Увеличение износостойкости и надежности КАГ-24-30/30000 УЗ

Перцев А.А., Рыльская Л.A.

Аннотация

В устройстве КАГ-24 , предназначенном для выполнения коммутационных операций и измерений напряжения в цепи главных выводов турбогенераторов         мощностью 800 и 1000 МВт с номинальным напряжением 24 кВ, 50 Гц, предлагается осуществить замену воздушных дугогасительных камер на вакуумные с выполнением с их помощью не только операций отключения тока до 30 кА, но и операций включения. Показано, что при этой замене количество каждого вида операций может быть увеличено до 1000, вместо 25 при воздушных дугогасительных камерах. Кроме того, исключается загрязнение внутренней изоляции КАГ-24 продуктами эрозии электродов, что сократит вероятность возникновения внутренних перекрытий и повысит надежность работы устройства.
Устройство КАГ-24 (устройство) предназначено для выполнения коммутационных операций и измерений напряжения в цепи главных выводов турбогенераторов мощностью 800 и 1000 МВт с номинальным напряжением 24 кВ, 50 Гц и номинальным током до 30000 А. Эти устройства разработаны в середине 80-х годов прошедшего века и успешно эксплуатируются до настоящего времени на электростанциях [1].
К настоящему времени становится все более актуальной модернизация находящегося в эксплуатации электротехнического оборудования, при которой за счет использования новейших разработок в области вакуумной аппаратуры [2, 3] оказывается возможным при весьма скромных затратах существенно улучшить его эксплуатационные характеристики.
Рассмотрению различных вариантов модернизации устройства КАГ-24 при использовании вакуумных дугогасительных камер посвящена настоящая работа. Работе предшествовал положительный опыт модернизации воздушного выключателя фидерного типа на 10 кВ, 20 кА, 1000 А [4], в котором осуществлена замена воздушных дугогасительных камер на вакуумные.

В результате замены электрическая износостойкость выключателя при токе 20 кА повысилась с 20 до 300 отключений без замены дугогасительных камер. При токе 1000 А можно выполнить до 100 тыс. циклов ВО (включено-отключено), а механический ресурс выключателя составляет не менее 150 тыс. циклов ВО. Модернизированный фидерный выключатель успешно эксплуатируется с мая 1999 г. на испытательном стенде ударных токов ВЭИ в качестве защитного аппарата. По май 2005 г. выполнено примерно 6,5 тысячи операций отключения. При этом случаев отказа в отключении не наблюдалось.

Схема КАГ-24 и его работа

Рис. 1. Схема электрическая полюса устройства КАГ-24
(Р - разъединитель; 3 - заземлитель; О - отделитель; ГК - главные контакты; ГТС - главная токоведущая система; ГДК - главная дугогасительная камера; ВДК - вспомогательная дугогасительная камера; R - резистор 15,0 Ом; ИТН - измерительный трансформатор напряжения).
На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема полюса КАГ-24, а на рис. 2 эскиз расположения элементов дугогасительного контура. Полюс содержит главную токовую систему (ГТС), рассчитанную на длительное пропускание тока нагрузки до 30000 А и пропускание сквозного аварийного тока с наибольшим пиком до 500 кА и с начальным действующим значением периодической составляющей до 190 кА. ГТС содержит главные контакты (ГК) и разъединитель (Р), обеспечивающие надежную изоляцию различных участков схемы при отключении. На выполнение токовых коммутационных операций ГК и Р не рассчитаны. Токовые коммутационные операции выполняются в дугогасительном контуре, параллельном ГК и состоящем из главной дугогасительной камеры (ГДК), вспомогательной дугогасительной камеры (ВДК) и отделителя (О). При операции отключения сначала размыкаются ГК, и ток, текущий до этого по ГТС, переходит в ГДК, ВДК и О, контакты которых сомкнуты. Далее с интервалом 15-20 мс размыкаются контакты ГДК и ВДК. Горящая между ними дуга гасится потоком сжатого воздуха, в результате чего происходит прерывание тока. Затем в бестоковом режиме размыкаются контакты О и Р, работающие, как и ГК, при атмосферном давлении. На этом процесс отключения завершается. Через ~1 с после завершения дугогашения и прекращения подачи сжатого воздуха в ГДК и ВДК происходит возврат контактов этих камер в сомкнутое положение, которое сохраняется до следующей операции отключения.

