Неограниченному распространению вакуумных выключателей препятствует проблема ограничения перенапряжений при коммутации электродвигателей, обусловленная низкой электрической прочностью изоляции электродвигателей, большим числом способов ограничения перенапряжений и необходимостью проверки их эффективности в условиях эксплуатации.
По инициативе Башкирэнерго на начальном этапе внедрения вакуумных выключателей было принято решение о проведении экспериментальных и расчетных исследований перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями электродвигателей собственных нужд (СН) электростанций. Общие цели исследований: определение значений и вероятностей появления перенапряжений в характерных режимах коммутации, проверка эффективности действия средств ограничения перенапряжений, разработка рекомендаций по ограничению перенапряжений.
В качестве объектов исследований были выбраны электродвигательные присоединения в распределительных устройствах СН 6 кВ Уфимских ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4. Опыты по измерениям перенапряжений при коммутациях электродвигателя на ТЭЦ-4 производились в августе 1994 г. специалистами фирмы ОРГРЭС с участием НПП "ЭЛ-ВЕСТ" и ВНИИЭ.
Измерения осуществлялись на электродвигателе А-114-6М номинальной мощностью 200 кВт, запитанном кабелем сечением 3x70 мм2 и длиной 90 м, по принципиальной электрической схеме, представленной на рис. 1. В одну и ту же ячейку поочередно устанавливались вакуумные выключатель ВБПЭ-10 (производства НПП "ЭЛВЕСТ"), ВВЭ-М-10 (МЗВВА, г. Минусинск) и маломасляный выключатель ВМПЭ-10.
 Рис. 1 - Принципиальная электрическая схема измерения перенапряжений при коммутациях электродвигателя вакуумным выключателем |
Программа опытов состояла из измерений перенапряжений при различных коммутациях: включении электродвигателя, отключении вращающегося электродвигателя в режиме холостого хода, отключении электродвигателя в режиме пуска с минимальной задержкой времени между моментами замыкания и размыкания контактов выключателя, т.е. при практически неподвижном роторе.
Замыкание и размыкание контактов выключателей производились в заданную фазу напряжения (тока), что обеспечивалось специальным устройством синхронизации. Переходные процессы при коммутациях электродвигателя регистрировались шестилучевыми катодными осциллографами 60ЭМ, измерительные входы которых подключались к низковольтным плечам емкостных делителей напряжения.
Кроме того, проверялась эффективность действия средств ограничений перенапряжений при:
подключении ограничителей перенапряжения (ОПН) типа ОПН-СН-6 (производства ВЭИ) к входным зажимам электродвигателя (с целью недопущения повреждения изоляции электродвигателя все опыты производились с включенными ОПН);
синхронизированном размыкании контактов первого отключающего полюса вакуумного выключателя относительно полуволны тока, производимом устройством синхронизированного отключения (блок УСО), которое разработано ВНИИЭ;
демпфировании отключаемого участка цепи путем кратковременного подключения резисторов, обеспечиваемого блоком ОПНБ-10 (разработка НПП "ЭЛВЕСТ").
Всего было проведено около 80 зачетных опытов. Основные результаты измерений на ТЭЦ-4 заключаются в следующем:
при включении электродвигателя вакуумным выключателем возможны кратковременные (в пределах 1 мс) перенапряжения (до 2,5 Uф) вследствие "дребезга" контактов (рис. 2);
 Рис. 2. Осциллограммы изменения фазных напряжений на электродвигателе (UА, UВ, UС), тока IА в фазе А, тока в цепи заземления ОПН IОПН и тока IС в фазе С при включении электродвигателя вакуумным выключателем. |
|
|
|
| Рис. 3. Осциллограммы (см. рис. 2) отключения электродвигателя вакуумным выключателем на холостом ходу (а), в режиме пуска (б), в режиме пуска с ограничением перенапряжений демпфирующими резисторами (в): МРК - момент размыкания контактов выключателя. |
отключение электродвигателя, вращающегося на холостом ходу, вакуумным выключателем сопровождается в большинстве случаев свободными затухающими колебаниями напряжения со стороны нагрузки. Однако при размыкании контактов вакуумных дугогасительных камер менее, чем за 1 мс до обрыва тока возможны перенапряжения свыше 2,7 Uф вследствие повторных пробоев (рис.3, а);
при отключении пускового тока неразвернувшегося электродвигателя вакуумным выключателем возможны перенапряжения свыше 2,7 Uф в случае попадания момента размыкания контактов в интервал 0-2 мс перед переходом тока через ноль (рис. 3, б);
при отключении пускового тока неразвернувшегося электродвигателя масляным выключателем возникают (с большой вероятностью) перенапряжения более интенсивные, чем в случае отключения вакуумным выключателем (в опытах максимальные перенапряжения ограничиваются ОПН).
