Особенности коммутаций отключения электродвигателей вакуумными выключателями

Особенности коммутаций отключения

электродвигателей вакуумными выключателями

В большинстве публикаций, посвященных анализу перенапряжений, создаваемых вакуумными выключателями, указываются следующие причины:

• срез тока до его нулевого значения и освобождение энергии, запасенной в индуктивных элементах схемы;

• недостаточная диэлектрическая прочность межконтактного промежутка в начальный интервал времени после прерывания тока дуги, который не может выдержать переходного восстанавливающегося напряжения, что приводит к повторным зажиганиям дуги;

• виртуальный срез тока (доходящий до сотен ампер) в соседних фазах, вызванный повторными зажиганиями дуги (ПЗ) в первой отключаемой фазе;

• возможность многократных пробоев (предпробоев), сопровождающихся гашениями переходного тока, при уменьшающемся межконтактном промежутке в процессе коммутации включения.

В зависимости от вида коммутируемого оборудования (электродвигатель, трансформатор, кабель и т.д.) может быть определяющей какая-либо одна из этих причин. Например, учет среза тока более важен для определения максимальных перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатора, в то же время, учет недостаточной диэлектрической прочности в начальный период важен при

Рис.1-Графики тока и напряжения при отключении двигателя вакуумным выключателем

рассмотрении перенапряжений при отключениях заторможенного электродвигателя и т.д. Одновременно, даже без учета основных из выше перечисленных причин (т.е., например, без среза тока и повторных зажиганий дуги в выключателе, т.е. при использовании "идеального выключателя") можно получить весьма высокие кратности перенапряжений при коммутации электродвигателей.

Рассмотрим более обстоятельно процесс отключения заторможенного электродвигателя вакуумным выключателем. После прерывания тока (вне зависимости от величины тока среза), если переходное восстанавливающееся напряжение (u_в) растет быстрее, чем диэлектрическая прочность между контактами выключателя, возникает условие для многократных повторных зажиганий дуги (ПЗ). Возникновению ПЗ благоприятствует момент начала движения контактов (t_откл. ), если он попадает в зону примерно t_откл.<0,5...1 мсек до "естественного" нуля тока (или момента среза тока, рис. 1). Так как за это малое время движения контактов величина межконтактного промежутка, а следовательно и величина диэлектрической прочности промежутка часто оказывается недостаточной, чтобы успешно противостоять росту восстанавливающегося напряжения (несмотря на то, что предполагается, что диэлектрическая прочность в момент прерывания тока практически мгновенно принимает значение, отвечающее текущей длине промежутка, см. скачок U_ДЭ на рис. 1), возникают условия для пробоя межконтактного промежутка. Таким образом, чем больше случайная величина t_откл, тем более вероятно отключение без повторных зажиганий.

Если первый пробой межконтактного промежутка ВВ после прерывания тока может иметь место из-за недостаточной его диэлектрической прочности, то последующие многократные повторные пробои происходят из-за высокой дугогасящей способности ВВ, позволяющей гасить дугу в первый же нуль высокочастотного переходного тока (частотой 100...200 кГц), сопровождающего каждый пробой.

Ниже, при рассмотрении проблемы перенапряжений основное внимание будет уделяться явлениям среза тока и многократных повторных зажиганий при отключениях первой фазы выключателя. Не будут рассматриваться перенапряжения, возникающие из-за виртуального среза, так как эти перенапряжения могут быть ликвидированы конструктивно заводом-изготовителем, или подавлены с помощью устройств, предназначенных для снижения перенапряжений при отключении первой фазы.

На рис. 2,а представлена одна из экспериментальных осциллограмм, полученных при отключении пускового тока заторможенного электродвигателя напряжением 6 кВ мощностью 200 кВт в натурном эксперименте, проведенном ОРГРЭС на одной из ТЭЦ г. Уфы. Для сравнения на рис. 2,6 показана расчетная осциллограмма, выполненная с помощью программы "Triada" (разработка СПбГТУ) для условий этого эксперимента. Ток среза принят равным i_ср =5 А, скорость восстановления диэлектрической прочности dU_дэ/dt=15 кВ/мсек, начало движения контактов t_откл.=0,85 мсек.

