Основные параметры аппаратов

К основным номинальным параметрам выключателей в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) относятся:

• номинальное напряжение Uном;
• наибольшее рабочее напряжение Uн.р;
• номинальный уровень изоляции в киловольтах;
• номинальная частота ном;
• номинальный ток Iном;
• номинальный ток отключения Iо.ном;
• номинальный ток включения Iв.ном;
• номинальное переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН) при КЗ на выводах выключателя;
• номинальные параметры при неудаленных КЗ;
• номинальная длительность КЗ;
• номинальная последовательность операций (номинальные циклы);
• нормированные показатели надежности и др.

К параметрам, характерным для воздушных выключателей, следует отнести номинальное давление и расход воздуха, необходимые для проведения операций включения и отключения, нижний предел давления для производства отдельных операций.

Рассмотрим некоторые наиболее важные параметры.

Важнейшим параметром А является номинальное напряжение.

1. U_ном — [кВ _действ] ГОСТ 1516.3-93

— номинальное линейное напряжение трехфазной системы, в которой аппарат должен работать.

Номинальное напряжение Uном (линейное) — это базисное напряжение из стандартизованного ряда напряжений, определяющее уровень изоляции сети и электрического оборудования. Действительные напряжения в различных точках системы могут отличаться от номинального, однако они не должны превышать наибольшие рабочие напряжения (номинальное напряжение по МЭК), установленные для продолжительной работы. Номинальные напряжения выключателей соответствуют классам напряжения (табл. 1).

Наибольшее рабочее напряжение

2. U_{н раб}=(1,2-1,05) U_ном

Для компенсации падения напряжения в сети и в обмотках источников энергии напряжение на зажимах источников поддерживается несколько выше номинального. В свя­зи с этим вводится наибольшее рабочее напряжение Uн,раб, при котором аппарат может работать сколь угодно дли­тельно. Это напряжение на 5 — 20 % выше номинального.

Таблица 1 Класс номинальных напряжений Номинальное междуфазное (линейное) напряжение, действующее значение, кВ Наибольшее рабочее напряжение (номинальное напряжение по МЭК), действующее значение, кВ

Номинальное напряжение определяет электрическую изоляцию аппарата. Номинальный уровень изоляции выключателя характеризуется значениями испытательных напряжений, воздействующих на основную изоляцию выключателя.

В связи с тем, что при работе электроустановок возникают коммутационные и атмосферные перенапряжения, изоляция аппарата подвергается большим нагрузкам. Ее прочность регламентируется испытательным напряжением промышленной частоты и импульсным испытательным на­пряжением (ГОСТ 1516.3-96). Эти напряжения не должны приводить к пробою внутренней и внешней изоляции АВН.

3. I_ном—[А] действующий ток номинальный

Для АВН, которые в процессе эксплуатации обтекаются током нагрузки, важным параметром является номинальный ток. Согласно ГОСТ Р 52565-2006 устанавливаются следую­щие номинальные токи: 200, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31 500 А.

I_ном—действующее значение длительно протекающего тока, который вызывает нагрев элементов ТВС, не превышающий допустимый по ГОСТ.

Требования по нагреву АВН изложены в ГОСТ 8024-90.

В ТТ номинальные первичные токи от1 до 40000 А, номинальные вторичные токи 1 и 5 Ампер.

В предохранителях ВН ток от 2 до 1000 А. Номинальные токи более 200 А относятся к токоограничивающим предохранителям.

4. I _о,ном — номинальный ток отключения

Коммутационная отключающая способность выключателя характеризуется номинальным током отключения Iо.ном, который может отключить выключатель при наибольшем рабочем напряжении и нормированных условиях восстановления напряжения. Ток отключения характеризуется действующим значением его периодической составляющей Iо.п, отнесенной к моменту возникновения дуги (момент размыкания дугогасительных контактов) и называемой номинальным током отключения Iо.ном (2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 35,5; 40; 45; 50; 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250 кА), а также нормированным процентным содержанием bн апериодической составляющей, равным отношению апериодической составляющей ia тока отключения к амплитуде периодической составляющей (Iо.п = Iо.ном) того же тока в момент размыкания дугогасительных контактов. Ток отключения выключателя определяется суммой периодической и апериодической составляющих

Номинальный ток отключения— это действующее значение периодической составляющей тока КЗ в момент расхождения контактов выключателя (МРК), который должен отключаться аппаратом при следующих условиях:

1) при нормированном содержании апериодической составляющей;

2) при циклах операций, предусмотренных ГОСТ 687-78;

3) при напряжении сети U=Uн, раб,

4) при условиях восстановления напряжения согласно ГОСТ 687-78.

I—это наибольший ток КЗ, который выключатель способен отключить в заданных условиях в цепи с возвращающимся напряжением промышленной частоты, соответствующим наибольшему рабочему напряжению выключателя и с заданным переходным восстанавливающимся напряжением, равным номинальному.

