На рис.8 представлена в разрезе вспомогательная камера воздушного

выключателя фирмы «Делль» с дисковыми керамическими сопротивлениями.

Сопротивление находится постоянно в сжатом воздухе. К выходному концу

сопротивления непосредственно прикреплён неподвижный вспомогательный

контакт. Соединение дисков между собой может осуществляться без специальной

арматуры, методом спекания, либо при помощи специальной соединительной

арматуры, припаянной к торцевой поверхности.

III. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ШУНТИРУЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

В зависимости от назначения щунтирующих сопротивлений в воздушных

выключателях имеется довольно много разновидностей схем их включения. Эти

схемы отличаются друг от друга как принципиально, по режиму протекания

основного и сопровождающего тока, так и функционально, по временной

координации разрывов в операции отключения и включения. Существенно также

различие самих сопротивлений, которые в основном определяются режимом

работы и параметрами выключателей.

На рис.16 приведены три основные схемы, классифицированные по способу

подсоединения шунтирующих сопротивлений; в свою очередь каждая из этих схем

имеет несколько исполнений – в зависимости от временной координации.

В схеме а номинальный ток протекает по главным контактам ГК, а по

вспомогательным ВК1 - только ток, ограниченный сопротивлением r1. Может

быть применено двухступенчатое шунтирование сопротивлениями r1 и r2 с

контактами ВК2 и отделителем Отд. Обязательным условием временной

координации при отключении является запаздывание в размыкании

вспомогательных контактов по отношению к главным на время, не меньше

максимальной длительности гашения основной дуги.

С учётом времени гашения вспомогательной дуги наибольшее время

обтекания сопротивлений током составляет 0,04 – 0,07 сек, что

предопределяет довольно тяжёлый термический режим сопротивлений, особенно

при работе в циклах. Схема позволяет во включенном положении выключателя

держать вспомогательные контакты разомкнутыми, включая их только после

подачи команды на отключение (до размыкания главных контактов). По данной

схеме возможно также двухстороннее использование сопротивлений (при

отключении и включении). При этом временная координация должна

предусматривать отключение вспомогательных контактов позже главных, а

включение – раньше. При наличии отделителя в этом случае он отключается

последним, а включается первым.

Особенностью схемы при отсутствии отделителя является необходимость

разомкнутого положения как главных, так и вспомогательных контактов в

отключенном положении выключателя и соответствующее их выполнение с точки

зрения изоляционной прочности.

В некоторых случаях, особенно для выключателей высоких классов

напряжения, сопротивления подключают только при включении. При этом после

завершения операции включения вспомогательные контакты размыкаются и

остаются в отключенном положении.

Схема а распространена в воздушных выключателях на все напряжения.

Сопротивление r1 колеблется от нескольких десятых Ома для генераторных

выключателей на большие токи до нескольких сотен Ом для выключателей на

высокие классы напряжения.

Назначение сопротивлений по этой схеме – снижение скорости

восстановления напряжения при отключении и ограничение коммутационных

перенапряжений при включении. В большинстве случаев применяются линейные

сопротивления, однако в некоторых специальных случаях сопротивления

выполняются нелинейными (для ограничения коммутационных перенапряжений при

отключении ненагруженных трансформаторов и малых индуктивных токов). При

этом при наличии отделителя вспомогательные контакты могут вообще

отсутствовать.

В схеме б номинальный ток протекает по главным (ГК) и вспомогательным

(ВК) контактам. Вспомогательный контакт рассчитан при размыкании только на

пропускание и гашение сопровождающего тока. Возможно последовательное

включение отделителя.

Обязательным условием для этой схемы, так же как и для схемы а,

является заданное запаздывание в размыкании вспомогательного контакта. В

схемах а и б аналогичны и требования к термической стойкости сопротивлений.

Поскольку в этой схеме сопротивление r1 всегда шунтирует главные контакты,

к последним в отношении изоляции предъявляются только требования,

обусловленные коммутационными режимами, что для некоторых классов

напряжения позволяет выполнить их конструктивно более простыми. Если не

предъявлять к этой схеме требования двухсторонней работы сопротивлений,

главные контакты могут быть выполнены импульсными, т.е. размыкающимися

только на время отключения, однако при этом вспомогательные контакты могут

быть рассчитаны на полную включающую способность. Назначение сопротивлений

такое же, как и в схеме а. К недостаткам этой схемы по сравнению со схемой

а следует отнести удвоение разрывов, пропускающих номинальный ток и

рассчитанных на полную термическую и динамическую стойкость.

Схема в по виду аналогична схеме б, однако принципиально её отличием

является конструктивное выполнение вспомогательного контакта ВК1, дающее

ему возможность при размыкании пропускать полный ток короткого замыкания и

гасить, по крайней мере, сопровождающий ток, ограниченный шунтирующим

сопротивлением r1.

