Содержание к диссертации
Введение
1. Экспериментальное исследование перенапряжений в сетях электрических и насосных станций 12
1.1. Общая характеристика исследуемых сетей 12
1.2. Характеристики коммутируемых присоединений 16
1.3. Подготовка, методика и условия проведения измерений 19
1.4. Процессы, сопровождающие включение электродвигателя 24
1.5. Процессы, сопровождающие отключение развернувшегося электродвигателя 34
1.6. Процессы, сопровождающие отключение неразвернувшегося электродвигателя 39
1.7. Выводы по первому разделу 46
2. Компьютерное исследование перенапряжений, возникающих при включении электродвигателя 50
2.1. Постановка задачи 50
2.2. Расчетная схема и математическая модель исследуемых явлений 50
2.3. Включение первой фазы 60
2.4. Включение второй фазы 67
2.5. Включение третьей фазы 76
2.6. Ограничение перенапряжений с помощью ОПН и ЯС-цепочек 79
2.7. Выводы по второму разделу 82
3. Компьютерное исследование перенапряжений, возникающих при отключении неразвернувшегося электродвигателя 84
3.1. Постановка задачи 84
3.2. Математическая модель процессов и характеристики вакуумной камеры 85
3.3. Неограниченные перенапряжения 89
3.4. Ограничение перенапряжений с помощью ОГШ 107
3.5. Ограничение перенапряжений с помощью і?С-цепочек 115
3.6. Выводы по третьему разделу 119
4. Исследование витковых перенапряжений, сопровождающих коммутации электродвигателя вакуумным выключателем 122
4.1. Постановка задачи 122
4.2. Витковая изоляция электродвигателей и ее электрическая прочность 123
4.3. Воздействие импульсных перенапряжений на изоляцию обмоток электродвигателей 126
4.4. Стандартизация в области импульсных испытаний изоляции обмоток электрических машин 129
4.5. Моделирование и расчет импульсных перенапряжений 136
4.6. Ограничение витковых перенапряжений с помощью ЯС-цепочек 157
4.7. Выбор испытательных напряжений витковой изоляции 162
4.8. Выводы по четвертому разделу 165
Заключение 168
Список использованных источников
- Характеристики коммутируемых присоединений
- Расчетная схема и математическая модель исследуемых явлений
- Математическая модель процессов и характеристики вакуумной камеры
- Воздействие импульсных перенапряжений на изоляцию обмоток электродвигателей
Введение к работе
В последние годы мировая практика электроаппаратостроения ориентируется на направление, связанное с применением новых нетрадиционных видов изоляции. В области создания коммутационных аппаратов наметилась четкая тенденция использования новых дугогасящих сред. Для электрических сетей напряжением 6-35 кВ в настоящее время доминирующими стали вакуумные выключатели (ВВ). Так, доля ВВ в общем количестве выпускаемых аппаратов в странах Европы и США достигает 70%, в Японии - 100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и в настоящее время составляет более 50% [1].
Не исключением стало широкое использование ВВ 6-10 кВ в схемах управления электродвигателями (ЭД), в том числе и в схемах собственных нужд (СН) электрических станций. Необходимость частых коммутаций электродвигателей СН на тепловых, конденсационных, компрессорных и насосных станциях предопределяет использование именно вакуумной техники.
Вакуумные выключатели имеют ряд преимуществ перед традиционно применяемыми в средних классах напряжения масляными и электромагнитными выключателями: полная взрыво- и пожаробезопасность, экологическая чистота; большой коммутационный и механический ресурсы; компактность и быстродействие. Однако, наряду с перечисленными достоинствами, ВВ имеют и недостатки.
Их основным недостатком считается возможность генерирования перенапряжений при коммутациях индуктивных токов. За счет «жесткого» дугогаше-ния (связанного с возможностью погасания дуги в момент перехода тока через нуль в переходном процессе, сопровождающем ее повторное зажигание) их использование в схемах СН электрических станций может стать причиной преждевременного старения изоляции присоединений с ЭД и даже полного ее разрушения.
Изоляция вращающихся машин, с точки зрения электрической прочности является наиболее слабым элементом сети СН. В процессе эксплуатации, вследствие ряда неблагоприятных воздействий, электрическая прочность этой изоляции существенно снижается. К неблагоприятным факторам, ускоряющим процесс старения изоляции, можно отнести частые и тяжелые пусковые режимы ЭД, их эксплуатацию в условиях загрязненной и увлажненной среды, повышенную вибрацию, перегревы и т.п.
