"Перенапряжения в сетях 6(10) кВ": статья из инф.- справ. изд."Новости электротехники", http://news.elteh.ru/arh/2002/17/06.php, 2002. - 5 с. с ил.

       В России у эксплуатационного персонала предприятий электрических сетей сложилось довольно устойчивое мнение, что перенапряжения создают вакуумные выключатели, а элегазовые этого недостатка лишены. Но так ли это? Попробуем разобраться в причинах перенапряжений.

       Причины возникновения перенапряжений в сетях

       Начнем с простого утверждения, очевидного для любого человека, знакомого с курсом ТОЭ: любая коммутация (включение или отключение) какого-либо элемента сети (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи, воздушной или кабельной линии и т.д.) вызывает переходный процесс. Это связано с тем, что сеть является совокупностью индуктивностей и емкостей основного электротехнического оборудования, поэтому подключение или отключение некоторого элемента ведет к установлению нового режима. Переход сети от режима до коммутации к режиму после коммутации сопровождается изменениями токов в элементах и напряжений на них. Как правило, этот переход имеет вид затухающих колебаний, в процессе которых напряжение на емкостях оборудования относительно земли или между фазами может достигать величин значительно больших, чем номинальное. Это и называется перенапряжениями.
       Подобный процесс объективен и не зависит от типа используемого выключателя. Например, можно показать, что при включении (пуске) высоковольтного электродвигателя возможно возникновение перенапряжений с кратностью до 3,3 относительных единиц (о.е.) по отношению к амплитуде наибольшего рабочего напряжения [1], что представляет опасность для его изоляции. Перенапряжения в этом случае не зависят от типа дугогасящей среды и определяются только моментом включения и разбросом замыкания контактов разных фаз. Исключить эти перенапряжения регулировкой хода контактов выключателя не представляется возможным. При отключении выключателем любого типа (маломасляным, вакуумным, элегазовым, электромагнитным) практически каждого двойного или двухфазного замыкания на землю в сети 6-10 кВ с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью на все присоединения, включенные на данную секцию, воздействуют перенапряжения с кратностью до 3,4 о.е. Причиной их является неодновременное отключение тока в поврежденных фазах, когда на первой отключившейся фазе напряжение восстанавливается от нуля до амплитуды линейного. При этом в процессе колебаний напряжение достигает величины двойного линейного. Именно эти перенапряжения могут вызывать многоместные повреждения изоляции (и такие случаи известны в эксплуатации), когда из строя выходят сразу несколько высоковольтных электродвигателей или кабелей. И дело тут не в типе дугогасящей среды, используемой в выключателе, а в объективно существующих явлениях.
       Теперь рассмотрим проблему перенапряжений при использовании вакуумных и элегазовых выключателей с учетом особенностей дугогасящей среды и конструкций этих аппаратов, а также нагрузок, ими коммутируемых. При включениях нагрузки (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи) правильно спроектированным выключателем (не дающим отскоков контактов) его дугогасящая среда с точки зрения возникновения перенапряжений не играет никакой роли. Перенапряжения в этом случае обусловлены особенностями сети и коммутируемого присоединения как многоконтурных индуктивно-емкостных схем, моментом включения по времени и разбросом в замыкании контактов разных фаз выключателя (см. выше).
       Основными причинами перенапряжений на изоляции отдельного присоединения (и только его, а не всей сети) при отключении нагрузки, связанными с особенностями дугогасящей среды и конструкцией выключателя, являются срез тока и эскалация напряжения. Рассмотрим эти явления по порядку.

       Срез тока

       Любой выключатель отключает ток при прохождении его через ноль (со сдвигом по времени в разных фазах), когда подвод энергии к дуге со стороны сети уменьшается. В околонулевой области тока возможен быстрый распад канала дуги и принудительный спад тока от некоторого значения (как правило, единицы – десятки ампер) до нуля за очень малое время (значительно раньше естественного нуля тока). Это явление называется срезом тока. Возникает оно при отключении малых индуктивных токов (например, токов холостого хода трансформаторов и электродвигателей), неустановившихся токов включения трансформаторов, пусковых токов электродвигателей, токов шунтирующих реакторов.
Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа (маломасляных, электромагнитных, воздушных, вакуумных, элегазовых). Причиной среза тока в выключателях с гашением дуги в газовой среде являются интенсивное дутье и развитие высокочастотных колебаний на спадающем участке синусоиды отключаемого тока [2]. Дутье вызывает значительное охлаждение плазмы в дуговом промежутке и быстрое уменьшение ее проводимости. Высокочастотные колебания, развивающиеся в контуре: емкость на шинах – нелинейное сопротивление дуги – индуктивность и емкость присоединения, налагаются на ток 50 Гц и приводят к тому, что суммарный ток в дуговом промежутке переходит через ноль и происходит гашение со срезом. В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов.
       При срезе тока в индуктивности нагрузки «запирается» энергия, которая затем освобождается на емкость присоединения и может вызывать перенапряжения. Как известно, кратность перенапряжений при этом определяется индуктивностью нагрузки, емкостью присоединения (в основном длиной кабельной или воздушной линии) и величиной тока среза. Последний параметр различается для выключателей с разными дугогасящими средами. На рис.1 приведена диаграмма относительных токов среза для выключателей разного типа, заимствованная из [3].

