Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Коммутация конденсаторной батареи высокого напряжения 15
1.1 Анализ текущего состояния теории коммутации БСК-110 15
1.2 Вероятность повторного зажигания и пробоя на контактах высоковольтного выключателя 20
1.3 Анализ опыта эксплуатации конденсаторов в составе БСК-110 25
1.4 Вероятность безотказной работы конденсаторов в БСК 31
1.5 Задачи для управляемой коммутации и целевые параметры механического разноса 35
1.6 Постановка задач исследования 46
Выводы 47
ГЛАВА 2 Разработка математических моделей влияния повторных пробоев, механического разноса и коммутации емкостной нагрузки 49
2.1 Математическая модель влияния повторных пробоев или зажиганий, а также бросков тока при коммутации БСК на срок службы конденсаторов 49
2.2 Математическая модель механического разноса высоковольтного выключателя 56
2.3 Алгоритм механического разноса высоковольтного выключателя 65
2.4 Имитационная модель коммутации емкостной нагрузки высокого напряжения 72
Выводы 83
ГЛАВА 3 Имитационная модель коммутации бск высокого напряжения 85
3.1 Источники исходных экспериментальных данных 85
3.2 Алгоритм работы программного комплекса 89 Выводы 105
ГЛАВА 4 Анализ результатов имитационного моделирования и эксперимента 108
4.1 Опытное подтверждение и эксперимент 109
4.2 Благоприятные моменты коммутации 111
4.3 Анализ и сравнение результатов 117
Выводы 121
Основные результаты и выводы 123 Список литературы
- Вероятность повторного зажигания и пробоя на контактах высоковольтного выключателя
- Вероятность безотказной работы конденсаторов в БСК
- Алгоритм механического разноса высоковольтного выключателя
- Благоприятные моменты коммутации
Вероятность повторного зажигания и пробоя на контактах высоковольтного выключателя
Проблемы эксплуатации выключателей в цепях батарей статических конденсаторов 110 кВ и выше заключаются в том, что однозначно сказать, возникают ли повторные пробои или повторные зажигания дуги на контактах выключателей, какова вероятность возникновения упомянутых процессов, без дополнительных расчетов и исследований не представляется возможным.
Стоит отметить, что условия работы выключателей при коммутации БСК-110 и выше, а также ненагруженных линий имеют существенные различия. Выключатель, установленный в цепи БСК-110, включает и отключает большие токи, осуществляет коммутацию их значительно чаще, чем выключатель воздушной линии электропередачи, и, кроме того, броски переходного тока при включении БСК-110 (в сто раз превышают номинальные) больше, чем при включении линии [6, 7, 42].
Большинство проблем, связанных с конденсаторными установками, встречаются в сетях с высоким уровнем высших гармоник тока и напряжения [51]. Хотя использование конденсаторных батарей и не приводит к дополнительному образованию высших гармоник, тем не менее, это создает условия для возникновения резонансов на высших гармониках в электрических сетях [59]. Это может вызвать чрезмерное увеличение тока в конденсаторах и выход их из строя. По данным работы [3], из совокупности поврежденного в электрических сетях Японии электрооборудования, причиной которых явились высшие гармоники, доля силовых конденсаторов составляет 72 %, далее идут дроссели, комбинированные с конденсаторами. Высшие гармоники также приводят к погрешностям измерений реактивной мощности, реактивной составляющей тока, коэффициента мощности, на основе значений которых осуществляется компенсация реактивной мощности [27, 74]. Это ведет к ошибочным действиям по компенсации реактивной мощности и к сбоям в работе систем управления конденсаторных установок [5]. Как известно [27], действующие конденсаторные установки предназначены для компенсации реактивной мощности на основной частоте. Отечественные батареи конденсаторов спроектированы на длительную работу с перегрузкой 30 % за счет токов высших гармоник и повышения напряжения до 1,1Uном [20]. Однако, в процессе эксплуатации длительная работа конденсаторов в этих условиях приводит к сокращению срока их службы за счет старения диэлектрика и дополнительных потерь. Так, например, конденсаторные батареи, эксплуатирующиеся в составе силовых фильтров мощностью 4,4 МВАр, установленные на шинах Усть-Каменогорского титаномагниевого комбината, при перегрузке токами высших гармоник в 11 % и коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения равной Кц = 4 % имели срок службы лишь 6-8 месяцев [83].