При КЗ в цепи переменного тока происходит сложный переходный процесс, в результате которого проходящий по ней ток за время около 0,01 с от мгновенного значения тока нагрузки до значения I_р , определяемого мощностью цепи и называемого ударным током КЗ. Затем ток постепенно уменьшается до значения Ö2 I_¥. Ток КЗ в любой момент может быть разложен на 2 составляющие – периодическую и апериодическую.

Кривая тока КЗ, полученная на осциллографе, изображена на рис. 2.1.Ток отключения определяется в МРК.

Периодическая составляющая тока отключения

I_0,п = AA'´m_i/2Ö2, или I_0,п = Ö2 I_¥.

Периодическая составляющая изменяется с частотой 50 Гц с постепенно затухающей амплитудой, а затем переходит в установившийся ток КЗ. Это обусловлено изменением магнитного поля генераторов, происходящих при КЗ. Продолжительность затухания периодической составляющей, а следовательно и переходного процесса составляет несколько секунд.

Апериодическая составляющая

I_0,а. = 0В'´m_i , (или I_0,а.- расчетная величина апериод. составляющей)

где АА' — расстояние между огибающими, а 0В' — ордината кривой, проведенной как средняя между кривыми АС и А'С' (,m_i — масштаб по току, А/мм).

Апериодическая составляющая быстро затухает и это уменьшение происходит тем быстрее, чем больше активное и чем меньше индуктивное сопротивление цепи.

Допустимое значение апериодической составляющей в токе, % характеризуется коэффициентом b_ном = I_о,а-100%/(I _о,номÖ2), который определяется по кривой рис. 2.2 для времени, равного собственному времени отключения выключателя с добавлением 0,01 с (время защиты).

Или, если необходимо посчитать фактически отключаемый ток,

Iф= I _о,номÖ2+I_апер,

или через b i = I _о,номÖ2*(1+b/100).

Наряду с Iо.ном для оценки коммутационной способности также широко применяется мощность отключения выключателя. Эта мощность равна Р_о=Ö3I_о,ном U_н,раб. Когда дуга горит, то, как правило, мощность, выделяемая в дуге, Ö 3I_о,ном U_н,раб << Р_о. Когда дуга погаснет и идет процесс восстановления напряжения, к выключателю прикладывается высокое напряжение, а ток равен практически нулю, т. е. мощность Ро никогда в выключателе не выделяется. По существу Ро — полная мощность, в основном реактивная, которая создается источником тока КЗ. Чем больше эта мощность, тем больше ток I_{о,ном ,}тем больше коммутационная способность выключателя.

Ток I_о,ном должен отключаться выключателем многократно: при больших токах — до 6 раз, при малых — до 16. Кратность зависит от вида выключателя и номинального тока отключения, понижаясь с возрастанием последнего.

Рис. 2.1. Кривая изменения Рис. 2.2. Кривая для определения тока КЗ при

нормированной апериодической составляющей Рвом

При КЗ АВН обтекаются током КЗ, который в 10 — 20 раз больше номинального. При этом токоведущая часть аппарата подвергается большим тепловым и механическим нагрузкам. Для характеристики АВН при больших токах вводятся понятия — термическая и электродинамическая стойкости.

Т.к. i = I _о,номÖ2*(1+b/100), то считая b=0,8 можно определить i_уд=1,8Ö2 I _о,ном=2,55 I _о,ном, или ток динамической стойкости.

5.Номинальный ток включения

Номинальный ток включения Iв.ном — наибольший ток, который выключатель может включить при наибольшем рабочем напряжении. При возникновении КЗ в цепи за время около 10 мс ток достигает своего максимального значения, называемого ударным током КЗ. Поэтому номинальный ток включения должен быть не менее ударного тока КЗ из условия возможности включения на существующее КЗ в цепи [в режиме автоматического повторного включения (АПВ)].

6.Электродинамическая стойкость

Номинальная длительность тока КЗ характеризуется способностью выключателя выдерживать во включенном положении без повреждений ток электродинамической стойкости (ударный ток) iуд = 2,55 Iо.ном и ток термической стойкости Iт = Iо.ном. Время протекания тока Iт составляет 1 или 2 с для выключателей при Uном > 330 кВ и 1 или 3 с для выключателей при Uном > 220 кВ.

Определяется ударным током, который аппарат может выдержать без поврежде­ний, препятствующих его нормальной работе. Электроди­намическая стойкость может выражаться либо амплитудой ударного тока, кА, либо кратностью этого тока относительно номинального значения. Расчет ЭДУ ведется по этому значению тока.

