4.3. Синтетические схемы коммутационных испытаний.

Основной задачей, стоящей при построении электрических схем для проведения коммутационных испытаний, является обеспечение их эквивалентности. Это означает создание условий, в максимальной степени приближенных к реальным условиям работы аппарата в сети. Общепризнанно, что наиболее близкие к реальным условиям создаются при питании токовой цепи от УГ. Однако, учитывая высокую их стоимость и капитальные затраты, достаточно часто, особенно при относительно небольших коммутируемых мощностях в токовой цепи синтетических схем используется т.н. колебательный контур.

Впервые идея использования колебательного контура для испытания выключателей была предложена в 1937 г. профессором А.А. Горевым, которая в 1950 г. была практически осуществлена во ВЭИ по проекту, разработанному в ЛПИ. В настоящее время идея использования колебательного контура для испытания выключателя получила широкое распространение. Во многих странах созданы и эксплуатируются испытательные установки с колебательными контурами в синтетических схемах. Существует большое разнообразие испытательных схем с колебательным контуром, однако все их можно объединить в две группы: одночастотные, где токовая цепь и цепь восстанавливающегося напряжения объединены, и двухчастотные – с разделенными цепями.

Одночастотная схема колебательного контура используется, главным образом, для испытания выключателей с относительно небольшим номинальным напряжением. Она имеет следующий вид:

В рассматриваемом колебательном контуре конденсаторная батарея С предварительно заряжается до номинального напряжения выключателя U₀ от маломощной выпрямительной установки в течение относительно длительного промежутка времени, после чего она с помощью разъединителя S отсоединяется от зарядной схемы. При испытаниях схема работает следующим образом. С помощью вспомогательного выключателя Q_в батарея С включается через реактор L на испытуемый выключатель Q_и. При этом в цепи начинает проходить медленно затухающий синусоидальный ток: , где R - активное сопротивление элементов колебательного контура. Учитывая, что величина R невелика, то частота тока в колебательном контуре определяется из следующего выражения: . Параметры колебательного контура выбираются таким образом, чтобы частота f была равна промышленной частоте. Максимальное значение тока в цепи будет равно: .

В момент времени 1 начинают размыкаться контакты испытуемого выключателя Q_и. При переходе тока через нулевое значение (момент времени 2) на его контактах начинает восстанавливаться напряжение: , где С₀ – емкость конденсаторной батареи обеспечивающей требуемые (нормированные) параметры ПВН. Частота восстанавливающегося напряжения: . В момент перехода тока через нуль срабатывает разрядник FV и параллельно батарее С подключается реактор L₁ = L, в результате чего кривая восстанавливающегося напряжения будет иметь две составляющие: составляющую промышленной частоты (возвращающееся напряжение) и составляющую высокой частоты собственных колебаний восстанавливающегося напряжения, приближаясь к форме кривой ПВН при одночастотном восстановлении напряжения.

Таким образом, условия испытаний выключателя в колебательном контуре во всех фазах практически совпадают с условиями работы выключателя в сети в процессе отключения. Аналогичный результат достигается, если дополнительной батареей емкости шунтировать не выключатель, а реактор. Причем, такой способ обеспечения нормированных параметров ПВН имеет ряд преимуществ и его применение является предпочтительным.

Как указывалось выше, при больших отключаемых мощностях испытания проводятся с применением двух источников относительно малой мощности. Колебательный контур, построенный на таком принципе, называют двухчастотным. В качестве примера рассмотрим наиболее широко применяемые синтетические схемы с последовательным и параллельным наложением тока.

Синтетическая схема с последовательным наложением тока представлена на рис. В схеме не показаны зарядные контуры конденсаторных батарей С₁ и С₂, а также элементы, обеспечивающие требуемые параметры ПВН. Источником тока в данной схеме служит колебательный контур промышленной частоты С₁-L₁ пониженного напряжения. Источником высокого восстанавливающегося напряжения служит контур С₂-L₂, обеспечивающий нормированные параметры ПВН.

Конденсаторные батареи С₁ и С₂ предварительно заряжаются от соответствующих зарядных контуров. Сумма зарядных напряжений конденсаторных батарей должна соответствовать требуемому значению возвращающегося напряжения. В исходном положении контакты испытуемого выключателя Q_и и отключающего устройства Q_о замкнуты, выключателя Q_в – разомкнуты.