Согласно ГОСТ 52565-2006 [22] следует разделять два понятия при отключении выключателя:
1) Повторный пробой – это возобновление тока между контактами выключателя в процессе операции отключения емкостного тока после того, как ток оставался равным нулю в течение промежутка времени, равного или большего периода промышленной частоты.
2) Повторное зажигание – это возобновление тока между контактами выключателя в процессе операции отключения емкостного тока или тока реактора после того, как ток оставался равным нулю в течение промежутка времени, меньшего 1/4 периода промышленной частоты [22].
Рассмотрим случай, когда происходит отключение сосредоточенной емкости, например, батареи статических конденсаторов С от источника с индуктивностью L [65]. Упрощенная схема представлена на рисунке 1.1, а. а)
При значении емкостного тока достаточно большой величины, для того чтобы срез тока в высоковольтном выключателе не возникал, дуга гаснет в момент естественного перехода тока через ноль. Любой высоковольтный выключатель переменного напряжения отключает ток в момент прохождения его через ноль, в это мгновение приток электроэнергии к дуге от энергосистемы уменьшается. Напряжение проходит через свое максимальное значение, при этом мгновенное значение напряжения принято отрицательным (см. рисунок 1.1, б).
После завершения протекания тока в цепи высоковольтного выключателя, напряжение на емкости конденсаторных батарей сохранит свою величину Uc = -Uф, а ЭДС источника e(t)меняется по косинусоидальному закону. Зависимость (разность) e(t) -ис= ЧУф cosco? - (-С/ф) = С/ф(1 - coscoO (1.2) является восстанавливающимся напряжением на высоковольтном выключателе, значение которого достигает 2Щ через полпериода [72, 73]. В случае, если напряжение будет иметь значение больше, чем электрическая прочность промежутка между расходящимися контактами высоковольтного выключателя, то должно произойти повторное зажигание или пробой в этом промежутке [76].
Далее рассмотрим идеальный случай, когда повторное зажигание дуги или пробой происходят в момент максимального значения напряжения с промышленной частотой в 50 (60) Гц. Таким образом, происходит подключение колебательного контура LC, заряженного до (–Щ), к источнику ЭДС:
Вследствие подключения в данной сети возникают определенные высокочастотные колебания с частотой (coj =l/VZc), накладывающиеся на промышленную частоту. Данный процесс можно описать формулой: Известно, что 1 , следовательно, свободная составляющей тока 2Щ 1С на много превосходит вынужденную составляющую по амплитудному значению. При t = Т1/2 = /1 напряжение примет максимальное значение, что соответствует половине периода собственных колебаний, данный процесс представлен на рисунке 1.1, б. За указанное время напряжение с частотой 50, 60 Гц не успеет измениться значительно, поэтому, если не учитывать затухание, которое в реальном процессе за счет разрядных резисторов присутствует, получается: макс ф + 2 ф = 3 ф . (1 .7)
Суммарный ток, в большей степени определяющийся свободной составляющей, в указанный момент проходит нулевое значение, и электрическая дуга гаснет, при этом остаточное напряжение на емкости будет равным (3 Щ) [76].
Далее, приблизительно, через полпериода промышленной частоты в 50, 60 Гц напряжение на источнике достигнет значения в (–Щ), соответственно, при этом напряжение между контактами высоковольтного выключателя возрастает до 4 Щ, таким образом, будут созданы условия для возникновения еще одного повторного пробоя. В данном идеализированном случае в контуре возникнут колебания с амплитудным значением 4Щ. При этом максимальное напряжение на емкости достигает (-5/ф) [65].
Если бы повторные зажигания дуги или пробои в высоковольтном выключателе продолжались неограниченно долго, перенапряжения на отключаемом конденсаторе непрерывно возрастали бы в соответствии с рисунком 1.1, б [65].
