Донецкий                      Национальный Технический                      Университет

Портал магистров ДонНТУ

Содержание

1. Введение. Обоснование актуальности

       Проектирование устройств электроснабжения базируется на требовании обеспечить надежную и экономичную работу электроустановок. Принятие проектных решений, как правило, выполняется на основе типовых проектов. При этом, руководствуясь современными нормативами, необходимо принять их оптимальными для конкретных условий работы проектируемого объекта: схемы электрических соединений, размещение аппаратов и их тип.
       При выборе коммутационной аппаратуры расчету подлежит множество параметров, одним из которых является восстанавливающееся напряжение. ГОСТ 687-78 устанавливает зону допустимых изменений восстанавливающегося напряжения (нормированные характеристики), при которой рост восстановления диэлектрической прочности контактного промежутка (при исправных дугогасительных устройствах) обеспечит положительный исход процесса отключения. Выход кривой восстанавливающегося напряжения за границы нормированных характеристик может привести к переходу процесса отключения в аварийный режим.
       Отключающая способность выключателя определяется интенсивностью работы его дугогасительных устройств. Для успешного гашения электрической дуги необходимо, чтобы после перехода тока через нуль электрическая прочность межконтактного промежутка росла быстрее и была все время выше кривой ПВН. Электрическая прочность межконтактного промежутка после перехода тока через нуль определяется процессами распада плазмы, содержащейся в стволе дуги. Эти процессы начинаются еще до перехода тока через нуль, и их интенсивность связана с работой принципиально разных дугогасительных устройств, для эксплуатируемых типов выключателей.
       Процессы отключения электрической цепи обусловливают два типа отказов выключателей, существенно отличающихся друг от друга:
        - скорость роста восстанавливающегося напряжения (СВН) на дуговом промежутке, в первые 2–3 мкс после прохождения тока через нуль, превышает некоторое критическое значение, и распадающийся ствол дуги формируется вновь – образуется тепловой пробой;
        - при успешном прохождении стадии теплового пробоя ПВН достигает максимального значения, превышающего электрическую прочность межконтактного промежутка, – наступает электрический пробой.
       Условия теплового и электрического пробоя в значительной степени определяются типом выключателя. Из этого следует, что СВН и максимальное значение ПВН, от которых, зависит исход гашения дуги, ограничивают отключающую способность выключателя.[6]
       Получить достоверную характеристику изменения восстанавливающегося напряжения в условиях эксплуатации достаточно сложно. Для этого необходимо проводить специальные коммутационные испытания, при этом использовать фиксированные схемы [6]. Поэтому устанавливается диапазон изменения восстанавливающегося напряжения с учетом возможных схем расположения выключателей установки для различных режимов работы отключаемой сети и параметров установленного оборудования.
       Если кривые изменения восстанавливающегося напряжения, полученные для широкого диапазона вариантов параметров отключаемой цепи, не выходят за пределы нормированных характеристик, можно, при условии исправности дугогасительных устройств и кинематики выключателя, предполагать сохранение отключающей способности выключателя при работе его в данном месте установки в предельных режимах [2].
       Использование компьютерных методов расчета восстанавливающегося напряжения позволяет охватить вычислениями произвольное число изменяемых параметров рассматриваемой сети и оценить внешние условия работы выключателя с учетом критических ситуаций.