Все эти факторы приводят к снижению первоначального уровня изоляции электродвигателей, появлению мест с ослабленной изоляцией, что существенно повышает вероятность их повреждения при воздействии перенапряжений.
В соответствии с современными представлениями, существуют следующие механизмы возникновения перенапряжений при коммутациях ВВ электрических машин:
при множественных пробоях межконтактного промежутка при включении ЭД;
при срезе тока, сопровождающем отключение развернувшегося или неразвернувшегося двигателя;
при повторных зажиганиях дуги и возникновении эскалации напряжения при отключении двигателя в пусковом режиме;
при виртуальных срезах пусковых токов, сопровождающих процесс отключения неразвернувшегося двигателя.
На современное представление о причинах возникновения перенапряжений и способах защиты от них значительное влияние оказали труды В.А. Воздвиженского, К.И. Кузьмичевой, Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина и др.
В частности, некоторые авторы утверждают, что использование таких защитных аппаратов, как нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), снимает проблему коммутационных перенапряжений вне зависимости от типа применяемого выключателя.
Тем не менее, в эксплуатации нередки случаи, когда после замены маломасляных или электромагнитных выключателей на вакуумные, повреждаемость статорных обмоток электродвигателей при их коммутациях возрастает. Это свидетельствует о несовершенной координации характеристик защитных аппаратов (ОПН) с уровнями воздействующих перенапряжений.
Ситуация осложняется и тем, что в настоящее время опубликовано небольшое число экспериментальных работ, посвященных анализу перенапряжений, сопровождающих коммутации электродвигателей ВВ.
За период 1999-2003 г. специалистами ОАО «Транснефтьналадка» и ОАО «Сибтехэнерго» при непосредственном участии автора диссертации был проведен ряд исследований, посвященных экспериментальному определению уровней коммутационных перенапряжений в сетях электрических и насосных станций. Осциллографирование перенапряжений при коммутациях ВВ проводилось в электрических сетях двух нефтеперекачивающих станций и в сети СН одной теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).
Экспериментальные исследования позволили выявить основные закономерности развития перенапряжений при характерных коммутациях: включении электродвигателя; отключении вращающегося на номинальных оборотах электродвигателя; отключении электродвигателя в пусковом режиме с минимальной задержкой времени между моментами замыкания и размыкания контактов выключателя, т.е. при практически заторможенном роторе ЭД.
Осциллографирование процессов проводилось на присоединениях с ЭД различной мощности при разных длинах питающих кабелей, что позволило накопить значительный статистический материал и необходимые данные для последующего моделирования процессов на ЭВМ.
На основе экспериментальных исследований были составлены математические модели исследуемых явлений и проведены компьютерные исследования перенапряжений, возникающих при различных коммутациях, как при отсутствии, так и при наличии мер защиты от них.
Основная цель настоящей работы: экспериментальное, аналитическое и компьютерное исследование коммутационных перенапряжений, инициируемых ВВ, и разработка мероприятий по их снижению до допустимого в условиях эксплуатации уровня.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
проведены эксперименты в реальных сетях СН ТЭЦ и насосных станций, позволившие получить необходимые исходные данные для решения поставленной задачи;
осуществлен подробный анализ экспериментальных осциллограмм переходных процессов, сопровождающих коммутации высоковольтных электродвигателей СН электрических и насосных станций ВВ, в том числе осциллограмм с эскалацией напряжений при отключении заторможенных двигателей. Определены наибольшие уровни и характер возникающих перенапряжений;
на основе экспериментальных данных разработаны математические модели, позволяющие исследовать коммутационные перенапряжения при различных параметрах присоединений с ЭД и характеристиках ВВ;
проанализированы электромагнитные переходные процессы, возникающие при повторных пробоях вакуумного промежутка, сопровождающих включение заторможенного электродвигателя;
исследованы перенапряжения, связанные с отключением неразвер-нувшегося электродвигателя ВВ;
разработана математическая модель, учитывающая распределенность параметров электродвигателя, и рассмотрены переходные процессы в обмотках электрических машин при воздействии импульсных перенапряжений;
оценена эффективность действия аппаратных средств ограничения перенапряжений - ОПН и ЯС-цепочек. Определены требования к этим защитным аппаратам;
по результатам экспериментов и расчетов предложены мероприятия,
позволяющие увеличить эксплуатационный ресурс статорной изоляции обмо
ток электродвигателей.