Естественно, что при включенном положении этот контакт должен, как и в

схеме б, пропускать номинальный ток и сквозной ток короткого замыкания. Это

даёт возможность производить одновременно замыкание главных контактов ГК и

вспомогательных ВК1 и тем самым существенно уменьшить время обтекания током

шунтирующего сопротивления r1. Действительно, поскольку к моменту перехода

через нуль тока в главном контакте вспомогательный контакт ВК уже готов к

гашению, прерывание тока во вспомогательном контакте происходит при первом

же переходе через нуль после гашения тока в главном контакте ГК и,

следовательно, время протекания тока по сопротивлению r1 будет

t = [( - arcsin(r1/(x2+r12)]/(,

где x – реактивное сопротивление внешней цепи, Ом.

Поскольку обычно r1 >> x, время t при отключении токов КЗ близко к

5 мсек. Значительно меньшее здесь по сравнению со схемами а и б время

протекания тока по шунтирующему сопротивлению позволяет выполнить его

значительно более низкоомным и создать на базе этой схемы так называемые

выключатели для особо тяжёлых условий по скорости восстановления

напряжения. Замечательной особенностью этих выключателей является

практически полная независимость восстанавливающегося на контактах

напряжения при отключении КЗ, в том числе и неудалённых, от условий внешней

цепи.

Обычно для простоты конструкцию вспомогательных контактов ВК1 в

схеме в принимают аналогичной конструкции главных ГК. При необходимости

вспомогательные контакты ВК1 шунтируют второй, более высокоомной, ступенью

r2. При этом во многих случаях КЗ с неповышенными СВН, а также небольшие

токи отключает вспомогательный контакт ВК1 при первом переходе тока через

нуль, и шунтирующее сопротивление r1 вообще током не обтекается, что также

является преимуществом по сравнению со схемами а и б, где термическая

нагрузка сопротивлений при отключении КЗ практически не зависит от его

тяжести.

Рассмотрим эквивалентную схему (на основе рис.12) выключателя,

питающего присоединения, в режиме, наиболее тяжёлом для вспомогательных

контактов. При этом rв = (. Примем в этом расчёте, что шунтирующее

сопротивление r имеет индуктивность Lш. Из очевидных соображений следует,

что до размыкания вспомогательного контакта ток через сопротивление r

ic = Em/(([(.(L + Lш)]2 + r2).sin((.t) = (Em/z).sin((.t)

при напряжении источника питания e = Em.sin((.t + (), где tg( = (.(L +

Lш)/r

При отсутствии ёмкости на шинах после гашения сопровождающего тока на

вспомогательных контактах скачком восстановилось бы напряжение Em.sin(,

которое бы затем изменялось по синусоидальному закону. При наличии ёмкости

получим следующее выражение для восстанавливающегося напряжения на

вспомогательном контакте:

u(p) = ic(p).zвх(p)

При этом ток

ic(p) = Em.(/[zвх.(p2 + (2)];

Входное сопротивление схемы со стороны вспомогательных контактов

zвх(p) = r + p.Lш + p.L/(1 + p2.L.C).

Отсюда

u(t) ( Em[r.sin((.t) + (.(L + Lш).cos((.t) - (.L.cos((0.t)]/z,

где (0 = 1/((L.C).

Принимая ((0/()2 – 1 ( ((0/()2, получаем u(t) = Em.(.Lш/z, так как при

t = 0 (0 >> (, т.е. индуктивность шунтирующего сопротивления даже при

наличии ёмкости создаёт скачёк напряжения на вспомогательных контактах.

Начальная скорость восстановления напряжения на вспомогательных

контактах ( t = 0 )

(du/dt)t=0 = Em.(.r/z = Ic.(.r,

т.е. практически не зависит от индуктивности шунтирующего сопротивления.

Таким образом, при увеличении ШС уменьшается сопровождающий ток и СВН

на вспомогательном контакте, в то время как на главном контакте СВН

увеличивается.

IV. ПРИМЕНЕНИЕ ШУНТИРУЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

4.1. Применение ШС для ограничения коммутационных перенапряжений при

отключении ненагруженных трансформаторов

ШС могут быть применены для ограничения коммутационных перенапряжений

при отключении ненагруженных трансформаторов и малых индуктивных токов.

Эквивалентная схема цепи при отключении ненагруженного трансформатора

изображена на рис.15,а. Для упрощения эквивалентной схемы можно пренебречь

индуктивностями Lc, L1 и L2 по сравнению с L(. Если пренебречь также

потерями на гистерезис, вихревыми токами и активными сопротивлениями

обмоток, то эквивалентная схема отключения ненагруженного трансформатора в

принципе не будет отличаться от схемы отключения малых индуктивных токов.

Наибольшие перенапряжения между контактами ВК и по отношению к земле

возникают в этом режиме при использовании дугогасительных устройств с

«жёстким» гашением, т.е. таких, где дуга сразу после размыкания контактов

перемещается на дугогасительные электроды и подвергается мощному обдуву

сжатым воздухом. При этом весьма вероятны обрывы тока до его естественного

перехода через нулевое значение. С учётом сделанных допущений расчётная

схема рис.15,а примет вид рис.15,б, где C = C1 + C2 – эквивалентная

ёмкость, а L – эквивалентная индуктивность. Напряжение, возникающее на

контактах выключателя при таком форсированном отключении выглядит следующим

образом:

uв = -Em.[cos((.t0) + ((0/().sin((.( + ().e-(( x

_________________________________________________

x ((cos((.t0) – ((/().sin ((.t0))2 + ((2/(2).sin2((.t0)],

где ( = arctg[(/((.ctg((.t0) - ()] – arctg((/-().