При проведении испытаний схема работает следующим образом. Вначале замыкаются контакты Q_в и в контуре тока С₁-L₁ начинает протекать медленно затухающий синусоидальный ток i₁ (аналогично предыдущей схеме). Параметры контура С₁-L₁ выбираются по величине отключаемого тока, а также исходя из того, чтобы его собственная частота соответствовала промышленной: , В момент времени 1 размыкаются контакты испытуемого выключателя Q_и и отключающего устройства ш_о, при этом через дуговой промежуток Q_и продолжает протекать ток i₁. В момент времени 2 срабатывает разрядник FV и в контуре С₂-L₂-Q_о начинает проходить ток повышенной частоты i₂. При этом через Q_о проходит ток . В момент времени 3 ток i₁₂, протекающий в Q_о проходит через нулевое значение. Если в этот момент дуга в Q_о гаснет, то контур тока и контур напряжения образуют один последовательный контур, в котором емкость , индуктивность, а напряжение . В образовавшемся контуре проходит ток , скорость изменения, которого при подходе к нулю имеет то же значение, что и для токов i₁ и i₂, поэтому индуктивности контуров выбирают исходя из следующего условия: . Если при переходе тока через нуль дуга (момент 4) в Q_и гаснет, то на его контактах будет восстанавливаться напряжение с частотой , стремящееся к своему установившемуся значению U₀.

Синтетическая схема с параллельным наложением тока. Для испытания выключателей на значительные мощности отключения экономически целесообразным оказывается осуществление синтетической схемы при совместной работе УГ промышленной частоты и колебательного контура повышенной частоты. Такой вариант синтетической схемы представлен на рис. Источником тока в данной схеме является УГ G_у с напряжением U₁ промышленной частоты. Источником высокого восстанавливающегося напряжения является колебательный контур С₂-L₂, подключаемый параллельно испытуемому выключателю Q_и. Параметры контуров выбираются из условия равенства производных токов в обоих контурах при их подходе к нулю: .

В исходном положении контакты Q_o и Q_и замкнуты, а Q_в - разомкнуты. После разгона УГ и подачи на него возбуждения замыкаются контакты Q_в и через Q_и и Q_о начинает проходить ток промышленной частоты i₁.

В момент 1 размыкаются контакты Q_o и Q_и, в них возникают дуги и продолжает протекать ток i₁. В момент 2 срабатывает управляемый разрядник FV и контур восстанавливающегося напряжения подключается к Q_и. С этого момента ток в испытуемом выключателе равен сумме . В момент времени 3 ток i₁ в Q_о проходит через нуль, дуга в нем погаснет и Q_и оказывается подключенным только к контуру восстанавливающегося напряжения. В момент 4 ток в испытуемом выключателе, равный току i₂, проходит через нулевое значение, дуга в нем гаснет и на его контактах восстанавливается напряжение u₂, определяемое параметрами r_о, С₀ и L₂.

В процессе коммутационных испытаний зачастую возникает необходимость создать специальные условия или режимы работы выключателей. В таких случаях основные варианты рассмотренных выше синтетических схем с последовательным и параллельным наложением тока дополняются соответствующими устройствами.

Одним из наиболее тяжелых режимов коммутации цепи является отключение неудаленного к.з. Такой режим может быть воссоздан в схеме, представленной на рис. В данном случае обычная синтетическая схема с последовательным наложением тока дополняется дугогасящим аппаратом Q_д, параллельно которому подключается короткозамкнутая линия заданной длины l.

В моменты времени 0 и 1 действие данной схемы аналогично обычной синтетической схеме. В момент 2 размыкаются контакты Q_д, между ними возникает электрическая дуга с почти постоянным напряжением, которая заряжает линию током i_л. В моменты времени 3 и 4 действие схемы также аналогично. При этом ток в Q_д равен разности i_Qд = i_Qи - i_л[I_o]. В момент времени 5 при переходе i_Qд через нуль дуга в Q_д гаснет и линия оказывается включенной в испытательную цепь, в которой создаются условия, соответствующие режиму неудаленного к.з.

Испытание выключателей в лабораторных условиях при использовании реальных линий передач не всегда оказывается возможным, особенно если нужно включить параллельно несколько линий. В связи с этим, широкое распространение при испытании выключателей в режиме неудаленного к.з. начинает приобретать использование искусственных линий (цепных схем), позволяющих относительно просто воспроизводить линии любой протяженности. Замена реальной линии цепной схемой дает возможность изменить способ ее включения и тем самым упростить синтетическую схему. В этом случае нет необходимости включать цепную схему у точки заземления (как в рассмотренной выше схеме), она может быть размещена непосредственно у испытуемого выключателя, как показано на рис. Искусственная линия передачи может быть выполнена из П-звеньев, Т-звеньев, Г-звеньев.

Опыт использования цепных схем показал, что они обеспечивают воспроизведение треугольных колебаний восстанавливающегося напряжения при числе звеньев от 5 до 10. Параметры цепной схемы выбираются исходя из заданных значений длины линии (удаленности к.з.) l, ее волнового сопротивления Z_л и погонной индуктивности линии L₀. При выбранном числе звеньев n индуктивность и емкость звена определяются по следующим выражениям . Вместе с тем, несмотря на относительную простоту, замена линии с распределенными параметрами цепной схемой может несколько нарушить условия эквивалентности испытаний. Поэтому испытания с использованием цепных схем целесообразно дополнять, когда это оказывается возможным, сетевыми испытаниями, либо испытаниями в синтетической схеме с использованием реальной линии передачи.

