать быстродействующие выключатели.
С целью расширения возможности испытательной установки испытание мощных выключателей производится по разрывам. Так, выключатель ВНВ-750, в котором обеспечено равномерное распределение напряжения по разрывам, может испытываться при токе 63 кА и при напряжении на разрыве 125 кВ.
Следует отметить, что мощность выключателей непрерывно растет и, как правило, мощность испытательных установок все время отстает, так как для увеличения мощности этих установок требуются большие капитальные затраты и значительное время.
Для того чтобы испытывать новые мощные выключатели, разработаны синтетические схемы испытаний, которые позволили при относительно небольших дополнительных капитальных затратах значительно увеличить мощность испытательных установок.
Для пояснения принципа работы синтетической схемы рассмотрим особенности горения и гашения дуги в цепях высокого напряжения. В полупериод, когда горит дуга от испытательного источника, потребляется мгновенная мощность uдi (рис. 2.9). В современных воздушных, элегазовых выключателях напряжение на дуге составляет 2—3 % номинального напряжения. В этот полупериод дуга может поддерживаться ударным генератором с Uном=12 кВ или колебательным контуром небольшого напряжения, но с большим током.
После прохождения тока через нуль идет процесс восстановления напряжения (область II). При этом восстанавливающее напряжение Uв близко к номинальному Uномв, а ток высокой частоты, сопровождающий процесс восстановления напряжения, невелик. Разделение процесса отключения на две фазы позволяет проводить испытания от двух источников — от источника большого тока, но низкого напряжения (12—20 кВ) и от источника восстанавливающегося напряжения, который имеет малую мощность, но большое напряжение. В качестве источника высокого напряжения (восстанавливающегося) чаще всего используется генератор импульсного напряжения (ГИН).
Такие испытания называются синтетическими. Вся сложность этих испытаний заключается в синхронизации момента подачи восстанавливающегося напряжения. Советские ученые сделали большой вклад в развитие синтетического метода испытаний (Μ. М. Акодис, Η. М. Чернышев, В. В. Каплан, В. М. Нашатырь, Я. Н. Шерман и др.) [2.3].
Скелетная схема, разработанная Η. М. Чернышевым, представлена на рис. 2.10. Большой ток создается контуром А. А. Горева. В контуре имеется оперативный выключатель ОБ, вспомогательный ВВ и испытуемый ИВ. Восстанавливающееся напряжение на ИВ формируется конденсатором Св.н, подключенным к ГИН и переменной индуктивностью. При прохождении тока через нуль дуга в выключателе ВВ, рассчитанном для работы при напряжении 100—200 кВ, гаснет и тем самым отсоединяет ИВ от контура А. А. Горева. Синхронизация осуществляется от RL-шунта. Рассмотрим конец полупериода тока (рис. 2.11,а). При малом τ с достаточной точностью форма кривой тока может быть принята линейной (отрезок АВ). Тогда можно написать
(2.1)
(2.2)
Рис. 2.10. Структурная синтетическая схема Η. М. Чернышева на базе колебательного контура:
Ск, Lк— параметры колебательного контура (источника тока); —регулируемые величины контура восстанавливающегося напряжения; R и L — активный и индуктивный шунты в цепи тока испытательной установки; 1 — нулевое реле; 2 — элемент блокировки; 3 — поджигающее устройство и реле времени
Рис. 2.11. К работе схемы синхронизации Η. М. Чернышева
Рассмотрим порядок работы схемы (см. рис 2.10). От отдельных зарядных устройств заряжаются конденсатор колебательного контура Ск и конденсатор ГИН СГИН. Включаются вспомогательный В В и испытуемый ИВ выключатели. Обычно в качестве ВВ используется один из соседних полюсов трехфазного выключателя. При включении оперативного выключателя ОВ через ВВ и ИВ течет ток колебательного контура (см. рис. 2.8, а). При каждом прохождении тока через нуль нулевое реле 1 выдает сигнал на элемент блокировки 2. Однако поджигающий контур 3 не срабатывает, так как на контактах выключателя ИВ дуги нет. После этого от специального блока управления (на рисунке не показан) подается команда на отключение ИВ и ВВ. На контактах ИВ появляется дуга, элемент блокировки 2 снимает запрет и подается команда на запуск ГИН.
При прохождении тока через нуль дуга в ВВ окончательно гаснет, так как дугогасительное устройство этого полюса рассчитано на напряжение 50— 100 кВ, а напряжение колебательного контура LkCк— порядка около 10 кВ. После отключения ВВ колебательный контур отсоединяется от испытуемого выключателя ИВ. При подходе тока к нулю за время τ (рис. 2.11, а) до нулевого значения блоком 1 подается команда на элементы 2 и 3. Все промежутки ГИН пробиваются и конденсаторы соединяются последовательно. После пробоя промежутка Π1 начинается колебательный разряд конденсатора ГИН на индуктивность Lв.н. Поскольку емкость конденсатора для регулировки восстанавливающегося напряжения Cв.н<CГИН все напряжение ГИН прикладывается к выключателю ИВ. Регулируя Св.н и Lв.н, можно менять кривую восстанавливающегося напряжения на ИВ. Схема позволяет подавать восстанавливающееся напряжение за 10 мкс до нуля тока с точностью ±1 мкс.
Схема синхронизации Η. М. Чернышева позволяет менять момент подачи восстанавливающегося напряжения в довольно широком диапазоне с высокой точностью. На базе этой разработки в ВЭИ создана схема синтетических испытаний, которая позволяет проводить испытания полюса выключателя при напряжении до 400 кВ и токе отключения 100 кА. Другие синтетические схемы испытаний рассмотрены в [2.3].