Рис. 2. КАГ-24, элементы дугогасительного контура (обозначения см. рис. 1).
Каждая операция отключения тока нагрузки сопровождается существенной эрозией контактов ГДК и ВДК под действием горящей между ними дуги отключения. В результате при токе 25- 30 к А можно сделать не более 25 отключений, после чего по регламенту необходим средний ремонт устройства с разборкой ГДК и ВДК.
Включение устройства начинается с перевода заземлителя (3), рис. 1, в отключенное положение. Затем включается разъединитель Р, далее включается оделитель О и завершается операция включением ГК. Контакты ГДК и ВДК, напомним, сомкнуты сразу после завершения операции отключения. В наиболее тяжелых условиях при включении устройства работают контакты О, поскольку в процессе их смыкания между ними возникает дуга предвключения. Ток дуги может достигать 25-30 кА. При таком значении тока контакты О выдерживают не более 9 включений, после которых необходима их ревизия. К счастью, такие значения тока при включении относительно редки.
Из изложенного следует, что элементами, определяющими электрическую износостойкость устройства КАГ-24 при операции отключения, являются воздушные дугогасительные камеры ГДК и ВДК, а при операции включения контакты отделителя О.

Выбор вакуумной дугогасительной камеры

Успех модернизации устройства в значительной мере определяется выбором вакуумной дугогасительной камеры (камеры). Она должна коммутировать ток не менее 30 кА при восстанавливающемся напряжении с учетом возможности возникновения режима рассогласования фаз; обладать при токе 30 кА трехсекундной термической стойкостью, чтобы без перегрева пропускать ток во время манипуляций с контактом ГК; выдерживать включение на ток с наибольшим пиком до 110 кА и пропускать сквозной ток такого же значения. Наиболее полно удовлетворяет перечисленным требованиям выпускаемая промышленностью РФ камера КДВ-35-31,5/1600 [3]. Кроме того, расчетной оценкой установлена возможность выполнить камерой до 330 циклов ВО при токе 31,5 кА.

Варианты модернизации КАГ-24

Возможны несколько различных по сложности выполнения и эффекту вариантов модернизации устройства при использовании вакуумных камер.

Рис. 3. Схема размещения камеры вакуумной дугогасительной в устройстве КАГ-24 при модернизации по вар. 1
(К - камера вакуумная дугогасительная; П - привод; остальные обозначения см. рис. 1).
Вариант первый самый простой. Он включает в себя замену обеих воздушных камер ГДК и ВДК, рис. 2, на одну вакуумную камеру. При этом ее функции сохраняются теми же, что и функции ГДК и ВДК, то есть прерывание отключаемого тока с последующим через ~1 с возвратом контактов вакуумной камеры в замкнутое состояние. При такой замене износостойкость КАГ-24 при отключении тока 25- 30 кА увеличивается с 25 до 330 операций, то есть более чем на порядок величины. При этом отпадает необходимость в расходовании 3500 л ат воздуха на каждое отключение, поскольку дугогашение происходит в вакууме.
Процесс включения КАГ-24 с одной вакуумной дугогасительной камерой происходит так же, как с воздушными камерами, то есть смыканием контактов отделителя О с возникновением между ними дуги предвключения. Электрическая износостойкость контактов О при включении на ток 25-30 кА остается равной 9 операциям, см. таблицу.
Расположение вакуумной камеры на месте воздушных видно на рис. 3. Размыкание контактов вакуумной камеры при операции отключения производится за счет работы пневмопривода одностороннего действия. Воздух в пневмопривод подается в нужный момент из имеющегося резервуара полюса. Возврат контакта камеры в замкнутое положение осуществляется пружиной контактного давления. Возможны другие варианты исполнения привода.
Вторым вариантом предусматривается реализация с помощью вакуумной камеры не только функции отключения тока нагрузки, как это предлагается в варианте 1, но и включения той же камерой тока нагрузки, вплоть до значений 25-30 кА. Размещение камеры в этом случае аналогично рис. 1 .При этом отпадает необходимость в отделителе О, что имеет следствием существенное упрощение элементов дугогасительного контура. В этом случае, однако, потребуется некоторое усложнение приводного устройства вакуумной камеры. Оно должно не только размыкать контакты камеры при выполнении операции отключения, но и удерживать их в отключенном состоянии сколь угодно долго, пока не поступит команда на операцию включения. При поступлении таковой подвижный контакт камеры смыкается с неподвижным контактом. При этом ток нагрузки устройства КАГ-24 протекает по элементам дугогасительного контура в течение ~1 с. За это время происходит смыкание контактов ГК, которыми шунтируется дугогасительный контур, и текущий через него ток нагрузки не превышает допустимого значения (1250-1600 А). При такой работе вакуумной камеры электрическая износостойкость КАГ-24 при токах 25-30 кА составит по 330 включений и отключений без необходимости делать ревизии.

К сожалению, оба рассмотренных варианта модернизации не решают задачи увеличения количества включений на аварийный ток с наибольшим пиком до 310 кА и начальным действующим значением периодической составляющей 120кА. Оно остается однократным, после чего требуется средний ремонт КАГ-24.
Третий вариант модернизации заключается в использовании параллельного соединения трех вакуумных камер. Три камеры размещаются вместо одной, рис. 3. Места для них оказывается достаточно. Методика реализации равномерного деления тока между камерами в операциях включения и отключения разработана детально [5]. Потребуется решение задачи управления движением контактов трех камер. Но это задача чисто инженерная. При использовании трех параллельных камер в каждом полюсе устройства КАГ-24 за счет уменьшения в три раза тока в каждой камере возрастает его электрическая износостойкость при токах 25-30 кА до 1000 отключений, 1000 включений и окажется возможным 30-кратное включение на аварийный ток с наибольшим пиком 310 кА и начальным действующим значением 120 кА, см. таблицу.