Отключение конденсаторных батарей 110 кВ наиболее опасно, так как может происходить эскалация перенапряжений, если процесс отключения сопровождается повторными зажиганиями дуги или пробоями в высоковольтном выключателе [26]. Каждый подобный процесс опасен не только возникающими перенапряжениями в сети, но и большими переходными токами.
Вероятность безотказной работы конденсаторов в БСК
Срок службы электротехнического оборудования указывается в ГОСТах, технических условиях, руководствах и инструкциях по эксплуатации. При определении срока службы различного электротехнического оборудования руководствуются опытом эксплуатации, расчетами, а чаще всего используют нормы амортизационных отчислений на полное восстановление.
В то же время очень важно знать действительный срок службы электротехнического оборудования и зависимость его от режима работы. Только при наличии таких данных при проектировании и в эксплуатации можно обоснованно принимать наиболее эффективные.
Необходим анализ воздействия переходных процессов при коммутации БСК-110 кВ на срок службы электротехнического оборудования подстанции.
Опыт эксплуатации БСК-110 показал, что коммутационные процессы крайне негативно сказываются на техническом состоянии конденсаторов, посредством которых эта коммутация осуществляется [1].
В известной научно-технической литературе отсутствует однозначное объяснение и наглядное представление зависимости срока службы и вероятности безотказной работы батареи статических от переходных процессов при коммутации БСК-110, от типа выключателя в цепи БСК-110 и от параметров режима и сети [80].
Анализировался опыт эксплуатации конденсаторов серии КС1-0,66-20-1У1, КС-2-1,05-60-1У1, КЭК1-1,05-63-1У1 в ООО «Башкирэнерго» на подстанциях «Субханкулово», «Языково» и «СибПП» соответственно.
При исследовании воздействия переходных процессов при коммутации батареи статических конденсаторов (БСК) 110 кВ на срок службы электротехнического оборудования подстанции фиксировались следующие отказы конденсаторов в составе конденсаторных батарей: – потеря герметичности, течь изоляционной жидкости в сварных швах корпуса или в пайках; – вздутие корпусов банок; – срыв колпачка или трещины в опорных изоляторах; – внутренний пробой с перегоранием плавких предохранителей; – внутренние обрывы и повреждения; – попадание птиц между выводами конденсаторов, что приводит к взрыву банок.
Электрическим конденсатором называется устройство, состоящее из двух (или нескольких) проводников или обкладок, разделенных диэлектриком. Основное свойство конденсатора — это его емкость, т.е. способность накапливать и удерживать на обкладках электрический заряд. Емкость конденсатора зависит от его геометрических размеров (от площади обкладок и расстояния между ними) и от рода диэлектрика, разделяющего обкладки (от диэлектрической проницаемости). Единицей емкости является фарад, но обычно пользуются более мелкой единицей — микрофарадом [8, 9].
Конденсаторы большой емкости состоят из нескольких параллельно соединенных единичных конденсаторов, называемых секциями. Конденсаторы высокого напряжения состоят из ряда последовательно (или параллельно-последовательно) соединенных секций, называемых банками [21]. Статистические данные за период с начала службы до 2010 г. были взяты из эксплуатационной документации (паспорта, протоколы испытаний, виброграммы, журнала учета ремонтов, дефектные ведомости, акты ремонтов и т.д.). В таблицах 1.1 и 1.2 приведены данные по установленному электротехническому оборудованию в цепи БСК-110. Анализ эксплуатационных данных показывает, что лидером среди причин отказов является потеря герметичности, течь изоляционной жидкости в сварных швах корпуса или в пайках. Данный тип отказов обусловлен заводскими дефектами, несоответствием климатическим условиям и категории размещения и не определяется способом ограничения переходных процессов при коммутации БСК-110, типом выключателя в цепи БСК-110, а также параметрами режима и сети. Таблица 1.1 – Данные по конденсаторам в БСК-110 на ПС 35–110 кВ ООО «Башкирэнерго»
Основываясь на данных таблиц 1.1 и 1.2, на примере ПС «Субханкулово» стоит рассмотреть полученные данные, так с момента ввода в 1974 г. по 01.01.2011 г. из строя вышло 1031 шт. конденсаторов БСК-110. Фактическое количество конденсаторов без дефектов составляет 1405 шт. Это лишь 57,7 % от первоначально введенного количества. Далее по числу отказов идут дефекты, связанные с вздутием корпусов банок конденсаторов и внутренними пробоями с перегоранием плавких предохранителей, соответственно. На данной подстанции до реконструкции и полной замены в год браковалось в среднем 1 % (24 шт.) конденсаторов от общего количества первоначально установленных конденсаторов, что говорит о высокой вероятности выхода из строя конденсаторов и, очевидно, о неправильном выборе режима загрузки конденсаторов без учета износового старения. Особую опасность в эксплуатации представляет отключение из-за перегорания встроенных предохранителей нескольких конденсаторов из числа параллельно включенных и составляющих секцию. Это приводит к перераспределению напряжения по последовательно соединенным секциям, к перегрузке оставшихся неповрежденных конденсаторов этой секции и, как следствие, к ускоренному выходу из работы. Также стоит отметить, что согласно проведенным измерениям емкость конденсаторов данного типа уменьшается в среднем на 2-3 мкФ в год.