Научная новизна основных положений и результатов работы может быть сформулирована следующим образом.
Количество повторных пробоев, сопровождающих процесс включения заторможенного двигателя, существенно зависит от скорости смыкания и явления дребезга контактов, т.е., в основном, от конструктивных особенностей привода выключателя.
Применение для защиты изоляции ЭД от перенапряжений аппаратов типа ОПН не исключает возможности падения на обмотку двигателя волны напряжения с крутым фронтом и последующего повреждения его витковой изоляции.
Эффективное ограничение перенапряжений на главной изоляции вращающихся машин возможно лишь при установке ОПН на их выводах. На присоединениях с длиной КЛ не более 25-30 м приемлемый уровень ограничения перенапряжений может быть достигнут при подключении ОПН непосредственно за выключателем присоединения.
Практическая значимость результатов работы:
по натурным осциллограммам процессов коммутаций определены ос
новные характеристики вакуумных дугогасительных камер фирмы «Siemens»
выключателей ВБКЭ: ток среза; скорость восстановления электрической проч
ности межконтактного промежутка после погасания дуги промышленной час
тоты; критическая скорость отключаемого высокочастотного тока, при котором
дуга гаснет. Полученные характеристики дополняют немногочисленные дан
ные заводов-изготовителей и научных статей в периодической литературе и мо
гут быть использованы для обоснования параметров математической модели
ВВ при расчетах перенапряжений;
разработаны математические модели, позволяющие провести анализ переходных процессов, сопровождающих коммутации электродвигателей ВВ, выявить наибольшие уровни перенапряжений для данного присоединения и оценить эффективность действия защитных аппаратов. Кроме того, модель электродвигателя с распределенными параметрами может быть использована при обосновании уровней испытательных напряжений витковои изоляции обмоток на заводе-изготовителе;
выдвинут ряд технических мероприятий, обеспечивающих решение поставленной задачи - снижение перенапряжений на изоляции вращающихся машин. Показано, что защита витковои и корпусной изоляции ЭД может быть обеспечена такими аппаратами, как демпфирующие емкости, RC-цепочки и ОПН. Предложены оптимальные схемы подключения этих аппаратов. Кроме технических мероприятий, разработан комплекс рекомендательных мер как для производителей ВВ и вращающихся машин, так и для организаций, эксплуатирующих электроустановки с ЭД. Комплекс мер направлен на повышение надежности эксплуатации изоляции электродвигательных присоединений.
Достоверность результатов работы основывается на использовании результатов натурного эксперимента, разработке достаточно полных математических моделей, описывающих переходные процессы при коммутациях электродвигателей ВВ, а также на практически полном согласии результатов расчетов с экспериментальными данными.
Апробация работы и публикации. Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждались на семинарах кафедры ТиЭВН и факультета Энергетики НГТУ, на Всероссийских конференциях в г. Новосибирске, а также на Всероссийской конференции молодых специалистов научных и проектных организаций НПК РАО «ЕЭС России» в с. Дивноморское Краснодарского края. Всего опубликованных работ - 9, в том числе по теме диссертации - 9, из них: 2 - научных статьи, 7 - тезисов докладов на научных конференциях.
10 Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, четырех приложений и списка использованных источников, содержащего 69 наименований. Объем работы составляет 217 страниц, включая 123 рисунка и 28 таблиц.
Первый раздел посвящен экспериментальному исследованию коммутаций, осуществляемых вакуумными выключателями. Приведены характеристики сети и коммутируемого оборудования, описана методика и условия проведения измерений. На основе большого количества экспериментальных осциллограмм процессов, сопровождающих различные коммутации, пояснена физическая картина возникновения перенапряжений.
Второй раздел работы посвящен исследованию процессов включения, сопровождающихся повторными пробоями в ВДК. Компьютерное моделирование процессов позволило рассмотреть более широкий круг схем и зачастую уточнить физику возникновения перенапряжений. В разделе также рассматриваются мероприятия, позволяющие снизить негативное влияние перенапряжений на изоляцию электродвигателей.
В третьем разделе анализируются переходные процессы, возникающие при отключении ВВ неразвернувшегося электродвигателя. Проведен анализ влияния характеристик ВДК и параметров присоединения на уровни перенапряжений. Выявлена эффективность аппаратных средств защиты от перенапряжений - ОПН и ЯС-цепочек. Выдвинуты требования к защитным аппаратам.