В ряде случаев по условиям испытаний оказывается необходимым продлить время горения дуги. Одна из схем, позволяющих это сделать, представлена на рис.

Продление времени горения дуги осуществляется воздействием на межконтактный промежуток при переходе тока дуги через нуль. Такое воздействие в виде поджигающего импульса оказывает конденсаторная батарея С_под, которая отделена от испытательного контура разрядниками FV1, FV2, FV3 и предохранителем FU. В процессе горения дуги напряжение U_д на Q_о и Q_и направлены встречно U_под и на разрядник FV1 воздействует напряжение U_под – U_д, которое не приводит к его срабатыванию. В процессе восстановления напряжения на него воздействует напряжение, равное сумме U_в + U_п (поскольку U_в противоположно U_д), под действием которого срабатывает разрядник FV1, вслед за которым срабатывают разрядники FV2 и FV3. В результате батарея С_под подключается параллельно Q_о и Q_и, возбуждая в них электрические дуги. Для исключения влияния С_под на параметры ПВН применяется предохранитель FU, срабатывающий при прохождении поджигающего импульса; образующаяся при этом дуга быстро гаснет.

Основным недостатком данной схемы является то обстоятельство, что поджигающий импульс воздействует на дуговые промежутки аппаратов Q_о и Q_и в процессе восстановления напряжения, когда промежутки уже достаточно деионизированы и для поджигания необходимо выделение значительной энергии, что вынуждает применять конденсаторные батареи значительно емкости.

Синтетическая схема с индуктивным накопителем энергии. Сооружение энергоблоков мощностью 1000 МВА и выше на электростанциях, а также необходимость повышения надежности электроснабжения обусловили установку в цепи между генератором и трансформатором так называемых генераторных выключателей с номинальными токами отключения 160 кА с очень большой (до 100% и выше) апериодической составляющей при напряжении 24-35 кВ. Указанные параметры превышают возможности существующих испытательных установок. Повышение их испытательных возможностей путем увеличения мощности УГ или их числа требуют значительных капиталовложений. Весьма эффективной альтернативой является использование в синтетических схемах в качестве источников тока так называемых индуктивных накопителей энергии (ИНЭ). Их использование значительно расширяет возможности испытательных установок. Основными достоинствами ИНЭ является простота конструкции и высокая удельная запасаемая энергия, поэтому работы по созданию испытательных установок с ИНЭ является перспективным направлением в технике коммутационных испытаний.

Эксплуатация опытной установки при токах кА подтвердила возможность создания испытательных установок, которые смогут обеспечить проведение коммутационных испытаний генераторных выключателей. В НИЦ ВВА (г. Москва) разработана испытательная установка, позволяющая обеспечить амплитуду тока к.з. до 200-250 кА с любым требуемым содержанием апериодической составляющей. Одна из схем с ИНЭ имеет следующий вид:

Схема питается от ударного генератора G_у через ударный трансформатор Т_у и выпрямитель UZ. В исходном состоянии контакты защитного аппарата Q_з, размыкателя Q_р, отключающего устройства Q_о и испытуемого выключателя Q_и замкнуты; контакты включающего аппарата Q_в и замыкателей Q_з1 и Q_з2 - разомкнуты. После разгона УГ и подачи на него возбуждения включается Q_в и начинается заряд ИНЭ L_н.

После достижения током заряда установившегося или требуемого значения отключается Q_з (момент 1), тем самым отделяется цепь питания от цепи нагрузки, однако ток в цепи испытуемого выключателя Q_и еще продолжает протекать благодаря запасенной энергии.

В момент 2 замыкается Q_з1 и размыкается Q_р, в котором возникает дуга, и L_н начинает разряжаться в контур тока через формирующую индуктивность L_ф. В момент 3 размыкаются контакты Q_и и Q_о, благодаря чему происходит уменьшение скорости переднего фронта кривой тока в Q_и. В момент 4 дуга в Q_р гаснет, а ток в Q_и соответственно достигает значения тока в L_н. При этом происходит полное отделение цепи заряда от контура тока. С этого момента L_н разряжается только в контур тока и изменение тока в нем незначительно. Горение дуги в Q_и и Q_о обеспечивается за счет энергии, накопленной в L_н.

В момент времени 5 включается замыкатель Q_з2, который отделяет L_н от контура тока с Q_и, тем самым начинается формирование спадающей части полуволны тока. Скорость спада должна соответствовать скорости спада синусоидального тока промышленной частоты при переходе его через нуль. В момент времени 6 срабатывает FV и испытуемый выключатель подключается к источнику восстанавливающегося напряжения. Дальнейшая работа схемы аналогична работе обычной синтетической схемы с параллельным наложением тока. Как видно из временных диаграмм, форма тока в Q_и напоминает полуволну синусоиды.