Важнейшей характеристикой качества конденсатора является его электрическая прочность, так как если емкость конденсатора несколько отклоняется от нормального значения или увеличиваются потери, то такой конденсатор еще будет работать. В случае, если нарушается его диэлектрическая прочность и происходит пробой диэлектрика, и между его обкладками устанавливается короткое замыкание, то это может привести к аварии как в самом конденсаторе, так и в электрической сети, к которой он присоединен.
Алгоритм механического разноса высоковольтного выключателя
После механического разноса установленного выключателя типа LTB-145 на ПС «СибПП» ООО «Башкирэнерго» и последующего измерения временных и скоростных характеристик были получены неизменные следующие экспериментальные данные, представленные в таблице 4.1, полностью подтверждающие проведенные расчеты, обеспечивающие требуемый режим работы с разновременностью в 1,12 и 1,34 мс, что было определено механическими ограничениями конкретного привода выключателя [78], и согласно разработанной математической модели и алгоритму разноса требуемые взаимные углы составляют 90, 87,5, 84,8. Расчет отклонения приведен в приложении Д, для математической модели механического разноса абсолютное отклонение среднего значения составляет 0,115 мс, относительное отклонение среднего значения – 15,97 %.
Основным документом, регламентирующим испытания высоковольтных выключателей, предназначенных для управляемой коммутации в том числе прошедших механический разнос, является IEC62271-302 [101-104, 106, 109], стоит отметить, что российского аналогичного ГОСТ по состоянию на 01.01.2014 не существует. Согласно данному документу [103], следует руководствоваться следующим правилом: все испытания и требования, выполняемые для выключателя в целом согласно IEC 62271-100 или российскому ГОСТ 52565 2006 [22], должны быть проведены и выполнены для выключателя с пополюсным управлением или прошедшим механический разнос для каждого полюса. Дополнительно кроме общих требований для каждого полюса необходимо выполнять дополнительные тесты на управляемую коммутацию с целью определения обеспечения нормируемых параметров при различных внешних условиях, таких как температура окружающей среды, напряжение электромагнитов включения/отключения, давления и т. д.
В токоведущей системе выключателя размыкающий контакт (или группа контактов) служит для замыкания и размыкания цепи тока в этой системе при изменении коммутационного положения аппарата [44, 113]. Размыкающий контакт (контактная система) конструктивно представляет собой узел, в котором электрический контакт между подвижными и неподвижными элементами при замкнутом положении осуществляется за счет их сжатия внешними упругими силами, обычно силами контактных пружин; подвижные элементы контактных систем кинематически связаны с ведущими звеньями приводного механизма выключателя.
В связи с тем, что перечисленные процессы, влияющие на контактную систему, не изменяются, то дополнительного проверочного расчета при коммутации конденсаторной батареи не требуется. Таким образом, согласно международным руководящим документам требуются дополнительные заводские и полевые испытания высоковольтных выключателей при их применении для управляемой коммутации, что сегодня на территории Российской Федерации не выполняется, так как сертификация выполняется лишь по ГОСТ 52565-2006.