В четвертом разделе исследуются импульсные перенапряжения, воздействующие на витковую изоляцию вращающихся машин, коммутируемых ВВ. Проведен обзор литературы, рассмотрены основные причины дефектов ВИ, отражены результаты исследований ее электрической прочности. Приведены характеристики выдерживаемых изоляцией ЭД импульсных перенапряжений, нормируемые различными стандартами. В результате компьютерного моделирования и расчетов предложены мероприятия, направленные на снижение вы-
11 сокочастотных перенапряжений, воздействующих на витковую изоляцию электродвигателей при их коммутациях.
В приложении 3 проведено обобщение результатов исследований перенапряжений на главной и на витковой изоляции вращающихся машин, коммутируемых ВВ, и приведены наиболее рациональные схемы защиты.
В приложении 4 приведены три акта внедрения результатов диссертационной работы.
Положения, выносимые на защиту:
выбор средств защиты изоляции электродвигателей, коммутируемых вакуумными выключателями, возможен лишь при анализе перенапряжений, воздействующих как на корпусную, так и на витковую изоляцию вращающихся машин;
наиболее опасные для изоляции ЭД перенапряжения возникают при включении ЭД ВВ, поскольку каждое включение сопровождается повторными пробоями вакуумного промежутка и возникновением высоких кратностей перенапряжений на витковой изоляции первых статорных катушек;
в эксплуатации важно тщательно следить за техническим состоянием ВВ, своевременно смазывать трущиеся детали привода;
ОПН, устанавливаемый за выключателем присоединения может ограничить перенапряжения на выводах ЭД до безопасных значений лишь при длине КЛ менее 30 м;
установка ОПН на присоединениях не может обеспечить надежную защиту витковой изоляции электродвигателей от перенапряжений;
надежную эксплуатацию как главной, так и витковой изоляции обмоток статора можно обеспечить путем установки на выводах ЭД демпфирующей і?С-цепочки. Величина емкости 7?С-цепочки может быть в два раза меньше, чем величина емкости, рекомендуемая циркуляром Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» Ц-5-98(э).
Характеристики коммутируемых присоединений
Присоединения насосных станций. Исследование коммутационных перенапряжений производилось на двух нефтеперекачивающих станциях «Западный Сургут» и «Урьевская» (ОАО «Сибнефтепровод»). На каждой из станций было выбрано по одному присоединению с электродвигателем подпорного насоса (ПН) типа «Schorch», мощностью 2000 кВт (табл. 1.1). В качестве коммутационных аппаратов применялись вакуумные выключатели типа ВБКЭ-10 производства НЛП «Элвест», г. Екатеринбург. Защита изоляции двигателей от перенапряжений обеспечивалась нелинейными ограничителями перенапряжений ОПН-10/11 (производства ЗАО «Феникс-88», г. Новосибирск), установленными за выключателями присоединений. Характеристики электродвигателей: тип: KR-7032H-DH06, производство фирмы «Schorch», Германия; РНом = 2000кВт; /Ном= 10кВ;/„ом= 138 А;/пуск//иом = 5,5; "ном = 995 об/мин; к.п.д.= 96,3%; cos р = 0,87; класс изоляции F; степень защиты 1Р54. Характеристики вакуумных выключателей: тип: ВБКЭ(Р)-10/20-1000УЗ, производство НПП «Элвест», г. Екатеринбург; дугогасительные камеры «Siemens»; [/ном = Ю кВ; /Ном = ЮОО А; /Ном.откл. = 20 кА; собственное время включения соб.вкл. = 0,06 с; собственное время отключения соб.ОТКЛ.= 0,06 с; ход подвижного контакта 8 -т- 9 мм. Характеристики ограничителей перенапряжений: тип: ОПН-10/11-10(11) УХЛ 2, ЗАО «Феникс-88», г. Новосибирск; длительно допустимое напряжение Uс = 11 кВ; удельная энергоемкость 3,1 кДж/кВ; вольт-амперные характеристики (ВАХ) ОПН при различных параметрах импульсов тока приведены в табл. 1.2. Временная характеристика ОПН приведена в табл. 1.3.