Как видно, процесс отключения сопровождается пятью повторными зажиганиями дуги в выключателе с последующим отключением этой фазы. Кратность максимальных пере­напряжений, отнесенных к амплитуде фазного напряжения кВ составляет 2,1. Отключение последующих фаз (при отсутствии виртуального среза) дает меньшие кратности перенапряжений, чем при отключении первой. Из сравнения рис. 2,а,б видно, что математическое моделирование дает неплохое соответствие экспериментальных и расчетных данных.

Покажем основные факторы, влияющие на возможное, число повторных зажиганий дуги в выключателе и кратность возникающих при этом перенапряжений. На рис. 3,а,б показаны аналогичные рис. 2. переходные процессы отключения пускового тока асинхронного электродвигателя с номинальной мощностью 250 кВт (пусковой ток I_Пm=0,3 к А) при питании через трансформатор мощностью 25 МВА и длине кабеля l_к =100м (рис. 3,а) и l_к =300 м (рис. 3,б), dU_дэ/dt=, ток среза i_ср =5 А. На рис. 3 приведены все три фазы соответствующих напряжений и токов. Как видно (рис. 3,а), отключение первой фазы вызывает появление на зажимах электродвигателя перенапряжений кратностью U =2,0...2,1 и меньших — при отключении двух других. На контактах выключателя через время примерно равное 0,2 мсек после прерывания тока наступает максимум переходной составляющей перенапряжений кратностью 3,4 (17,2 кВ). Частота этих свободных колебаний приближенно может быть определена по формуле

напряжения (рис. 3,б) и при прочих равных условиях увеличивает вероятность отключения без повторных зажиганий (или при меньшем их числе).

Увеличение мощности электродвигателя, как следует из рис. 2,а, (при той же длине кабеля) увеличивает частоту свободных колебаний процесса и скорость восстановления напряжения на контактах ВВ.

Существенно меньшая интенсивность переходного процесса имеет место при нормальном отключении вращающегося электродвигателя вне зависимости от его загрузки. Это можно видеть на рис. 3,в, где показано, что в процессе отключения номинального тока на расходящихся контактах ВВ создается столь малое переходное восстанавливающееся напряжение, что отсутствуют условия для пробоя промежутка практически вне зависимости от момента начала движения контактов.

С помощью рис. 3,а можно убедиться, что если, например, начало движения контактов t_откл. попадает в зону t_откл.=0...0,5 мсек, то скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка, меньшая dU_ДЭ/dt<25 кВ/мсек, оказывается недостаточно высокой, и вблизи максимума напряжения свободных колебаний на контактах выключателя может произойти электрический пробой его межконтактного промежутка. Воспользуемся для этого следующими, приведенными выше при описании рис.3,а, данными: время наступления максимума напряжения на контактах выключателя =0,2 мсек после среза тока, а сам максимум равен 17,2 кВ. Таким образом, с момента начала движения контактов t_откл.= 0,5 мсек до максимума межконтактного напряжения проходит время t=0,5+0,2=0,7 мсек и только в том случае, если скорость роста диэлектрической прочности межконтактного промежутка будет превышать значение dU_ДЭ/dt=25 кВ/мсек повторное зажигание дуги не случится (т.к. U_ДЭ=25*0,7=17,5 кВ>U_В=17,2 кВ). Таким образом, при фиксированной и конечной скорости восстановления диэлектрической прочности условия для первого и последующих пробоев определяются моментом начала движения контактов t_откл.

На рис. 4,а показан процесс отключения пускового тока, рассчитанный для тех же условий, что и рис. 3,а, но при t_откл =0,17 мсек (одно деление по оси времени составляет 0,15 мсек) и dU_ДЭ/dt =30 кВ/мсек. Здесь после среза тока при его мгновенном значении i_ср =5 А, прочность промежутка ВВ спустя время t_откл =0,17 мсек после начала движения контактов оказывается недостаточной, и происходит первый, а затем и ряд последующих пробоев промежутка (всего 22) с гашением дуги каждый раз после прохождения через выключатель одной-трех (в зависимости от скорости подхода тока к нулю, принятой здесь равной di/dt=50 А/мксек) высокочастотных полуволн тока. Видно, что максимальное перенапряжение на электродвигателе достигает высокой кратности U_m1=5,04 о.е., то есть намного выше, чем на рис. 3,а, где отсутствует явление многократных ПЗ. При увеличении случайного момента времени t_откл число ПЗ снижается и уже для t_откл =0,5 мсек при dU_ДЭ/dt =30 кВ/мсек отключение происходит без ПЗ, то есть так, как показано на рис. 3,а. Наоборот, при уменьшении времени t_откл число ПЗ увеличивается, и при некотором малом t_откл после серии ПЗ происходит негашение дуги высокочастотного тока (рис. 4,6), после чего возобновляется протекание тока частоты 50 Гц с последующим его гашением спустя время ~10 мсек без каких-либо повторных зажиганий; так как диэлектрическая прочность межконтактного промежутка к этому моменту будет очень велика (полное время движения контактов 6...8 мсек, диэлектрическая прочность полного межконтактного промежутка больше 30 кВ/мм).