Проведя многочисленные расчеты при моделировании процессов коммутации БСК-110, были сделаны выводы о благоприятных моментах включения и отключения в зависимости от наличия или отсутствия разновременности, а также положения точки коммутации на осциллограмме тока или напряжения.
Были рассмотрены режимы, отражающие способы отключения и параметры высоковольтного выключателя:
1. Измерения на пробойном состоянии без разноса. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание обязательно возникали (81% случаев), при этом все три полюса отключались одновременно.
2. Измерения на предпробойном состоянии без разноса. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание возникали только в определенных критических точках на осциллограмме тока и напряжения (38% случаев), при этом все три полюса отключались одновременно.
3. Измерения на предпробойном состоянии с разносом в противофазе. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание возникали только в определенных критических точках на осциллограмме тока и напряжения (38 % случаев). При этом все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов различно.
4. Измерения на пробойном состоянии с разносом в противофазе. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание обязательно возникали (66 % случаев), при этом все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов различно.
5. Измерения на предпробойном состоянии с разносом в правильной фазе. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание возникали только в определенных критических точках на осциллограмме тока и напряжения (38 % случаев). При этом все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов идентично [79].
Сводные данные по максимальным значениям при отключении и включении приведены в приложении Г, дискредитация в 1 мс и, следовательно, в 18 электрических градусов, определение моментов начала отключения относительно первого базового полюса.
При номинальной нагрузке в 300 А максимальное значение тока в 622,88 А получено при отключении третьего по очередности полюса в режиме измерения на предпробойном состоянии с разносом в правильной фазе при –90 электрических градусов по осциллограмме тока. Максимальное значение напряжения между контактами выключателя составило 186 кВ при отключении второго по очередности полюса, в режиме измерения на пробойном состоянии с разносом в противофазе при 18 электрических градусов по осциллограмме тока. Максимальное значение фазного напряжения на БСК-110 составило 187 кВ при отключении второго по очередности полюса, в том же режиме при –126 электрических градусов по осциллограмме тока. Результаты моделирования сходятся с экспериментальными данными.
Благоприятные моменты коммутации
Батарея, предназначенная для выдачи реактивной мощности в сеть 110 кВ, выполняла несвойственные ей функции фильтра высших гармоник [32]. Следует также обратить внимание на значительные величины импульсов токов при подключении конденсаторной батареи к сети. В работе [34] отмечается, что подключение силового конденсатора к сети сопровождается импульсами тока, которые могут в 5 - 15 раз превысить амплитудное значение тока конденсатора при отсутствии заряда на нем, и в 10 - 30 при его наличии. С целью ограничения импульсов тока в момент подключения конденсаторной батареи используют токоограничительный реактор. Его наличие не решает проблему обеспечения ЭМС установки с сетью, так как могут возникать значительные импульсы тока при подключении второго и последующих конденсаторов [20]. При отключении конденсаторной установки от сети возможно повторное замыкание дуги между контактами выключателя, что может привести к значительным перенапряжениям на конденсаторах. Необходимо избегать длительной работы конденсаторов с перенапряжениями. Даже кратковременная работа конденсаторов при больших перенапряжениях может привести к разрушению диэлектрика [2]. Для ограничения перенапряжений в конденсаторах используются устройства, позволяющие быстро разрядить конденсатор.
1. Исходя из особенностей эксплуатации в случае механического разноса следует говорить о необходимости выбора режима управляемого включения в цепи БСК-110 кВ для элегазовых выключателей, а для масляных и воздушных выключателей - режима управляемого отключения. Вероятность повторных пробоев в элегазовых выключателях сведена к минимуму, а для ограничения пусковых токов решение синхронной коммутации является наиболее подходящим. При наличии в схеме токоограничивающих реакторов выполнять управляемую коммутацию следует в режиме отключения [78]. Данные рекомендации позволяют рационально использовать все достоинства имеющегося на подстанции электротехнического оборудования.