2. Цели и задачи работы

       Эффективность функционирования электрической установки в значительной степени определяется надёжностью работы коммутационной аппаратуры (КА). Процессы коммутации электрических цепей в настоящее время осуществляются КА следующих типов: масляные, воздушные, элегазовые, вакуумные, электромагнитные, полупроводниковые (тиристорные), которые отличаются друг от друга как конструктивно, так и способом гашения дуги [3, 4]. Определяющими факторами гашения дуги являются конструкция дугогасительных устройств, среда в которой возникает и гасится дуга, а также способность выключателя к высокой скорости набора электрической прочности промежутка. Надёжность отключения как нагрузочного режима, так и аварийных токов определяется в первую очередь коммутационным ресурсом выключателя.
       Исходя из вышеизложенного можно выделить, что главной задачей магистерской работы является создание модели, которая позволит повысить коммутационную способность выключателей, в первую очередь применяемых на электрических станциях. Но в связи с тем, что процессы происходящие при коммутациях выключателей подобны, то данная модель будет универсальной и может применяться при расчете выключателя любого типа.
       Известные методы расчета [8] основываются на использовании упрощенных дифференциальных уравнений, в связи, с чем существует определенная погрешность. В данной работе используется метод, основанный на использовании полных дифференциальных уравнений для основных элементов сети (генератор, трансформатор, ЛЭП, нагрузка). При этом система дифференциальных уравнений является плохо обусловленной для анализа исследуемых режимов, что в совокупности с применением явных методов затрудняет ее решение на ЭВМ.
       В данной разработке предполагается использовать численные неявные методы решения [11] дифференциальных уравнений, которые в свою очередь отличаются более высокой численной устойчивостью.
       Кроме этой проблемы, имеется еще более сложная проблема – моделирование дуги переменного тока. Данная проблема до сих пор еще не решена и носит мировой масштаб. Поэтому предполагается использовать упрощенную модель дуги переменного тока, которая с определенной точностью может приблизиться к реальной дуге.
       К целям работы можно также отнести создание программной оболочки для полученной модели.
       Таким образом, в данной магистерской работе преследуются следующие цели:
       1. Создание дифференциальных уравнений для элементов сети.
       2. Исследование и выбор подходящих методов расчета.
       3. Исследование разработок моделирования дуги переменного тока.
       4. Составление полной исследуемой модели.
       5. Создание программной оболочки.
       Перечисленные цели работы являются основными и их ни в коем случае нельзя назвать единственными, так как в ходе работы возникают все больше новых трудностей, которые только дополняют и насыщают разработку.

3. Предполагаемая научная новизна

       В начале ознакомления с темой работы я производил анализ имеющихся разработок. Анализ разработок производился путем поиска подобных материалов, статей, моделей как в среде Internet, так и в печатных и периодических изданиях. После поиска был сделан вывод, что разработка данной проблемы актуальна. Все расчеты, производились давно, кроме того, из-за отсутствия точной техники, были созданы нормативные характеристики, которые имели большой запас. В данной работе предполагается использовать компьютерных методов расчета, которые отличаются численной точностью. Кроме того, в разработке, предполагается использовать более сложные методы расчета.

4. Планируемый практический результат

       Современные фирмы, выпускающие коммутационную аппаратуру, предлагают аппаратуру в виде конечного продукта, которому присущи определенные параметры (номинальный ток отключения, предельный ток отключения, номинальное напряжение и т.д.) [9]. При использовании разработанной модели можно будет проверить исследуемые параметры сети, в которую предполагается установить коммутационный аппарат, кроме того, можно оценить уровни перенапряжений, возникающие при установке данного коммутационного аппарата [10]. Стоит отметить, что процессы восстановления напряжения между контактами выключателя после гашения дуги определяются в основном параметрами отключаемой цепи (внешняя характеристика процесса отключения) и в меньшей степени на него влияют конструктивные элементы выключателя.
       Таким образом, отключающая способность выключателя определяется предельным отключаемым током (внутренняя характеристика) при определенных условиях восстановления напряжения на его контактах (внешняя характеристика отключаемой цепи). Оценивать количественно и сопоставлять между собой эти характеристики в условиях эксплуатации достаточно сложно, кроме того, один и тот же выключатель может работать в разных условиях, зависящих от схемы сети [1].
       Исследуя схему цепи при установке коммутационного аппарата данной моделью можно избегнуть недостатков влияния восстанавливающегося напряжения - ограничение отключающей способности. Необходимо также повторить, что выход кривой восстанавливающегося напряжения за границы нормированных характеристик может привести к переходу процесса отключения в аварийный режим.

5. Обзор существующих исследований и разработок

        Обзор существующих разработок:

       1)С.В. Усов, Б.Н. Михалев и др. "Электрическая часть электростанций": Учебник для вузов - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - 616 с., ил. Раздел 4-7 -Зависимость отключающей способности выключателя от восстанавливающегося напряжения.  Посмотреть

       2)Буткевич Г.В. "Дуговые процессы при коммутации электрических цепей." – М: Энергия, 1973. – 260 с.  Посмотреть

       3)С.В. Усов, Б.Н. Михалев и др. "Электрическая часть электростанций": Учебник для вузов - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - 616 с., ил. Раздел 4-6 - Восстанавливающееся напряжение.   Посмотреть

6. Перечень нерешенных проблем, задач, вопросов

       Основной нерешенной задачей является моделирование дуги переменного тока. В виду того, что дуга носит нелинейный характер, и поведение ее следующий момент времени просто не предсказуемо, можно лишь только приблизится с определенной точностью к ее свойствам и поведению. Следующим нерешенным вопросом является создание моделей основных элементов сети. Для решения этого вопроса требуется много времени, так как каждый элемент имеет свои особенности и нерешенные проблемы.
        Еще одним нерешенным вопросом является создание программной оболочки для разрабатываемой модели. Создание программной оболочки для модели в большинстве случаев играет немаловажную роль. Удобность и наглядность во время использования – цель программной оболочки.

