1.2. Отключение коротких замыканий

Аномальные режимы в энергосистемах (в частности, разнообразные короткие замыкания) предъявляют к ДУ при коммутации повышенные требования по быстродействию и по надежности функционирования. При выполнении ВВ операции «отключение» КЗ между контактами ДУ возникает электрическая дуга. Возникновение ее между дугогасительными контактами, горение и гашение дуги происходят в ДУ при определенных условиях и зависят как от собственных параметров ДУ (дугогасящая среда, быстродействие, конструкция, контактные материалы, сопловые элементы ДУ, организация взаимодействия дугогасящей среды с электрической дугой отключения и т. д.), так и от внешних параметров, связанных с эксплуатацией ВВ (номинальные параметры сети и ее режимы, вид КЗ и т. д.).

В первом приближении эквивалентная схема для анализа переходных процессов при КЗ «источник питания Г – сеть с индуктивностью L_экв – ДУ – линия с волновым сопротивлением z» представлена на рис. 1.3, где кривая К₁₀₀ - КЗ на выводах ВВ (100 % I_{о. ном}), К – КЗ на расстоянии l_к от ВВ (неудаленного КЗ - НКЗ, р^* I_{о. ном}, где р^* = 0,9; 0,75; 0,6 — нормированная степень неудаленности.

Целевое применение ВВ в энергосистеме (или энергоустановке) позволяет учитывать ВВ в данной схеме замещения в виде эквивалентного нелинейного сопротивления межконтактного промежутка а- б. Параметры этого сопротивления определяются характеристиками сети, ДУ, привода ВВ, и гашение электрической дуги отключения 1 в межконтактном промежутке — переходный процесс, при котором изначально малое сопротивление в пределе стремится к бесконечности, и на контактах ДУ восстанавливается напряжение сети.

Рис. 1.3. Эквивалентная схема для анализа переходных процессов при КЗ

Рис. 1.4. Переходный процесс при отключении КЗ

В высоковольтных цепях переменного тока процесс гашения дуги отключения 1 в ДУ связан с переходом тока через нуль, когда в области нуля тока, благодаря активной деионизации межконтактного промежутка, удается увеличить его электрическую прочность и пробивное напряжение выше приложенного переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) к межконтактному промежутку ДУ. На рис. 1.4 показан типичный переходный процесс при отключении КЗ в индуктивной цепи переменного тока высокого напряжения U_и. В момент размыкания дугогасительных контактов РК в ДУ ВВ начинается процесс горения дуги отключения. По мере увеличения межконтактного промежутка (см. рис. 1.4, кривая х) напряжение на дуге U_Д растет, однако после первого перехода тока I через нуль имеется электрический пробой межконтактного промежутка, и процесс горения дуги восстанавливается.

При повторном подходе тока к нулю условия для дугогашения улучшились (сопротивление дуги значительно увеличилось в области нуля тока), и произошло гашение дуги с восстановлением напряжения на разомкнутых контактах ДУ в виде восстанавливающегося напряжения U_Е.

1.3. Переходное восстанавливающееся напряжение

При выполнении ВВ операции «отключение» на межконтактный промежуток ДУ, после нуля отключаемого тока, воздействует переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН).

На величину и характер изменения (по времени) ПВН оказывают существенное влияние разнообразные факторы, связанные с особенностями электросистемы, в которой установлен ВВ и характером аварии (КЗ трехфазное, междуфазное, на землю и без земли и т. п.), точкой в энергосистеме, где произошло КЗ (число линий, подключенных к шинам в момент отключения аварии, их длина). На ПВН влияют тип и характеристика оборудования, подключенного как со стороны источника, так и со стороны КЗ; параметры нагрузки; волновое сопротивление проводов линии; характер заземления нейтрали; эквивалентная емкость и индуктивность со стороны системы и со стороны аварии и т. п.; параметры ДУ (скорость расхождения контактов и их материал; дугогасящая среда; конструкция ДУ, напряжение на дуге и проводимость межконтактного промежутка после гашения дуги и т. п.).

Нормированные ПВН (согласно ГОСТ 52565-06) представляют собой обобщенные ПВН, представленные в виде огибающих (предельных характеристик отражающих жесткость энергосистемы к ВВ, без учета параметров и характеристик ВВ), определяемых двумя нормированными параметрами: напряжением u_с и времени его достижения t₃ (рис. 1.5, a, кривая 1) для ВВ на U_ном ≤ 35 кВ и четырьмя нормированными параметрами: и₁, u_с, t_1, t₂ (рис. 1.5, б) для ВВ с U_ном ≥ 110 кВ. Нормированные параметры ПВН приведены в Приложении 1 (табл. П.1.1 и табл. П.1.2). Из-за влияния емкости со стороны источника питания происходит запаздывание роста ПВН на нормированное время t_d (см. табл. П.1.1, П.1.2 и кривую 2 на рис. 1.5). Примеры реальных ПВН иллюстрируются кривыми 3 (см. рис. 1.5).