Рис.1 Относительные токи среза выключателей с разными дугогасящими средами

       Как видно из рис.1, вакуумные выключатели с хром-медными контактами имеют наименьший ток среза. Он составляет 5-6 А по данным различных исследований, информация о которых приведена в [4]. Большинство производителей вакуумных выключателей используют для изготовления контактов именно хром-медные композиции. Элегазовые выключатели с гашением дуги вращением (rotary-arc type) или автодутьём (self-pressurising type) имеют ток среза практически такой же, как и вакуумные выключатели. Это связано с тем, что интенсивность дугогашения у них зависит от величины протекающего тока. У компрессионных (puffer type) и комбинированных элегазовых выключателей с дополнительным поршнем токи среза выше, чем у вакуумных выключателей. В принципе ток среза элегазовых выключателей зависит от величины отключаемого тока, конструкции выключателя и емкости присоединения и может значительно превышать таковой для вакуумных [2]. Таким образом, с точки зрения величины тока среза и создаваемых при этом перенапряжений элегазовые выключатели не имеют никаких преимуществ перед вакуумными.
       Кроме величины тока, на перенапряжения при срезе, как уже указывалось выше, влияют индуктивность нагрузки (или мощность) и емкость присоединения (длина воздушной или кабельной линии). При значительной длине присоединения перенапряжений из-за среза тока в выключателе вообще не возникает. Наличие даже небольшой активной нагрузки на вторичной стороне отключаемого силового трансформатора также исключает возникновение перенапряжений по причине среза. Использование таких современных защитных аппаратов, как ОПН, вообще снимает вопрос перенапряжений вне зависимости от типа используемого выключателя. Следует отметить, что в настоящее время в сетях эксплуатируются тысячи маломасляных выключателей с токами среза гораздо больше, чем у вакуумных выключателей. То есть потенциально маломасляные выключатели также способны создавать перенапряжения и причем более высокие, чем вакуумные.


       Эскалация напряжения

Рассмотрим теперь вторую причину перенапряжений при отключениях нагрузки: эскалацию напряжения. Это явление характерно только для вакуумных выключателей. Однако оно возникает крайне редко, только при отключении пускового тока не успевших развернуться или заторможенных электродвигателей (причем из 100 отключений пусковых токов только 5-10 могут сопровождаться эскалацией напряжения). Физическая сущность этого явления описана в [4]. Перенапряжения в этом (и только в этом) случае могут достигать 6-7-кратных. Осциллограмма (заимствована из [5]), иллюстрирующая подобный процесс, приведена на рис.2.

Рис.2. Экспериментальная осциллограмма отключения пускового тока электродвигателя 6,3 кВ, 736 кВт, подключенного кабелем сечением 3х95, длиной 70 м, вакуумным выключателем с возникновением эскалации напряжения с кратностью 4,0 о.е. в первой отключаемой фазе выключателя [5]. Масштаб: 100 мксек, 5 кВ.

       Экспериментальных данных по отключению пусковых токов электродвигателей элегазовыми выключателями практически нет. Создается впечатление, что фирмам – производителям элегазового оборудования неизвестно о перенапряжениях в этом случае, либо публикация таких данных им невыгодна.
       Исходя из имеющейся информации [4], можно предполагать, что элегазовые выключатели не склонны к эскалации напряжения. Однако их повышенные по сравнению с вакуумными выключателями токи среза и возможность однократных повторных зажиганий, вероятно, могут быть причиной перенапряжений при отключениях холостых трансформаторов и пусковых токов электродвигателей (при малых длинах кабеля).
       Еще раз отметим, что рассмотренный случай отключения пускового тока – достаточно редкое событие, а в некоторых случаях практически невозможное. Поэтому сопоставление элегазовых и вакуумных выключателей с точки зрения коммутационных перенапряжений следует проводить исходя из величины тока среза.
       Таким образом, на основании рассмотрения характерных причин возникновения перенапряжений, связанных с характером дугогасящей среды выключателя, можно утверждать, что элегазовые выключатели в этом отношении не имеют преимуществ по сравнению с вакуумными.
       Откуда же все-таки возникло такое предубеждение, что только вакуумные выключатели создают перена-пряжения? По-видимому, истоки его следует искать на заре внедрения вакуумной коммутационной техники. В первых вакуумных выключателях, установленных в эксплуатацию еще в СССР в начале 80-х годов, для изготовления контактов использовался вольфрам. Разработчики вакуумных камер полагали, что применение этого тугоплавкого металла позволит снизить износ контактов. Однако выключатели с вольфрамовыми контактами были способны создавать значительные срезы тока, порядка 20-30 А. Именно это обстоятельство, а также отсутствие средств защиты от перенапряжений в сетях 6-10 кВ в то время привело к значительному ущербу в результате пробоев изоляции. Энергетика – отрасль консервативная, и однажды сформировавшееся мнение, а особенно отрицательное, очень сложно изменить.

Литература

1. Васюра Ю.Ф., Гавриков В.И., Евдокунин Г.А. Коммутационные перенапряжения на высоковольтных двигателях собственных нужд электростанций // Электротехника. - 1984. - № 12. - С. 4-7.
2. Working group paper: Interruption of small inductive currents (chapter 1, 2) // Electra. - 1980. - № 72. - pp. 73-103.
3. Headley A. Meeting system requirements with modern switchgear // Proceedings IEEE Symp. on trends in modern switchgear design 3,3-150 kV. - Newcastle. - 1984. - pp. 9.1-9.5.
4. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения. - С.-Петербург: Издательство Сизова М.П., 2002. - 147 с.
5. Colombo E., Costa G., Piccarreta L. Results of an investigation on the overvoltages due to a vacuum circuit-breaker when switching an h.v. motor // IEEE Transactions on power delivery. - 1988. - № 1. - vol. 3. - pp. 205-213.