Присоединения тепловой электростанции. Исследование коммутационных перенапряжений проводилось на одной из секций шин 6 кВ новосибирской ТЭЦ на электродвигателях ленточных конвейеров топливоподачи. Основные характеристики коммутируемых присоединений приведены в табл. 1.4. В качестве коммутационных аппаратов использовались вакуумные выключатели типа ВВТЭ-М-10, производства ОАО «Электрокомплекс», г. Минусинск. Для защиты изоляции двигателей от перенапряжений применялись ОПН-6/6,5 (ЗАО «Феникс-88»). Характеристики вакуумных выключателей: тип: ВВТЭ-М-10-20, производство ОАО «Электрокомплекс», г. Минусинск; дугогасительные камеры КДВХ-10-20; ном = 10 кВ; /ном = 1000 А; /Ном.откл.= 20 кА; собственное время включения соб.вкл.» не более 0,1 с; собственное время отключения соб.откл. не более 0,018 с. ход подвижного контакта 8 ± 1 мм. Характеристики ограничителей перенапряжений: тип: ОПН-6/6,5-10(1) УХЛ 2, ЗАО «Феникс-88», г. Новосибирск; длительно допустимое напряжение Uc = 6,5 кВ; удельная энергоемкость 1,5 кДж/кВ; ВАХ при различных параметрах импульсов тока приведена в табл. 1.5. Временная характеристика ОПН приведена в табл. 1.6.
Общие сведения об организации экспериментов. Все работы по осцилло-графированию перенапряжений выполнялись согласно техническим программам, регламентирующим условия и порядок проведения измерений при характерных коммутациях: включении электродвигателя; отключении вращающегося на номинальных оборотах электродвигателя в режиме близком к режиму холостого хода; отключении неразвернувшегося ЭД в пусковом режиме с минимальной задержкой времени между моментами замыкания и размыкания контактов выключателя, т.е. при практически заторможенном роторе.
Каждая серия содержала от 5 до 15 опытов.
Переходные процессы при коммутациях электродвигателей регистрировались девятиканальным электроннолучевым осциллографом с механической разверткой типа Н023. Осциллограф обеспечивает регистрацию синусоидальных колебаний в диапазоне 0 -5- 50 кГц с максимальной скоростью движения фотоленты в барабанной кассете 50 м/с.
Измерительные входы осциллографа подключались коаксиальными кабелями к низковольтным плечам емкостных делителей напряжения ДН, устанавливаемых в ячейках присоединений с двигателями (рис.1.3). Таким образом, при каждой коммутации измерялись напряжения одновременно трех фаз относительно земли на выводах вакуумного выключателя со стороны коммутируемого присоединения.
Пусковые токи мощных ЭД записывались с помощью лабораторных трансформаторов тока типа УТТ-5, установленных во вторичных цепях штатных трансформаторов тока. Токи развернувшихся двигателей, регистрировались с помощью штатных трансформаторов тока.
Для регистрации токов в ОПН, установленных за выключателем присоединения, последовательно с ними врезались безындуктивные токовые шунты сопротивлением 0,5 (0,27) Ом.
Расчетная схема и математическая модель исследуемых явлений
Расчетная схема, принятая при исследованиях переходных процессов, сопровождающих включение заторможенного электродвигателя ВВ, приведена на рис.2.1. В качестве схемы замещения кабеля, питающего электродвигатель, была принята схема в виде последовательного соединения шести Т-образных ячеек (рис.2.2). Электродвигатель моделировался в виде Г-схемы замещения.