Облегчение условий работы внутренней изоляции устройства КАГ-24

Замена воздушных дугогасительных камер на вакуумные радикальным образом облегчает условия работы внутренней изоляции устройства. Как показано выше, малая электрическая износостойкость действующего устройства обусловлена энергичным разрушением дугой контактов в воздушных дугогасительных камерах при отключении тока, а также контактов отделителя дугой предварительного пробоя при включении тока. При этом продукты эрозии оказываются во внутреннем объеме заземленного кожуха, которым закрыты токоведущие части. Внутри кожуха расположены также опорные изоляторы. Естественно, что продуктами эрозии загрязняются поверхности всех элементов находящихся внутри кожуха. В особенности это относится к изоляторам, загрязнение которых стимулируется электрическим полем. Миграцию продуктов эрозии облегчает обдув воздухом со скоростью до 6 м/с элементов внутри кожуха, созданный для увеличения теплоотвода. Свой вклад в миграцию вносят 3500 л-ат воздуха, поступающего из дугогасительных камер внутрь кожуха за десятые доли секунды при выполнении каждой операции отключения. Не исключено, что процесс миграции продуктов эрозии является основным источником отказов, связанных с перекрытиями внутренней изоляции полюса, о чем сообщается в [6]. С заменой воздушных дугогасительных камер на вакуумные прекращается поступление продуктов эрозии контактов внутрь объема кожуха. Эти продукты остаются внутри герметичного объема вакуумных камер. Контакты отделителя при модернизации по вариантам 2 и 3 работают исключительно в бестоковом режиме, и их эрозия становится минимальной. Отпадает необходимость в расходовании 3500 л ат воздуха при каждом отключении. Таким образом, источник отказов в работе изоляции, о котором говорилось выше, полностью устраняется. Поэтому можно ожидать более надежной работы внутренней изоляции в полюсах устройства. Устранение расхода воздуха для дугогашения позволяет многократно сократить его потребление устройством. Не исключено, что окажется возможным, как и в ВВ-10, уменьшить его давление на 15-25 % без нарушения работы механики. Это мероприятие положительно скажется на увеличении механической износостойкости и снижении затрат на эксплуатацию устройства.

Заключение

Рассмотрены три варианта модернизации устройства КАГ-24 путем замены воздушных дугогасительных камер на вакуумные. При этом при применении одной вакуумной камеры электрическая износостойкость при отключении тока 25-30 кА повышается более чем в десять раз. При использовании параллельного соединения трех вакуумных камер электрическая износостойкость при 25-30 кА может быть увеличена до 1000 включений и отключений, а также появляется возможность 30-кратного включения на аварийный ток с наибольшим пиком 310 кА при действующем значении до 120 кА. Радикальным образом облегчаются условия работы внутренней изоляции устройства. Существенно сокращается расход воздуха. В результате модернизации КАГ-24 возрастает не только его электрическая износостойкость и надежность работы, но и уменьшаются эксплуатационные расходы.

Характеристики КАГ-24-30/30000 УЗ с воздушными или вакуумными дугогасительными камерами

* Ограничение обусловлено механической износостойкостью механизма КАГ.
Вакуумные камеры допускают в сумме до 6000 операций В и О.
** После модернизации возможно уменьшение давления сжатого воздуха, поскольку он для целей дугогашения не используется.

Список литературы

1. ОАО ВО «Электроаппарат». Номенклатурный перечень выпускаемого оборудования 2001-2002 г. Санкт-Петербург, 2000 г.
2. Белкин Г.С., Лукацкая И. А., Перцев А. А., Ромочкин Ю.Г. Новые разработки ВЭИ в области вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 2001, № 9. С. 17-23.
3. Перцев А.А., Рыльская Л.А. Вакуумные дугогасительные камеры на 35 кВ разработки ВЭИ // Электротехника, 2004, № 8. С. 6-10.
4. Перцев А.А., Ляшенко В.Д., Рыльская Л.А. Опыт модернизации воздушного выключателя путем замены воздушных дугогасительных камер на вакуумные // Электротехника, 2005,№5. С. 16-21.
5. Перцев А. А., Белкин ГС., Рыльская Л.А. Коммутационные процессы в вакуумных выключателях с параллельным соединением дугогасительных камер // Электротехника, 2003, №11. С. 39-45.
6. Журавлев С.В., Кузьмичева К.И. Анализ причин повреждения выключателя нагрузки в цепи генераторного напряжения КАГ-24 Тюменьэнерго // Электротехника 2010 год. VII Симпозиум. Московская область. Май. 2003. Т. 2. С. 73-76.