7. Собственные результаты

       Результаты работы можно представить в виде рисунка. При этом на рисунке указываются как конечный результат работы, так отдельные вершины выполнения работы.
       На данном рисунке под термином «модель генератора, трансформатора и др.» подразумевается составление полных дифференциальных уравнений для указанных элементов, «модель дуги переменного тока» - создание такой модели, которая отражает процессы в дуге.

Рисунок 1 - Собственные результаты

       В начальной стадии исследования дуги переменного тока использую обычную RL-цепь.(рис. 2) Эту цепь коммутирует коммутационный аппарат (КА). При отключении цепи в КА зажигается дуга, которая имеет сопротивление. Сопротивление дуги в начальном приближении можно представить в виде определенной зависимости (рис. 3).

Рисунок 2 - Исследуемая цепь

Рисунок 3 - Модель дуги

       В момент отключения цепи происходит бросок тока (рис. 4). Этот бросок тока зависит от угла отключения. С течением времени ток затухает до 0 с постоянной времени, которую определяют параметры R и L цепи. При этом напряжение сети (рис. 5) остается неизменным. Можно также проследить за изменением напряжения на выключателе (КА) (рис. 6). Напряжение на КА до момента отключения равно 0. После разрыва цепи напряжение на КА начинает восстанавливаться.

Рисунок 4 - Ток в цепи

Рисунок 5 - Напряжение питающей сети

Рисунок 6 - Напряжение на выключателе

8. Заключение

       При выборе выключателя очень важно знать, какой в действительности режим восстановления напряжения возникает на выключателе вследствие суммарного воздействия параметров сети и самого выключателя. Например, можно подобрать и установить на выключателе такое активное шунтирующее сопротивление, при котором выключатель становится вообще нечувствительным к различным режимам сети с точки зрения собственных скоростей восстановления напряжения.
       Таким образом, при оценке восстанавливающихся напряжений могут возникнуть различные практические задачи в зависимости от того, стоит ли вопрос о воздействии сети на выключатель (жесткость сети) или о влиянии дугогасящего устройства выключателя на процесс восстановления напряжения на нем. Разрабатываемая программа может служить в качестве устройства для анализа сети, в которую устанавливается коммутационный аппарат и позволяет повысить его коммутационную способность.
        В данный момент (05.2006) работа находится в стадии разработки. Окончательный результат работы будет в 01.2007. С вопросами, касающимися данной работы обращаться к разработчику.

9. Литература

       1.Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей. – М: Энергия, 1973. – 260 с.
       2.Фоков К.И., Старицин Л.А. Анализ влияния параметров электрической сети на отключающую способность выключателям // Повышение эффективности и надежности систем электроснабжения: Межвуз. сб. науч. тр. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999. – С. 30–36.
       3.Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения / Под ред. В.В. Афанасьева. – Л: Энергоатомиздат, 1987. – 536 с.
       4.Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под. ред. И.А. Боумштейна. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 765 с.
       5.Неклепаев Б.Н., Крючков И.С. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 605 с. "Формирование переходного восстанавливающегося напряжения при коммутационных испытаниях выключателей высокого напряжения".
       6."Формирование переходного восстанавливающегося напряжения при коммутационных испытаниях выключателей высокого напряжения". URL: http://mars.udsu.ru/cgi-bin/cls/journal_content?17702
       7.Фоков К.И., Твердохлебов И.А., Григорьев Н.П. Выбор проектных решений при разработке подстанций 10…500 кВ: Учебное пособие. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001. – 53 с.: ил.
       8.Усов С.В. Электрическая часть стаций – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. – 616 с., с ил.
       9."Вакуумный выключатель типа ВНВР-10-630-20У2" – справочные данные. URL: http://www.new-power.ru/prs.shtml
       10."К вопросу коммутаций индуктивных нагрузок вакуумными выключателями" – статья ООО РК «Таврида Электрик» URL: http://www.tavrida.ru/press/specialists/?read=5
       11."Неявный метод Эйлера решения задачи Коши". URL: http://www.zsu.zp.ua/lab/MathDep/ApMath/MMEN/1/ForLab1/eyler2.htm