2. По результатам моделирования и экспериментов самым благоприятным моментом с точки зрения наименьшего значения тока включения является диапазон [0;–36), и, (–144;36) и (144;180] электрических градусов по осциллограмме напряжения при включении с разносом в правильную фазу. Наименее благоприятным является оставшийся диапазон [–36;–144] и [36;144]. В диапазоне [180;–18] и [0;18] электрических градусов по осциллограмме тока повторные пробои или зажигания при отключении БСК-110 не происходят. Отключение перед переходом тока через ноль вызывает повторные пробои или зажигания, следовательно, диапазон [–108;0) и [108;180) является недопустимым. Также стоит отметить, что отключение точно в 0 или 180является также опасным, в связи с тем, что в реальности статистический разброс параметров высоковольтного выключателя может привести к коммутации до перехода через ноль и, следовательно, повторному пробою или зажиганию. Оставшийся диапазон (–18;–108) и (18;108) является неоднозначным. Таким образом, используя благоприятные моменты коммутации, достигается минимизация негативного влияния переходных процессов.
3. На основе полученных данных и сравнения с результатами аналогичных исследований установлены связи отдельных элементов системы и характер переходных процессов. Таким образом, рассмотрены и реализованы технические решения для снижения переходных токов при коммутации батарей. Определены условия, при которых в момент коммутации конденсаторных батарей имеют место наибольшие и наименьшие электромагнитные переходные процессы в сети.
1. Разработана математическая модель влияния наличия или отсутствия повторных пробоев и зажиганий, а также бросков тока на срок эксплуатации (ресурс) конденсаторов на основе экспериментальных подтверждений расчетных данных, математической, имитационной моделей коммутации БСК. Используя разработанную модель, получены среднеарифметические значения параметров коэффициента пробоя и коэффициента броска, равные 62,05 и 6085,82 соответственно, что равняется средней арифметической выработке ресурса в 1260 часов при одном повторном зажигании или пробое, а также в 36 часов – при высокочастотном броске тока. Основываясь на полученных закономерность возможно количественно определять уменьшение ресурса, то есть рассчитывать на сколько снижается срок эксплуатации конденсаторов в составе БСК за счет влияния повторных пробоев и зажигания, а также бросков тока, возникающих при коммутации БСК, следует проводить своевременную замену конденсаторов или минимизировать воздействие указанных явлений.
2. Разработаны математическая модель и алгоритм механического разноса выключателей 110 кВ. Созданный алгоритм позволяет на основе научно обоснованных закономерностей осуществлять задание требуемой разновременности между полюсами высоковольтного выключателя при реализации электротехнических комплексов по управляемой коммутации. На основе полученных результатов выявлены существенные ограничения при применении механического разноса и сформулированы практические рекомендации по выбору режима и параметров управляемой коммутации для БСК. Установлено, что механический разнос не обеспечивает одновременного выполнения режимов управляемого включения и отключения, а только один из выбранных режимов, следовательно, необходимо выбирать один конкретный режим исходя из существующих условий.
3. Разработана имитационная компьютерная модель коммутации батареи статических конденсаторов высокого напряжения с учетом повторных пробоев и зажиганий, а также высокочастотных бросков тока. Достигнутые результаты позволили выполнить исследования переходных процессов при коммутации сосредоточенной емкости на примере БСК-110 с наглядным визуальным представлением, осуществить расчет перенапряжений и бросков тока, возникающих при разновременном отключении, таким образом, выявить особенности управляемой коммутации и механического разноса. По результатам моделирования рекомендуется для минимизации значения тока включать БСК в диапазоне [0;-36), и, (-144;36) и (144;180] электрических градусов по осциллограмме напряжения, а для исключения повторных пробоев и зажиганий отключать БСК в диапазоне [180;–18] и [0;18] электрических градусов по осциллограмме тока.
4. Создан программный комплекс для моделирования коммутации батареи статических конденсаторов высокого напряжения выключателями с трехполюсным управлением одним приводом и его механического разноса. Опыт внедрения показывает, что применение программного комплекса в электросетевой организации, эксплуатирующей БСК, позволяет инженерным работникам высокоэффективно производить необходимые наглядные расчеты с минимальными затратами времени.