Фрагмент процесса многократных повторных зажиганий и гашений дуги в ВВ при большой развертке во времени показан на рис. 4,в. Возникающий при этом относительно низкочастотный максимум перенапряжений U_m1 определяет способность корпусной изоляции электрической машины выдерживать перенапряжения. Как видно из рис.4,в, после очередного пробоя межконтактного промежутка в вакуумной камере, на изоляции., электродвигателя возникает высокочастотный пик перенапряжений с амплитудой равной U_m2. В результате образуется импульс напряжения U (напряжение среза) с крутым фронтом : (порядка микросекунды), равный разности мгновенных значений напряжений относительно земли перед зажиганием дуги и после первого перехода высокочастотного тока через нуль:.Этот максимум напряжения является определяющим для оценки возможности выдерживать перенапряжения для витковой изоляции электрической машины.

Варьирование времени начала движения контактов и скорости восстановления диэлектрической прочности позволяют определить максимальную величину перенапряжений, которые можно ожидать при данной коммутации в схеме сети с заданными параметрами. Естественно, с ростом скорости восстановления диэлектрической прочности значение времени t_откл, при котором возникает серия повторных зажиганий, уменьшается.

Рис.5-Условные статистические функции распределения Р(К_пер) максимальных перенапряжений (K_пер=U_max/U_ф.н.р.max) на зажимах электродвигателя мощностью 250 кВт при отключении пускового тока и длине кабеля =100 м в зависимости от скорости изменения тока в момент гашения di/dt: а) скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка dU_ДЭ/dt = 5 кВ/мсек, б) dU_ДЭ/dt =30 кB/мсек.

Ниже приведены некоторые результаты большого числа расчетов переходных процессов отключения пусковых токов электродвигателей различной мощности при различной длине питающих кабелей, скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка dU_ДЭ/dt, максимальной скорости подхода тока к нулю di/dt, при которой имеет место гашение высокочастотного тока. В каждой серии расчетов оставались неизменными указанные выше параметры и варьировался момент начала отключения t_откл. В предположениии о равнозначности любого значения t_откл в интервале полуволны синусоиды тока промышленной частоты строились вероятностные характеристики максимальных перенапряжений относительно земли (U_ml или U_m2), определенные в каждом из расчетов. Разброс t_откл значений момента начала отключения t_откл , приводящих к значительным перенапряжениям, очень невелик (он составляет величину порядка t_откл = 0,05...0,1 t_откл ), что требует очень малого шага варьирования внутри этого диапазона, составляющего величину примерно 1 мксек. Вне диапазона t_откл уровень перенапряжении резко снижается.

На рис.5 представлены условные статистические функции распределения максимальных перенапряжений P(K_пер), возникающие в процессе повторных зажиганий дуги в выключателе при отключении им пускового тока электродвигателя мощностью 250 кВт при длине кабеля =100 м для различных скоростей восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка dU_ДЭ/dt = 5 и 30 кВ/мсек. Как уже указывалось, каждая функция распределения получена путем многократных расчетов (100... 1000) процесса отключения при изменении времени отключения t_откл c шагом 1 мксек.

Вдоль вертикальной оси отложена вероятность непревышения заданного по горизонтальной оси значения K_nep=U_max/U_ф.н.р.max (см. рис.5), причем фиксировались только кратности К_пер, превышающие величину К_пер =2,5 по отношению к амплитуде фазного наибольшего рабочего напряжения на электродвигателе U_ф.н.р.max .Из рис.5 видно, что в данной коммутации и при данных параметрах сети и выключателя перенапряжения высоких кратностей в процессе многократных повторных зажиганий дуги в выключателе возникают исключительно редко. Так из рис.5,а, видно, например, что кратность перенапряжений выше чем К_пер=3,5 имеет место лишь в 4 коммутациях из 1000.