Расчетная схема, принятая при исследовании процессов включения ЭД На рис.2.1 приняты следующие обозначения: eAi еВі еС - э.д.с. источника, принимаемого в виде источника бесконечной мощности; ипЪ ип2 - напряжения на нейтралях источника и двигателя, соответственно; «С _ напряжения на шинах распределительного устройства; ид - напряжения на выводах электродвигателя; 1 , ід, /с -токи в фазах источника; ідвАї ідвВ /ДвС- токи в двигателе; Lc &С — индуктивность рассеивания питающего трансформатора и общее сопротивление цепи, питающей секцию шин; Сц] - фазная емкость кабельных линий и оборудования неотключенных присоединений; Ьд, Сд, Яд — сверхпереходная индуктивность, входная емкость и сопротивление двигателя, моделирующее потери в меди статорных обмоток; Сффд - междуфазная емкость электродвигателя. 2 Щ к к и (ЛГ+1)С Рис.2.2. Схема замещения кабельной линии (N=6): Z-к, К Ос, Сффк- параметры кабеля; и\, u-i... U(N+1) - напряжения на кабеле; і і, /2 ... 1 c/v+l) - токи в кабеле. Параметры элементов расчетной схемы. Индуктивность рассеивания силового трансформатора, питающего секцию шин, определялась по напряжению короткого замыкания следующим образом: (%).j/L_. (2Л) ЮО co-S„OM
Электродвигатели, кабельные и воздушные линии, подключенные к сборным шинам, представлялись в виде сосредоточенной емкости Сш являющейся параллельным соединением емкостей указанных элементов. Фазная емкость электродвигателя оценивалась по эмпирической формуле [19]: Сд=0А4Р , (2.2) здесь Сд выражена в нФ, а номинальная мощность РНом в к т. Сверхпереходная индуктивность двигателя в схеме замещения определялась как: т -г" - JHOM UIOM-COS(P п ЬД ЬД- Г р (2-3) пуск пом Емкостные и индуктивные параметры кабельной линии зависят от сечения кабеля и пропорциональны его длине: Ск=П 1-СКпог, (2.4) LK=l- KM L, (2.5) п-со где п — количество параллельно включенных кабелей в линии; / - длина, км; Скпог и Кпог - погонная емкость и индуктивное сопротивление кабеля согласно табл.2.1 [20]. Таблица 2.1 Параметры трехжильных кабелей с поясной изоляцией и секторными жилами
Сечение кабеля, мм2 70 95 120 150 185 240 Погонная емкостьСкпог, МКФ/КМ 6кВ 0,214 0,247 0,278 0,311 0,343 0,383 кВ 0,165 0,192 0,215 0,238 0,262 0,292
Индуктивное сопротивление ЛГкпог» Ом/км 6кВ 0,080 0,078 0,076 0,074 0,073 0,071 кВ 0,086 0,083 0,081 0,079 0,077 0,075 Для учета процессов затухания в кабеле, его активное сопротивление при /. вч нималось пропорциональным л/ , где /вч- высокая частота процессов в ка беле, определяемая как: J вч (2.6) 2я JLK Ск
В расчетах учитывались также диэлектрические потери в изоляции кабеля. Выключатель моделировался в виде активных сопротивлений Ryj, RVB, Rye (в0 включенном состоянии Ry= 10 Ом, в отключенном Ry= 10 Ом).
Защитные аппараты. В качестве аппаратных мер защиты от перенапряжений в работе рассмотрены ОПН и 7?С-цепочки, подключаемые по схеме «фаза-земля» либо за выключателем присоединения (в точке и\ на рис.2.2), либо непосредственно к выводам ЭД (в точке ид на рис.2.1). Модели защитных аппаратов представлены на рис.2.3.
Ограничитель перенапряжений моделировался в виде нелинейного сопротивления. Ток, протекающий через ОПН, рассчитывался по выражению: 1опн=в иЬ (2-7) в котором В и Ъ - коэффициенты нелинейности, зависящие от вольт-амперной характеристики ограничителя. Защитная RC-цепочка моделировалась в виде последовательно соединенного сопротивления и емкости. Протекающий через нее ток определялся как (2.8) іRC (u-uRC), rRC где URQ - напряжение на емкости, получаемое из решения дифференциального уравнения: (2.9) duRc__i\Rc_ dt CR
Параметры /?С-ограничителя выбирались согласно рекомендациям циркуляра Ц-5-98(э) «О защите от коммутационных перенапряжений при использовании вакуумных выключателей в сетях СН 6 кВ энергообъектов».
Математическая модель процессов и характеристики вакуумной камеры
При исследовании переходных процессов, сопровождающих отключение неразвернувшегося электродвигателя ВВ, была использована та же расчетная схема, что и при исследовании процессов включения заторможенного ЭД (рис.2.1).
Начальные условия, характеризующие напряжения на емкостях и токи в индуктивностях перед отключением первого полюса выключателя, определялись исходя из расчета режима, предшествовавшего коммутации.