Термическая стойкость выражается либо током I_t в килоамперах, либо кратностью. Т.С.—наибольшее действующее значение тока КЗ за время tкз, которое аппарат выдерживает без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые при токе КЗ и без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе. Эта стойкость от­носится к определенному времени t (1 — 5 с) в зависимости от класса аппарата.

Время кз составляет:

Разъединители 35кв-4с, 110-220кв-3с, 330-1с

Заземлители—1с

Выключатели —до220кв –1 или 3с, 330 и более -1или 2с

В выключателях должно быть соблюдено соотношение I_t>= I _о,ном

В аппаратах на одни и те же параметры токи динамической и термической стойкости д.б. одинаковы.

Во всем многообразии ЭАВН его основные параметры взаимно связаны и координированы, т.к. нерационально создавать А на малые номинальные токи и большие токи отключения.

В аппаратах, имеющих разъемные контакты, вводится понятие стойкости при сквозных токах КЗ. Это токи электродинамической и термической стойкости, которые может выдержать без повреждений аппарат при номинальных нажатиях в разъемных контактах (полное включенное поло­жение аппарата).

7. Номинальное переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН) при КЗ на выводах выключателя;

При отключении тока КЗ на выводах выключателя возникает переходный процесс, который при гашении дуги характеризуется переходным восстанавливающимся напряжением (ПВН), зависящим от собственных параметров отключаемой сети.

Отключающая способность дугогасительных устройств по-разному зависит от характера изменения ПВН. Воздушные и элегазовые выключатели очень чувствительны к скорости нарастания ПВН (du/dt), а масляные — к максимальному ПВН. Этим объясняется нормирование Iо.ном.

Отключающая способность выключателя может быть охарактеризована зависимостью допустимой скорости восстановления напряжения du/dt от тока отключения (кривая 1 на рис. 5.2). Точки пересечения кривой 1 и прямой 2, описывающей зависимость скорости нарастания ПВН на контактах выключателя при отключении неудаленного КЗ от тока отключения, определяют предельный ток Iт, который может быть отключен воздушным выключателем без теплового пробоя.

При успешном преодолении первого пика напряжения (тепловой пробой не произошел) возможен пробой на максимальном напряжении. Для каждого типа выключателя может быть определено предельно допустимое максимальное ПВН, зависящее от отключаемого тока — кривая 3. Кривая 4 показывает максимальное ПВН сети, которое не зависит от коммутации. Точка их пересечения указывает предельное значение тока отключения выключателя Iэ, вызывающее возможный электрический пробой.

Выключатель не должен отказывать как при максимальных значениях ПВН при КЗ на контактах выключателя, так и при воздействии ПВН с высокой начальной скоростью роста при удаленных КЗ. Зависимости 3, 4, характеризующие режим возможного электрического пробоя, определяют предельный ток Iэ, который больше, чем предельный ток при возможном тепловом пробое Iт. Область применения выключателя ограничена по току значением Iт, а по напряжению — кривой (кривая 3) возможного электрического пробоя.

8.Время действия выключателя

Полное время отключения выключателя t₀ — время с момента подачи команды на электромагнит отключения до погасания дуги во всех трех полюсах. В выключателях на большие токи отключения (80—100 кА) применяется двухступенчатое отключение с применением шунтирующих резисторов. В этом случае различают полное время отключения большого тока и полное время отключения тока шунтирующих резисторов. Полное время равно сумме собственного времени отключения и времени гашения дуги.

В выключателях с U_Ном>=ЗЗО кВ, где особенно важна малая длительность КЗ, полное время отключения t₀ <= 0,04 с. При U_ном= 110-220 кВ t_o = 0,04-0,08 с. При Uном<20 кВ to=0,l-0,2 с.

Собственное время включения T_ВКЛ — время с момента подачи команды на электромагнит включения до момента замыкания цепи высокого напряжения во всех трех фазах. В выключателях с шунтирующим резистором различают время включения контактов в цепи резисторов и время включения основных контактов. Время включения обычно в 2 раза больше времени отключения.

А в зависимости от времени подразделяются по быстродействию (по собственному времени):

сверхбыстробействующий <0,06с

быстродействующий 0,06-0,08 с

ускоренный 0,08-0,12с

небыстродействующий >0,12с

9. Циклы операций

В большинстве случаев повреждение в сетях носит временный характер: причина, вызывающая КЗ, самоликвидируется в результате кратковременного отключения напряжения, не превышающего 0,3 с, необходимого для деионизации участка существования открытой дуги КЗ, и появляется возможность повторного включения напряжения системы. Отсюда вытекает определенная последовательность операций, выполняемых выключателем, связанных с отключением КЗ и последующим автоматическим повторным включением (АПВ) этого участка сети

Допустим, что вследствие атмосферных перенапряжений произошло перекрытие внешней изоляции. После импульса тока по пути перекрытия течет ток промышленной частоты. Если поврежденную цепь отключить и дать возможность восстановиться прочности перекрытой изоляции (под действием ветра, теплового движения воздуха), то при повторном включении электроустановки будут работать в нормальном режиме. Как показывает статистика, такие повреждения составляют до 80 % общего числа повреждений. Таким образом, повторное включение установки позволяет значительно повысить надежность энергоснабжения, что дает большой экономический эффект. Однако нельзя исключить случай, когда после отключения цепи повреждение остается. Поэтому выключатель должен обладать способностью повторного отключения тока КЗ.