Кроме того, большая скорость роста диэлектрической прочности межкон-тактного промежутка ( в данном случае приведены две скорости dU_ДЭ/dt = 5 кВ/мсек, рис.5,а и 30 кВ/мсек, рис.5,б) может создать условия для получения больших кратностей перенапряжений (так в приведенных зависимостях максимальная кратность возрастает с 3,9 о.е. до 5,7 о.е.). Однако, как уже указывалось ранее, дальнейший рост параметра dU_ДЭ/dt до значений 50 кВ/мсек и выше при данных параметрах сети исключает возможность даже единичного повторного зажигания, кратность максимальных перенапряжений будет невелика, вид переходного процесса в этом случае ''идеального" выключателя показан на

Рис.7-Условные статистические функции распределения P(K_пер) максимальных перенапряжений (K_пер=U_max/U_ф.н.р.max) на зажимах электродвигателя мощностью 630 кВт при отключении пускового тока и длине кабеля =300 м в зависимости от скорости изменения тока в момент гашения di/dt: а) скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка dU_ДЭ /dt = 5 кВ/мсек, б) dU_ДЭ /dt = 30 кВ/мсек.

рис. 3. Что касается влияния на перенапряжения различных скоростей подхода тока к нулю, при которых имеет место гашение дуги, то, как видно из рис.5, это влияние неоднозначно.

С увеличением длины кабеля l_k=300 м, при прочих равных условиях, кратность максимальных перенапряжений, как правило, возрастает. Так при скорости dU_ДЭ/dt = 5 кВ/ мсек максимальная кратность уже составляет 6,5 о.е.

(рис.6,а). Перенапряжения высокой кратности могут иметь место при различной способности гашения дуги в выключателе ( как для малых di/dt =5 А/мксек, так и для больших di/dt =50 А/мксек ). При большей скорости нарастания диэлектрической прочности dU_ДЭ/dt = 30 кВ/мсек роста перенапряжений как в предыдущем случае нет ( рис.6,б ).

Увеличение мощности электродвигателя ( Р_дв = 630 кВт) при прежней длине кабеля l_k=300 м показывает, что при таких параметрах сети малая скорость восстановления диэлектрической прочности dU_ДЭ/dt=5 кВ/мсек (рис.7,а) в сочетании с малыми значениями производных тока di/dt=5 А/мксек, при которых гасится ток дуги, дает низкие кратности перенапряжений, но более быстрый рост диэлектрической прочности dU_ДЭ/dt=30 кВ/мсек (рис.7,6) уже и при малых di/dt может дать большие кратности перенапряжений.

Как видно из всех приведенных зависимостей, бытующее во многих публикациях мнение, что способность вакуумных выключателей гасить высокочастотный ток - основная причина, объясняющая возможную эскалацию перенапряжений при отключении пусковых токов электродвигателей, не полностью подтверждается приведенными расчетами. Более правильный вывод можно сформулировать следующим образом. Одновременно малые значения

скорости восстановления диэлектрической прочности промежутка dU_ДЭ/dt и способность гашения тока только при малых значениях di/dt может снизить вероятность значительных перенапряжений, а не исключить их. Так, например, на рис.8,а,б показано, что в определенных условиях примерно одинаковые перенапряжения возникают как при одновременно малых значениях параметров dU_ДЭ/dt и di/dt, так и при большой скорости di/dt.

Первый расчет на рис.8,а относится скорее к элегазовым выключателям, второй на рис.8,6 - к вакуумным. Хотя, как было отмечено выше, вероятность получения высоких кратностей перенапряжений для вакуумных выключателей в данной коммутации очень мала. Следует отметить, что вероятность получения таких же кратностей для элегазовых выключателей должна быть еще ниже. Оценить эту вероятность для сравнения элегазовых и вакуумных выключателей в настоящее время не представляется возможным, т.к. экспериментальных данных по характеристикам di/dt и dU_ДЭ/dt (а также временных характеристик задержки в нарастании диэлектрической прочности) элегазовых выключателей в режимах отключения ими относительно малых индуктивных токов недостаточно и они не могут быть положены в основу сравнения.