Согласно разработанной математической модели процесс отключения неразвернувшегося электродвигателя ВВ содержал следующие стадии: возникновение дуги в вакуумной камере первой отключаемой фазы выключателя в начальный момент разведения контактов; отключение пускового тока промышленной частоты, сопровождаемое срезом тока при его подходе к нулю; восстановление напряжения на контактах ВВ при одновременном росте электрической прочности промежутка; возникновение повторных зажиганий дуги в случае, если восстанавливающееся напряжение на контактах ВВ превышает электрическую прочность межконтактного промежутка; появление при повторных пробоях высокочастотной составляющей тока дуги, которая приводит к снижению полного тока до нулевого значения; повторные гашения дуги в моменты перехода полного тока в выключателе через нулевое значение в зависимости от его скорости подхода к нулю; развитие эскалации напряжений с увеличением количества повторных зажиганий дуги в выключателе.
Прерывание эскалации произойдет при выполнении одного из следующих условий: полный ток в процессе очередного зажигания дуги не переходит через ноль вследствие большой составляющей тока промышленной частоты; полный ток в процессе очередного зажигания дуги переходит через ноль, но не обрывается из-за его высокой скорости подхода к нулю (дальнейших переходов тока через нулевое значение не происходит); контакты отключаемой фазы разошлись на достаточное расстояние, при котором восстанавливающееся на них напряжение не превышает электрическую прочность вакуумного промежутка; установленный на присоединении защитный аппарат (ОПН, ЯС-цепочка) ограничил напряжение, восстанавливающееся на контактах, и тем самым прервал эскалацию перенапряжений. Таким образом, достоверный расчет переходных процессов отключения неразвернувшегося ЭД возможен при наличии трех характеристик вакуумной камеры: тока среза промышленной частоты; скорости восстановления электрической прочности межконтактного промежутка после погасания дуги промышленной частоты; критической скорости отключаемого высокочастотного тока при повтор ных зажиганиях дуги в выключателе, т.е. той максимальной скорости про хождения тока через нулевое значение, при котором дуга гаснет. Расчеты показали, что изменение среза тока в диапазоне 1 + 7 А не оказы вало существенного влияния на уровни перенапряжений. Это согласуется с ре зультатами экспериментальных осциллограмм и связано с достаточно сильным затуханием колебаний напряжения в контуре «индуктивность двигателя - ем кость кабеля». Для иллюстрации, на рис.3.1 приведены расчетные кривые на пряжений на выводах ЭД при различных значениях токов среза (мощность дви гателя 315 кВт, длина кабеля 230 м). На рис.3.2 показан фрагмент эксперимен тальной осциллограммы, соответствующий отключению присоединения с указанными параметрами (присоединение 20 на секции шин 6 кВ ТЭЦ).
Из рис.3.1 и 3.2 видно, что в качестве косвенного критерия для оценки уровня среза тока может быть использовано не только амплитудное значение перенапряжений, но и величина первого броска напряжения, сопровождающего начало переходного процесса отключения. Так, для рис.3.2 значение тока среза составляет около 5 А, что фактически не отличается от величины тока среза, зафиксированной при отключении этого ЭД, вращающегося на номинальных оборотах.
Сопоставление экспериментальных осциллограмм процессов отключения ЭД с расчетными кривыми напряжений позволило сделать вывод о том, что значение среза тока ВВ практически не зависит от величины отключаемого тока, если последний находится в диапазоне 30 -s- 800 Аэфф.
По информации НЛП «Элвест» среднее значение среза тока промышленной частоты для выключателей ВБКЭ с камерами «Siemens» составляет 5 А. Экспериментальные исследования, проведенные на присоединениях ТЭЦ, показали, что диапазон токов среза вакуумных камер КДВХ выключателей ВВТЭ-М находится в пределах 4,5 - - 6,5 А. При расчетах перенапряжений был принят ток среза равный 5 А.
Основная характеристика ВДК, определяющая процесс эскалации напряжения — кривая восстановления электрической прочности межконтактного промежутка - моделировалась следующей линейной зависимостью: Щл.пР.(О = к(і + і0), (3.1) где к — коэффициент, характеризующий скорость восстановления электрической прочности, кВ/мс; /0 - время между моментами начала расхождения контактов и прохождения током промышленной частоты через нулевое значение.
Различные заводы-изготовители ВВ приводят средние значения скорости подвижного контакта при отключении на расстоянии 3/4 хода от замкнутого положения - 1,0 -г 1,9 м/с. Эти значения соответствуют диапазону скорости восстановления электрической прочности, равному 40 -т- 76 кВ/мс. Тем не менее, в ряде работ, например в [15, 21-24], наименьшие значения указанного диапазона лежат несколько ниже - 10 -f- 20 кВ/мс, поэтому при проведении расчетов скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка варьировалась в пределах 20 - - 80 кВ/мс. Время /0 принималось в диапазоне 50... 1000 мкс. На рис.3.3. приведены компьютерные осциллограммы роста электрической прочности при различных значениях параметров к и to.