ОПН-СН-6, подключенные к входным зажимам электродвигателя, эффективно ограничивают перенапряжения до уровня не выше испытательного напряжения изоляции электродвигателя относительно корпуса. Однако ОПН не устраняют перепады напряжения, опасные для витковой изоляции;
блок УСО обеспечивает размыкание контактов выключателя в заданную фазу пускового тока электродвигателя, что исключает появление перенапряжений, вызванных повторными пробоями. Это достигается при стабильном времени срабатывания привода выключателя и самого блока УСО. Во время работы блока УСО с выключателем и одновременным размыканием контактов полюсов предъявляются высокие требования к одновременности размыкания контактов. При отсутствии одновременности задача настройки момента размыкания контактов первого полюса упрощается, но тогда момент размыкания контактов двух других полюсов может быть близок к моменту перехода тока в них через нуль, что может вызвать повторные пробои и перенапряжения;
в случае отключения электродвигателей вакуумными выключателями с блоком ОПНБ-10 перенапряжения отсутствуют (рис. 3, в). Однако из-за сложности применения данный способ ограничения перенапряжений используется в весьма редких случаях.
Измерения перенапряжений на ТЭЦ-3 производились в июле 1996 г. специалистами фирмы ОРГРЭС с участием НПП "ВЭЛТО" и "Таврида Электрик" с целью получения экспериментальных данных о перенапряжениях, возникающих при коммутациях электродвигателей СП вакуумным выключателем ВВ/ТЕ1-10 (производства "Таврида Электрик") и маломасляным выключателем ВМГ-133, а также проверки эффективности ограничения перенапряжений при различных способах включения ОПН типа ОПН-СН-6.
Опыты производились на электродвигателях различной мощности (кВт), запитанных кабелями разных сечений (мм2) и длин (м): 250 - кабелем 3x70, 100; 480 - кабелем 3x70, 100 и 110; 2000 - кабелем 3x185, 20. Программа опытов предусматривала включение и отключение электродвигателей на холостом ходу (в режиме номинальной нагрузки для электродвигателя 2000 кВт), а также отключение в режиме пуска.
При коммутациях вакуумным выключателем ВВ/ТЕ1-10 ОПН подключались между каждой фазой и землей на входе кабеля параллельно контактам выключателя, а для электродвигателя мощностью 250 кВт производились также опыты без ОПН. Во время коммутаций маломасляным выключателем ВМГ-133 ОПН размещались между каждой фазой и землей на входе кабеля, производились также опыты без ОПН. Всего было осуществлено около 180 зачетных опытов.
Результаты измерений (в части перенапряжений при включении и работе маломасляного выключателя) аналогичны результатам, полученным на ТЭЦ. При отключении электродвигателей вакуумным выключателем ВВ/ТЕL-10 повторные пробои возникают крайне редко, перенапряжения не превышают 2 Uф, протеканий импульсов тока через ОПН ("срабатывание ОПН") не отмечались за исключением опытов, проводимых на электродвигателе мощностью 480 кВт. В двух опытах по отключению холостого хода и в одном по отключению в режиме пуска наблюдались срабатывания ОПН от "среза" отключаемого тока.
Это объясняется высокой скоростью нарастания электрической прочности межконтактного промежутка, которая по данным фирмы "Таврида Электрик" составляет в среднем 50 кВ/мс, в то время, как для вакуумных камер серии КДВ, применяемых в выключателях ВВЭ-М-10, ВБПЭ-10 и других, аналогичная величина по разным оценкам находится в пределах от 5 до 40 кВ/мс.
По экспериментальным данным уточнены параметры математической модели вакуумных выключателей и схем замещения для расчетов переходных процессов с помощью программы ТРИАДА, разработанной на кафедре электрических станций и сетей Санкт-Петербургского государственного технического университета.
Проведены расчеты перенапряжений при отключении электродвигателей СН вакуумными выключателями на ТЭЦ-3, ТЭЦ-4 и других электростанциях (всего около 80 присоединений) в тех же режимах, которые учитывались в процессе измерений, проверена эффективность действия ОПН при различных способах подключения.
Следует отметить, что основные результаты расчетов совпадают с экспериментальными данными. Дополнительно выявлен ряд факторов:
уровни перенапряжений и вероятность появления их опасных значений при отключении электродвигателей вакуумными выключателями в режиме пуска мало зависят от параметров электродвигательных присоединений, а в большей степени - от типа применяемой вакуумной камеры. Известно, что при отключении этого режима выключателями с камерами серии КДВ-10 опасные перенапряжения (Uмакс > 15 и Uмакс > 9 кВ) могут возникнуть примерно в 10% случаев, а при отключении выключателями ВВ/ТЕ1-10 - 2,5% случаев. Более точная вероятность появления опасных перенапряжений оценивается по расчетам для рассматриваемого присоединения;
при установке ОПН на входе кабеля между каждой фазой и землей не удается ограничить значение Uмакс на зажимах электродвигателя ниже 15 кВ. Причина тому - отражение волн напряжения с крутым фронтом, возникающих в начале кабеля вследствие повторных пробоев межконтактного промежутка вакуумной камеры;
при подключении ОПН параллельно контактам вакуумного выключателя значения Uмакс на зажимах электродвигателя не превосходят 15 кВ при всех рассмотренных длинах кабеля;
в некоторых случаях при отключении вращающихся электродвигателей вакуумными выключателями независимо от типа этих выключателей могут возникать перенапряжения до 20 кВ (4 Uф). Их уровень определяется, в основном, мощностью электродвигателя, сечением и длиной кабеля.
На основании анализа результатов проведенных расчетов и экспериментов разработана методика ограничения коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении электродвигателей СН вакуумными выключателями на электростанциях Башкирэнерго.