4.2. Применение ШС для ограничения коммутационных перенапряжений при

коммутации ненагруженных линий

Как известно, при коммутациях ВК ненагруженных линий опасные

перенапряжения могут появиться в двух основных режимах: при отключении

ненагруженной линии, сопровождающемся повторными пробоями межконтактного

промежутка ВК и при включении ВК на ненагруженную линию, в том числе при

БАПВ. Перенапряжения при отключении с повторными пробоями для современных

ВВ, обладающих весьма высокой скоростью восстановления электрической

прочности и, как правило, не дающих повторных пробоев, этот режим не

является характерным.

Большего внимания заслуживает другой режим, наиболее важный для

практики конструирования ВК, позволяющий оценить нужное значение

предвключаемых сопротивлений. Эквивалентная однофазная схема для первой

гармонической составляющей переходного режима представлена на рис.14. Хотя

эта схема и не учитывает поправки, обусловленной волновыми процессами,

высшими гармоническими, разбросом включения фаз, короной и т.д., однако

позволяет с достаточной для практических расчётов точностью оценить влияние

в этом режиме предвключаемых сопротивлений и момента включения линии. На

рис.14 Lэ и Cэ – эквивалентная индуктивность и ёмкость линии в Г-

образной схеме замещения, а r – предвключаемое сопротивление ВК.

V. ВЛИЯНИЕ ШС НА ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ

5.1. Влияние при отключении КЗ вблизи ВК

Расчётными видами КЗ для этого случая, определяющими наиболее жёсткие

условия по параметрам восстанавливающегося напряжения (ВН), являются КЗ за

ВК в цепи мощных трансформаторов, а также КЗ на шинах или в

непосредственной близости от них при наличии ряда линий, отходящих от шин.

С точки зрения оценки влияния значения ШС на процесс отключения эти два

случая принципиально отличаются.

На рис.10 представлена характерная осциллограмма ВН при отключении КЗ

за трансформатором и параметры ВН (частота fв и коэффициент превышения

амплитуды первого пика kа), определённые на основании обследования

непосредственно в системах большого числа трансформаторов в зависимости от

их установленной мощности P и класса напряжения Uном. Процесс

восстановления напряжения при отключении КЗ за трансформаторами имеет в

подавляющем большинстве случаев одночастотный характер. Зависимыми от

параметров fв и kа для каждого трансформатора являются при определённых

токах КЗ собственная ёмкость и начальная скорость ВН. Рекомендованная ГОСТ

687-78 испытательная схема для этого режима отражает физический процесс ВН,

изложенный выше. Указанная схема изображена на рис.11. При анализе схемы

можно без заметного влияния на точность при практических расчётах

пренебречь активным сопротивлением цепи КЗ.

Математическое выражение общей зависимости коэффициента превышения

амплитуды первого пика от параметров рассматриваемой схемы и значения ШС

весьма сложно. Для иллюстрации влияния ШС на характер ВН на рис.9 построены

кривые кратности ВН uв по отношению к действующему значению наибольшего

рабочего фазного напряжения Uф для одного из конкретных случаев при КЗ со

стороны обмотки 110 кВ трансформатора при I = 9,2 кА, C =

5,43.10-9 Ф, L = 0,031 Гн и r1 = 854 Ом и значениях ШС от бесконечности до

1000 Ом, т.е. до перехода колебательного процесса в апериодический.

5.2. Влияние при отключении КЗ на линии (неудалённое КЗ)

Эквивалентная расчётная схема изображена на рис.13. Здесь zв –

- волновое сопротивление короткозамкнутой линии. Источник напряжения в

данном случае характеризует линейно нарастающее напряжение Em.t для

промежутка времени от момента погасания дуги до прихода волны, отражённой

от места КЗ, причём значение Em равно отклонению до этого момента

напряжения на стороне линии от начального плюс добавка напряжения к этому

моменту со стороны источника питания; Lш – индуктивность шунтирующего

сопротивления, а r – его активное сопротивление. При расчёте ВН можно

пренебречь ёмкостью C присоединённого к шинам оборудования и током,

протекающим через индуктивность L. Для случая, когда индуктивность ШС

Lш близка к нулю

z(p) = 1/(1/(rв + zв) + 1/r);

uв(p) = Em/[L.p2.(1/(rв + zв) + 1/r);

uв(t) = (Em/L).r.(rв + zв)/(r + rв + zв).t;

duв/dt = (Em/L).r.(rв + zв)/(r + rв + zв) = (.Im.r.(rв + zв)/(r + rв + zв).

Таким образом, при неудалённом КЗ ШС уменьшает СВН на контактах

выключателя в [1 + (rв + zв)/r] раз.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В. Афанасьев. Ю.И. Вишневский. Воздушные выключатели. Л.:

Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1981. – 384 с., ил.;

2. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения под

редакцией В.В. Афанасьева. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение,

1987. – 544 с., ил.

Страницы: 1, 2