Воздействие импульсных перенапряжений на изоляцию обмоток электродвигателей
Как видно из рис.4.20, коротким длинам кабеля соответствуют более высокие уровни витковых напряжений. Увеличение перенапряжений на ВИ связано со снижением длительности фронта импульсов напряжения, падающих на обмотку ЭД: чем короче фронт волны, тем большая часть напряжения прикладывается к первой катушке ЭД и тем больше витковые напряжения.
Таким образом, длина кабельной линии является одним из главных факторов, определяющих уровни витковых напряжений.
При длине КЛ менее 160 м для присоединений 10 кВ и менее 100 м для присоединений 6 кВ величина напряжения на первой статорной катушке превышает 50% от величины перепада At/, т.е. будет представлять опасность для витковой изоляции ЭД. При таких длинах кабеля целесообразно предусмотреть меры защиты от витковых перенапряжений.
Результаты расчетов, представленные в табл.4.5 и 4.6, позволяют (при известном значении импульсной электрической прочности ВИ, а также при известном числе витков в катушке ЭД) определить зависимость допустимого для ВИ импульса напряжения (перепада напряжения) на выводах ЭД от крутизны его фронта. В качестве примера ниже приведена последовательность расчета этой зависимости для ЭД Schorch.
Допустимая для ВИ электродвигателя Schorch амплитуда напряжения на первой катушке составляет: 2,88 кВ/виток 6 витков = 17,28 кВ (2,116 ). Согласно табл.4.6, крутизна фронта импульсного напряжения, соответствующая длине кабеля, например, 50 м (сечение 3x120 мм ), равна 0,25 мкс. В соответствии с табл.4.7 величина напряжения на входной катушке ЭД при длине КЛ 50 м достигает 69% от величины перепада AU. Из изложенного следует, что при воздействии на ЭД импульса напряжения с фронтом 0,25 мкс и амплитудой, превышающей АС/ 25,04 кВ (100%; 3,07/фт), значение и\кат превысит 17,28 кВ, т.е. превышает уровень импульсной электрической прочности ВИ. На рис.4.21 приведена характеристика допустимых импульсных напряжений на выводах ЭД Schorch, полученная при варьировании длины кабеля в пре делах 25 200 м (Гф = 0,15 + 0,90 мкс). Там же, для сравнения, показаны кри вые, нормируемые различными стандартами.
Из рис.4.21 видно, что полученная в результате расчетов характеристика хорошо согласуется с кривыми выдерживаемых изоляцией импульсных напряжений, нормируемых различными стандартами. Тем не менее, при расчетах этой же характеристики для ЭД других типов, выяснилось, что незначительное изменение конструктивных параметров вращающихся машин может оказать существенное влияние на кривую выдерживаемых изоляцией импульсных напряжений.
Российским аналогом ЭД Schorch является двигатель АВЗВ-2000-10000-6 (2000 кВт, 10 кВ). Основное отличие двигателя АВЗВ от ЭД Schorch заключается в том, что число витков в его катушках равно 7. Кривая выдерживаемых импульсных напряжений витковой изоляцией ЭД АВЗВ, полученная в результате расчетов, аналогичных расчетам, проведенным для ЭД Schorch, приведена на рис.4.22.
Как видно из рис.4.22, увеличение числа витков в катушке ЭД с «в = 6 до «в = 7 привело к некоторому росту кратностей перенапряжений, выдерживаемых изоляцией ЭД. Таким образом, различные типы ЭД могут иметь различные характеристики импульсной электрической прочности ВИ. В связи с этим следует сделать несколько замечаний, касающихся влияния основных параметров ЭД на уровни витковых перенапряжений.
Анализ характеристик различных ЭД показал, что уровни перенапряжений на витковой изоляции зависят как от номинального напряжения и мощности ЭД, так и от частоты вращения его ротора (от числа пар полюсов).
Увеличение мощности двигателя приводит к увеличению уровней витко-вых напряжений. Это связано с уменьшением числа витков в его катушке. В табл.4.8 приведено количество витков по данным спроектированных машин 6-Ю кВ серий В АО и АТД2. Видно, что большим значениям мощности соответствует меньшее число витков.
