Перенапруги в мережах 6 (10) кВ
У Росії у експлуатаційного персоналу підприємств електричних мереж склалося досить стійка думка, що перенапруги створюють вакуумні вимикачі, а елегазові цього недоліку позбавлені. Але чи так це? Спробуємо розібратися в причинах перенапруг.
Причини виникнення перенапруг в мережах
Почнемо з простого твердження, очевидного для будь-якої людини, знайомого з курсом ТОЕ: будь-яка комутація (включення або відключення) будь-якого елементу мережі (трансформатора, електродвигуна, конденсаторної батареї, повітряного або кабельної лінії і т.д.) викликає перехідний процес. Це пов'язано з тим, що мережа є сукупністю индуктивностей і ємностей основного електротехнічного обладнання, тому підключення або відключення деякого елемента веде до встановлення нового режиму. Перехід мережі від режиму до комутації до режиму після комутації супроводжується змінами струмів в елементах і напруг на них. Як правило, цей перехід має вигляд затухаючих коливань, в процесі яких напруга на ємностях обладнання щодо землі або між фазами може досягати величин значно більших, ніж номінальна. Це і називається перенапруженнями.
Подібний процес об'єктивний і не залежить від типу використовуваного вимикача. Наприклад, можна показати, що при включенні (пуску) високовольтного електродвигуна можливе виникнення перенапруг з кратністю до 3,3 відносних одиниць (в.о.) по відношенню до амплітуди найбільшої робочої напруги [1], що становить небезпеку для його ізоляції. Перенапруги в цьому випадку не залежать від типу дугогасящей середовища і визначаються тільки моментом включення і розкидом замикання контактів різних фаз. Виключити ці перенапруги регулюванням ходу контактів вимикача не представляється можливим. При відключенні вимикачем будь-якого типу (маломасляний, вакуумним, елегазовим, електромагнітним) практично кожного подвійного або двофазного замикання на землю в мережі 6-10 кВ з ізольованою або заземленою через дугогасящий реактор нейтраллю на всі приєднання, включені на дану секцію, впливають перенапруги з кратністю до 3,4 в.о. Причиною їх є неодновременное відключення струму в пошкоджених фазах, коли на першій відключити фазі напруга відновлюється від нуля до амплітуди лінійного. При цьому в процесі коливань напруга досягає величини подвійного лінійного. Саме ці перенапруги можуть викликати багатомісні пошкодження ізоляції (і такі випадки відомі в експлуатації), коли з ладу виходять відразу кілька високовольтних електродвигунів або кабелів. І справа тут не в типі дугогасящей середовища, використовуваної в вимикачі, а в об'єктивно існуючих явищах.
Тепер розглянемо проблему перенапруг при використанні вакуумних і елегазових вимикачів з урахуванням особливостей дугогасящей середовища і конструкцій цих апаратів, а також навантажень, ними комутованих. При включених навантаження (трансформатора, електродвигуна, конденсаторної батареї) правильно спроектованим вимикачем (що не дає відскоків контактів) його дугогасним середа з точки зору виникнення перенапруг не має ніякого значення. Перенапруги в цьому випадку обумовлені особливостями мережі і комутованого приєднання як багатоконтурних індуктивно-ємнісних схем, моментом включення за часом і розкидом в замиканні контактів різних фаз ви-вимикачів (див. Вище).
Основними причинами перенапруг на ізоляції окремого приєднання (і тільки його, а не всієї мережі) при відключенні навантаження, пов'язаними з особливостями дугогасящей середовища і конструкцією вимикача, є зріз струму і ескалація напруги. Розглянемо ці явища по порядку.
Елегазовий вимикач HD-4, АBB
Будь-вимикач відключає струм при проходженні його через нуль (із зсувом за часом в різних фазах), коли підведення енергії до дуги з боку мережі зменшується. В околонулевой області струму можливий швидкий розпад каналу дуги і примусовий спад струму від деякого значення (як правило, одиниці - десятки ампер) до нуля за дуже малий час (значно раніше природного нуля струму). Це явище називається зрізом струму. Виникає воно при відключенні малих індуктивних струмів (наприклад, струмів холостого ходу трансформаторів і електродвигунів), несталих струмів включення трансформаторів, пускових струмів електродвигунів, струмів шунтуючих реакторів.
Зріз струму характерний для вимикачів будь-якого застосовується в даний час типу (маломасляних, електромагнітних, повітряних, вакуумних, елегазових). Причиною зрізу струму в вимикачах з гасінням дуги в газовому середовищі є інтенсивне дуття і розвиток високочастотних коливань на спадающем ділянці синусоїди, що відключається струму [2]. Дуття викликає значне охолодження плазми в дуговому проміжку і швидке зменшення її провідності. Високочастотні коливання, що розвиваються в контурі: ємність на шинах - нелінійне опір дуги - індуктивність і ємність приєднання, накладаються на ток 50 Гц і призводять до того, що сумарний струм в дуговому проміжку переходить через нуль і відбувається гасіння зі зрізом. У вакуумних вимикачах причиною зрізу струму є нестійкість дуги при малих токах, так як вона горить в парах металу контактів.