Режим, при котором происходит отключение (0), включение (В) и повторное отключение (О), называется режимом автоматического повторного включения (АПВ). Для выключателя, предназначенного для работы при АПВ, предписываются следующие циклы работы при токе I_ОНом:

1) (О — t_бт — В)О— 180с — ВО; ( )-цикл успешного АПВ, если произошло перекрытие воздушной изоляции, которая восстанавливается.

1а) О —t_бт —ВО —20 с —ВО (для U<220 кВ);

2) О —180 с—ВО —180с —ВО,

где t_бт— нормированная бестоковая пауза — время с мо­мента погасания дуги после первого отключения (О) до момента появления тока при последующем включении (В); 180с — пауза длительностью 180 с; 20 с — пауза длитель­ностью 20 с.

Пауза t_бт зависит от выключателя и колеблется от 0,3 до 1,2 с. Для быстродействующего АПВ (БАПВ) t_бт =0,3 с. Выключатели, не предназначенные для работы при АПВ, должны испытываться только при цикле 2.

180 с необходимо выключателю для восстановления пониженного давления в резервуаре, или на взвод пружины масляного В.

НАДЕЖНОСТЬ

Выключатель является наиболее сложным и наиболее ответственным АВН, и его надежность определяет надежность всей энергосистемы. Надежность регламентируется ГОСТ 13377-75. В соответствии с этим ГОСТ различают отказы и несущественные повреждения.

Отказ — это такая неисправность, которая не дает возможности выключателю выполнять свою основную функцию. Сюда относятся невыполнение команд включения (В) или отключения (О), перекрытие изоляции аппарата, повреждение токоведущей цепи, препятствующее прохождению тока, отказы в гашении дуги. При отказе выключатель должен быть выведен из эксплуатации.

Несущественные повреждения — это такие неисправности, при которых выключатель может оставаться в работе и которые можно устранить в последующем, когда представится возможность.

Отказы и несущественные повреждения, обусловленные неправильной эксплуатацией, при оценке надежности не учитываются.

Количественно надежность выключателя может выражаться вероятностью безотказной работы или интенсивностью отказов. Оценка надежности выключателей производится в основном путем статистической обработки результатов эксплуатации выключателей одного и того же вида.

Анализ большого статистического материала показал, что 70 % отказов выключателей наступает из-за поломок в механизме аппарата, 10 % — из-за повреждения изоляции, 20 % вызвано другими причинами [2.2]. Поэтому при разработке, изготовлении, испытаниях и эксплуатации большое внимание следует уделять работе механизма.

Согласно [2.1] производятся механические испытания на надежность. Выключатели по механической износостойкости должны выдерживать 2000 операций (В—tn—О, где tn— произвольная пауза) без тока при Uном<=35 кВ и I _о,ном= 12,5- 80 кА. Выключатели с большим I _о,ном, чем указано выше, или с напряжением Uном>=110 кВ должны выдерживать 1000 операций. При этом не должно возникать ни одной неполадки. Испытания на механический ресурс производятся при числе операций 2000—4000. После 1000 или 2000 циклов допускается строго ограниченное число отказов (ГОСТ 687-78).

В связи с повышением требований к надежности ряд зарубежных фирм повышает число допустимых операций до 5000—10000.

Согласно анализу отказов в течение 10 лет на 6000 однотипных воздушных выключателях установлено, что средняя интенсивность отказов современных выключателей не превышает 0,01, т.е. один из 100 выключателей может отказать в течение года эксплуатации 1 раз [2.2]. Перед разработчиками выключателей ставится задача дальнейшего снижения интенсивности отказов (в 5 раз).

Оценка надежности при разработке выключателей на новые параметры или вообще новой конструкции чрезвычайно затруднена. Если в новом выключателе используются элементы от существующих, то можно при оценке надежности использовать материалы по отказам этих элементов [2.2].

При создании новых аппаратов испытаниям на надежность подвергаются основные узлы и элементы. Малое количество испытуемых узлов компенсируется большим числом проводимых испытаний. Испытания на отказы механизма выключателя проводятся на готовом новом образце, причем число операций включения и отключения достигает 10000 и механические испытания чередуются с испытаниями выключателя на нагрев, с охлаждением выключателя до самых низких температур и другими воздействиями, приближающимися к реальным условиям эксплуатации.