Если напряжение (ПВН) на контактах восстанавливается быстрее, чем электрическая прочность межконтактного промежутка, то произойдет повторное зажигание дуги между дугогасительными контактами ДУ. Скорость нарастания напряжения на контактах ДУ и максимальное его значение зависят от параметров сети ( см.приложение 2), вида КЗ, тока КЗ.

Рис. 1.5. Нормированное переходное восстанавливающееся напряжение для ВВ на U_ном ≤ 35 кВ (а) и U_ном ≥ 110 кВ (б)

ПВН представляет собой сумму составляющих: переходной, определяемой параметрами сети в месте установки ВВ, и установившейся — действующее значение напряжение промышленной частоты, которое называется возвращающимся напряжением.

В России электроэнергосистемы 35 кВ и ниже выполнены, в основном, без глухого заземления нейтрали, и ток однофазного короткого замыкания отсутствует. Для таких систем принято считать наиболее сложным КЗ для ДУ — трехфазное КЗ без земли. Тогда при отключении ВВ к первому отключаемому полюсу прикладывается возвращающееся напряжение

,

где U_н.р — наибольшее рабочее напряжение сети, коэффициент К_п,г = 1,5, стоящий перед фазным напряжением сети , называется коэффициентом первого гасящего полюса.

После отключения ВВ первого полюса трехфазное замыкание переходит в двухфазное, и гашение дуги в двух оставшихся разрывах ВВ происходит одновременно.

Электроэнергосистемы с номинальным напряжением 110 кВ и выше выполнены с глухим заземлением нейтрали. Для таких систем принято считать наиболее сложным КЗ для ДУ ВВ — отключение однофазного КЗ. При отключении однофазного короткого замыкания к отключаемому полюсу прикладывается фазное напряжение .

Однако отсутствие заземления нулевой точки у части трансформаторов, питающих короткое замыкание, смещает потенциал нейтрали, и напряжение на первом гасящем полюсе увеличивается. Оно нормируется с введением коэффициента К_{п, г} = 1,3 как

.

Отключение неудаленных коротких замыканий. Чем больше расстояние между точкой КЗ и ВВ, тем меньше скорость восстановления напряжения, но больше максимальное значение ПВН со стороны линии. В результате наиболее неблагоприятные условия при отключении НКЗ имеются при расстояниях по линии l_к от 0,5 до 6 км от ВВ (см. рис. 1.3).

Начальная скорость ПВН dU/dt (В/мкс) со стороны линии при НКЗ

, (1.3)

где z = 450 Ом — нормированное волновое сопротивление линии (соответствующее линиям с одиночными проводами (L = 1,50 мкГн/м; ωL = 0,47 Ом/км), dI/dt — скорость подхода тока отключения к нулю, А/мкс, f – частота сети.

Поэтому для ПВН со стороны линии при НКЗ характерна высокая начальная скорость нарастания напряжения на контактах ДУ, которая определяется номинальным током отключения и волновым сопротивлением линии z. ПВН со стороны линии может в несколько раз превысить скорость нарастания ПВН со стороны источника питания. В этом случае значительно возрастает вероятность повторного зажигания электрической дуги отключения вследствие теплового пробоя (в первые микросекунды после нуля тока).

На практике z может быть снижено за счет увеличения расстояния между составляющими в фазе и уменьшения расстояния между распорками в пролетах, фиксирующими конфигурацию проводов, что существенно облегчит условия работы ВВ в электрических сетях при отключении НКЗ.

Амплитуда u_m и время первого пика ПВН со стороны линии определяются по формулам:

(1.4)

где К_п = 1,6 — нормированный коэффициент первого пика волны ПВН, S_L = 0,2 кВ/(мкс×кА) — коэффициент скорости нарастания ПВН, u_L — амплитуда напряжение на ВВ со стороны линии в момент перехода тока через нуль, I_L = p^*I_{о. ном} — ток отключения при НКЗ, u_m (кВ), I_{о. ном} (кА), t_L (мкс).

Влияние приведенной емкости линии приводит к временной задержке возрастания ПВН со стороны линии, что нормируется введением времени задержки, равной t_d^* = 0,2 мкс (для выключателей с U_ном ≤ 150 кВ) и 0,5 мкс (для выключателей U_ном 220 кВ).

На рис. 1.6 приведены нормированные кривые ПВН со стороны сети (кривая u(t)) и со стороны линии (кривая u_L(t)) для ВВ U_ном = 220 кВ, I_{о. ном} = 40 кА (степень неудаленности р* = 0,9), которые и определяют результирующее ПВН между дугогасительными контактами ДУ. Расчет данных нормированных кривых приведен в Приложении 1.

Рис. 1.6. Нормированные кривые ПВН при НКЗ

Номинальный уровень изоляции. Рассмотренные выше вопросы коммутационных перенапряжений определяют лишь одну из проблем в эксплуатации ДУ связанную с координацией изоляции ВВ. Анализ воздействий как внешних, так и внутренних перенапряжений, определяет номинальный уровень изоляции ДУ, который характеризуется значениями испытательных напряжений на изоляцию ВВ (ГОСТ 1516.1-76, ГОСТ 1516.2-97) (более подробно см. Приложение 3).