При зрізі струму в індуктивності навантаження «замикається» енергія, яка потім звільняється на ємність приєднання і може викликати перенапруження. Як відомо, кратність перенапруг при цьому визначається індуктивністю навантаження, ємністю приєднання (в основному довжиною кабельної або повітряної лінії) і величиною струму зрізу. Останній параметр різниться для вимикачів з різними дугогасними середовищами. На рис.1 приведена діаграма відносних струмів зрізу для вимикачів різного типу, запозичена з [3].
Рис.1 Відносні струми зрізу вимикачів з різними дугогасними середовищами
Як видно з рис.1, вакуумні вимикачі з хром-мідними контактами мають найменший струм зрізу. Він становить 5-6 А за даними різних досліджень, інформація про яких наведена в [4]. Більшість виробників вакуумних вимикачів використовують для виготовлення контактів саме хром-мідні композиції. Елегазові вимикачі з гасінням дуги обертанням (rotary-arc type) або автодутьyoм (self-pressurising type) мають струм зрізу практично такий же, як і вакуумні вимикачі. Це пов'язано з тим, що інтенсивність дугогашенія у них залежить від величини струму, що протікає. У компресійних (puffer type) і комбінованих елегазових вимикачів з додатковим поршнем струми зрізу вище, ніж у вакуумних вимикачів. В принципі ток зрізу елегазових вимикачів залежить від величини, що відключається струму, конструкції вимикача і ємності приєднання і може значно перевищувати такої для вакуумних [2]. Таким чином, з точки зору величини струму зрізу і створюваних при цьому перенапруг елегазові вимикачі не мають ніяких переваг перед вакуумними.
Крім величини струму, на перенапруження при зрізі, як вже зазначалося вище, впливають індуктивність навантаження (або потужність) і ємність приєднання (довжина повітряної або кабельної лінії). При значній довжині приєднання перенапруг через зрізу струму у вимикачі взагалі не виникає. Наявність навіть невеликої активної навантаження на вторинній стороні, що відключається силового трансформатора також виключає виникнення перенапруг через среза.Іспользованіе таких сучасних захисних апаратів, як ОПН, взагалі знімає питання перенапруг незалежно від типу використовуваного вимикача. Слід зазначити, що в даний час в мережах експлуатуються тисячі маломасляних вимикачів з струмами зрізу набагато більше, ніж у вакуумних вимикачів. Тобто потенційно маломасляний вимикати отримувача також здатні створювати перенапруження і причому більш високі, ніж вакуумні.
Розглянемо тепер другу причину перенапруг при відключеннях навантаження: ескалацію напруги. Це явище характерне тільки для вакуумних вимикачів. Однак воно виникає вкрай рідко, тільки при відключенні пускового струму не встигли розвернутися або загальмованих електродвигунів (причому з 100 відключень пускових струмів тільки 5-10 можуть супроводжуватися ескалацією напруги). Фізична сутність цього явища описана в [4]. Перенапруги в цьому (і тільки в цьому) випадку можуть досягати 6-7-кратних. Осцилограма (запозичена з [5]), що ілюструє подібний процес, наведена на рис.2.
Рис.2. Експериментальна осциллограмма відключення пускового струму електродвигуна 6,3 кВ, 736 кВт, підключеного кабелем перетином 3х95, довжиною 70 м, вакуумним вимикачем з виникненням ескалації напруги з кратністю 4,0 в.о. в першій відключається фазі вимикача [5].
Масштаб: 100 мксек,
5 кВ.
Експериментальних даних по відключенню пускових струмів електродвигунів елегазовими вимикачами практично немає. Створюється враження, що фірмам - виробникам елегазового обладнання невідомо про перенапруженнях в цьому випадку, або публікація таких даних їм невигідна.
Виходячи з наявної інформації [4], можна припускати, що елегазові вимикачі не схильні до ескалації напруги. Однак їх підвищені в порівнянні з вакуумними вимикачами струми зрізу і можливість одноразових повторних запалень, ймовірно, можуть бути причиною перенапруг при відключеннях неодружених трансформаторів і пускових струмів електродвигунів (при малих довжинах кабелю).
Ще раз відзначимо, що розглянутий випадок відключення пускового струму - досить рідкісна подія, а в деяких випадках практично неможливе. Тому зіставлення елегазових і вакуумних вимикачів з точки зору комутаційних перенапруг слід проводити виходячи з величини струму зрізу.
Таким чином, на підставі розгляду характерних причин виникнення перенапруг, пов'язаних з характером дугогасящей середовища вимикача, можна стверджувати, що елегазові вимикачі в цьому відношенні не мають переваг в порівнянні з вакуумними.
Звідки ж все-таки виникло таке упередження, що тільки вакуумні вимикачі створюють перенала-напруги? Мабуть, витоки його слід шукати на зорі впровадження вакуумної комутаційної техніки. У перших вакуумних вимикачах, встановлених в експлуатацію ще в СРСР на початку 80-х років, для виготовлення контактів використовувався вольфрам. Розробники вакуумних камер вважали, що застосування цього тугоплавкого металу дозволить знизити знос контактів. Однак вимикачі з вольфрамовими контактами були здатні створювати значні зрізи струму, близько 20-30 А. Саме ця обставина, а також відсутність засобів захисту від перенапруг в мережах 6-10 кВ в той час привело до значного збитку в результаті пробоїв ізоляції. Енергетика - галузь консервативна, і одного разу сформовану думку, а особливо негативне, дуже складно змінити.