4.2 Силовое оборудование испытательных установок.

Исследования и испытания аппаратов высокого напряжения, связанные с необходимостью создавать токи к.з. (в том числе и коммутационные испытания) производятся в специально оборудованных лабораториях разрывных мощностей. С повышением номинальных напряжений выключателей и ростом отключаемых токов к.з. испытания становятся все более затруднительными из-за недостаточной мощности испытательных установок. Например, для проведения испытаний выключателя с U_н = 750 кВ и I_о.ном = 63 кА необходим источник мощностью . Такие мощности могут быть созданы лишь в очень мощных энергосистемах. Строительство испытательных установок на такие большие мощности экономически нецелесообразно, это связано: во-первых, с большими капитальными затратами, исчисляемыми миллионами и даже десятками миллионов долларов, во-вторых, выключатели с большой коммутируемой мощностью производятся в очень малых количествах. Указанная проблема решается, главным образом, заменой прямых испытаний, косвенными, т.е. в условиях, отличающихся от реальных (замена трехфазных испытаний однофазными, испытания при пониженных мощностях и др.).

Среди косвенных методов испытаний весьма эффективным, получившим в настоящее время достаточно широкое распространение, является испытания с применением т. н. синтетических схем. Их действие основывается на свойствах электрической дуги в цепях высокого напряжения. При горении дуги падение напряжения между контактами высоковольтного выключателя обычно не превышает нескольких процентов номинального напряжения выключателя, в то время как после ее гашения на контактах выключателя восстанавливается высокое напряжение, а остаточный ток в межконтактном промежутке очень мал. Это позволяет процесс отключения цепи высокого напряжения, включающий в себя процесс горения дуги и восстановления напряжения, воссоздавать с помощью двух источников:

• источника тока, обеспечивающего ток к.з. заданной величины, но с относительно небольшим напряжением, достаточным лишь для поддержания горения дуги при размыкании контактов испытуемого выключателя;

• источника напряжения, обеспечивающего подачу на испытуемый выключатель высокого восстанавливающегося напряжения при переходе тока через нулевое значение и протекание в нем небольшого остаточного тока

Структура синтетической схемы представлена на рис. Вспомогательный выключатель Q₁ обеспечивает включение источника тока ИТ. При подходе тока дуги в испытуемом выключателе Q_вп к нулевому значению включается вспомогательного выключателя Q₂, тем самым от источника напряжения ИН на испытуемый выключатель осуществляется подача высокого восстанавливающегося напряжения. Одновременно с этим, отключается вспомогательный выключателя Q₂, тем самым осуществляется отделение Q_и от источника тока. Естественно, что действие всех выключателей должно быть строго синхронизировано, что является достаточно серьезной проблемой. Если время горения дуги в Q_и по условиям испытаний больше одного полупериода, в схеме должно быть предусмотрено возобновление тока к.з. в следующий полупериод. Такой принцип построения испытаний позволяет реализовать испытательные контуры на предельные напряжения и мощности, поскольку создание отдельных источников тока и напряжения не представляет значительных трудностей.

В настоящее время в лабораториях разрывных мощностей в качестве источников тока для синтетических схем используются генераторы импульсных токов, представляющие собой, как правило, накопители энергии. К наиболее распространенным накопителям относятся емкостные, индуктивные, механические, химические, а также различные их сочетания.

В емкостном накопителе энергия накапливается в виде энергии электростатического поля в конденсаторных батареях. Процесс накопления происходит при зарядке конденсаторов от маломощного выпрямителя, а разряд вызывается подключением нагрузки через коммутирующие устройства - чаще всего разрядники.

Широкое распространение при проведении коммутационных испытаний выключателей получили механические накопители - ударные генераторы (УГ), представляющие собой модифицированные трехфазные турбогенераторы, мощностью до 300 МВА, рассчитанные на отдачу большой мощности в течение короткого промежутка времени. В кратковременных режимах от УГ получают мощность на порядок превышающую номинальную. В качестве первичного двигателя для УГ применяется асинхронный двигатель, который разгоняет его на холостом ходу, и на момент проведения испытания, отключается от сети. Основным требованием, определяющим конструкцию УГ, является обеспечение минимального реактивного сопротивления рассеяния с целью получения максимальных величин токов короткого замыкания. Это достигается тем, что УГ имеют меньшее число витков обмотки статора, меньшую глубину и большую ширину паза статора, уменьшенный воздушный зазор и приближенные к зазору обмотки статора и ротора, экранированные лобовые части и полную демпферную обмотку на роторе. Активная часть статора крепится к корпусу с помощью эластичного элемента для снижения больших нагрузок на фундамент и корпус при проведении испытаний. Для повышения мощности лаборатории зачастую применяется параллельное включение нескольких УГ. Обычно УГ имеют напряжение 10-20 кВ, а для испытания выключателей различного класса напряжения служат повышающие ударные трансформаторы с регулированием напряжения. Накапливаемая энергия в УГ приближается к 10⁹ кДж, максимальные токи достигают нескольких сотен килоампер при длительности 0,1–1 с.

В последнее время при коммутационных испытаниях высоковольтных выключателей в качестве генератора импульсного тока все шире используются индуктивные накопители энергии. В них накопление энергии происходит при зарядке катушки индуктивности от источника постоянного тока.

Наряду с лабораториями, оснащенными генераторами импульсных токов, существуют лаборатории разрывных мощностей, где источником тока является силовая сеть.

Источником восстанавливающегося напряжения в синтетических схемах служит либо повышающий трансформатор, запитанный от токовой цепи, либо колебательный контур, настроенный на частоту ПВН. В качестве вспомогательных выключателей в синтетических схемах зачастую применяются полюса испытуемых выключателей. Для подключения ИН, как правило, применяются искровые разрядники, либо он постоянно подключен через резистор с соответствующим полным сопротивлением.

Наряду с лабораторными испытаниями, в ряде случаев возникает необходимость проведения испытаний в реальных электрических системах. Такие испытания имеют определенные преимущества, поскольку не требуют дорогостоящих испытательных установок, и условия коммутации, максимально приближены к реальным. Недостатками таких испытаний являются: во-первых, для создания необходимой коммутируемой мощности необходимо отключать ряд потребителей, а зачастую и все потребители, что не всегда приемлемо; во-вторых, в момент проведения опыта к.з. возникают сильные толчки нагрузки, которые могут нарушить нормальную работу электрической системы. Поэтому в реальной электрической системе возможны лишь эпизодические (например, контрольные) испытания аппаратов, при разработке же новых конструкций дугогасительных устройств такие испытания невозможны, поскольку число опытов к.з. велико.