ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПУСТИМЫХ ВРЕМЕННЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ИДЕАЛЬНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО СНИЖЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

​INVESTIGATION OF THE PERMISSIBLE TIME DEVIATIONS FROM THE IDEAL CONTROLLED SWITCHING BY A HIGH-VOLTAGE SWITCH FOR EFFECTIVE REDUCTION OF SWITCHING OVERVOLTAGES

Chitaev Dmitry Rinatovich

student, Department of Power Supply and Electrical Engineering, Tolyatti State University,

Russia, Tolyatti

Romanov Vladimir Sergeevich

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Tolyatti State University,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

При коммутации электрической цепи высоковольтными выключателями возникают переходные процессы, которые могут сопровождаться перенапряжениями и бросками тока. Наиболее эффективным методом ограничения коммутационных перенапряжений является управляемое коммутация, поскольку величины возникающих переходных процессов сильно зависят от моментов коммутации выключателя. Целью работы является определение допустимых временных отклонений моментов коммутации выключателя, при которых данный метод для снижения коммутационных перенапряжений показывает высокую эффективность. Цель достигается путем создания математической модели высоковольтного выключателя с возможностью пофазной настройкой времени отключения. Также эта модель симулирует дуговые процессы, происходящие в высоковольтном выключателе. Результаты моделирования показали, что эффективное снижение коммутационных перенапряжений достигается при временных отклонениях в коммутации до ±2,0 мc от «идеальной» коммутации.

ABSTRACT

When switching an electrical circuit with high-voltage switches, transients occur, which can be accompanied by overvoltages and surges of current. The most effective method of limiting switching overvoltages is controlled switching, since the magnitude of the transient processes that occur strongly depends on the switching moments of the switch. The purpose of the work is to determine the permissible time deviations of the switching moments of the switch, at which this method for reducing switching overvoltages shows high efficiency. The goal is achieved by creating a mathematical model of a high-voltage circuit breaker with the possibility of phase-by-phase adjustment of the shutdown time. This model also simulates arc processes occurring in the switch. The simulation results showed that an effective reduction in switching overvoltages is achieved with time deviations in switching up to ± 2.0 ms from the "ideal" switching.

Ключевые слова: управляемая коммутация, коммутационные перенапряжения, токоограничивающий реактор, математическая модель, высоковольтный выключатель, временные отклонения.

Keywords: controlled switching, switching overvoltages, current limiting reactor, mathematical model, high-voltage switch, time deviations.

ВВЕДЕНИЕ

При коммутации электрической сети высоковольтными выключателями возникают следующие явления: срез тока при отключении, предварительные пробои при включении, повторные зажигания дуги при отключении и виртуальный срез тока. Кроме того, на величину перенапряжений и бросков тока оказывает влияние неодновременность срабатывания полюсов аппарата [2].

Эти явления могут порождать в электрической сети высокочастотные перенапряжения с крутым фронтом волны, которые могут передаваться со стороны высокого напряжения (ВН) на сторону низкого напряжения (НН) через емкости обмоток силовых трансформаторов, в случае отсутствия в них электростатических экранов [6].

Как известно, высокочастотные перенапряжения многократно усиливаются при переходе через токоограничивающий реактор. В результате эти высокочастотные перенапряжения оказывают сильное негативное воздействие на сам токоограничивающий реактор и оборудование, стоящее в электрической цепи после него, которые способны нарушить работу данных устройств, вплоть до выхода их из строя [3].

Одним из наиболее эффективных методов борьбы с коммутационными перенапряжениями является применение управляемой (синхронной) коммутации высоковольтными выключателями [7].

Целью данной работы является определение допустимых временных отклонений от идеальной управляемой коммутации высоковольтным выключателем, в рамках которых применение данного метода для снижения коммутационных перенапряжений имеет смысл.

Исследование переходных процессов при неуправляемой и управляемой коммутации

Для учета явлений, порождающих высокочастотные процессы при коммутации, создана имитационная модель высоковольтного выключателя В‑500кВ в трехфазном исполнении, которая представлена на рисунке 1.

1 – силовые контакты выключателя; 2 – электрическая дуга между контактами; 3 – блок задания момента времени коммутации; 4 – блок формирования команды на повторные зажигания и погасания дуги; 5 – блок формирования команды на погасание дуги при срезе тока

Рисунок 1. Имитационная модель высоковольтного выключателя В-500кВ

Параметры модели высоковольтного выключателя В-500кВ:

- срез тока до его естественного перехода через ноль составляет 5 А [5];

- скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка описывается линейной зависимостью и изменяется со скоростью 5 кВ/мкс [4];

- максимальная скорость изменения тока для выключателя, при которой возможно погасание электрической дуги, имеет значение 27 А/мкс [1];

В имитационной модели выключателя сделаем допущение, что разброс времени срабатывания между полюсами выключателя отсутствует.

Расчетная схема для исследования перенапряжений, передаваемых с высокой стороны на сторону низкого напряжения представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Расчетная схема для исследования перенапряжений

Параметры расчетной схемы:

- катушечная емкость реактора С_к = 0,13 нФ/6 = 0,02166 нФ;

- катушечная индуктивность реактора L_к = 2,862 мГн/6 = 0,477 мГн;

- емкости реактора на землю для цепочной П-схемы замещения для фаз А, В, С, С_{з ф.А} = (0,1 нФ/12), С_{з ф.В} = (0,14 нФ/12), С_{з ф.С} = (0,12 нФ/12);

- индуктивность ошиновки 13,8 кВ L_{ошиновки} = 19 мкГн;

- параметры ошиновки 500 кВ включаемого силового трансформатора RLC_{ошиновки} = 0,23 Ом / 0,739 мГн / 0,00345 мкФ;

- суммарная емкость ошиновки 500 кВ С_{ошиновки_сум} = 0,5 мкФ;

- межобмоточная емкость ТГ С_ВН-НН = 2,4 нФ;

- емкость обмотки ТГ на землю С_НН = 9 нФ;

- емкость обмотки ВН ТБ на землю по измерениям С_зТБ = 0,337 нФ;

- емкость между выводами реактора фаз А-В, В-С, С-А, С_А-В = 0,09 нФ, С_В‑С = 0,094 нФ, С_С-А = 0,075 нФ;

- сопротивление заземления R_з = var(0,1-100) Ом;

- параметры RL_{системы}: U_л = 500 кВ, f = 50 Гц, R_c = 0,2 Ом, L_с = 0,043 Гн;

- параметры ТГ: S_н = 135 МВА, U₁ = 525 кВ, U₂ = 13,8 кВ, R_µ = 1,06∙10³ о.е., R₁ = R₂ = 1,87∙10^‑3 о.е., L₁ = L₂ = 6,04∙10^-2 о.е., L_µ = 3,06∙10² о.е.;

- параметры ТБ: S_н = 630 кВА, U₁ = 13,8 кВ, U₂ = 0,4 кВ, R_µ = 4,06∙10² о.е., L_µ = 4,26∙10² о.е., R₁ = R₂ = 5,40∙10^‑3 о.е., L₁ = L₂ = 2,95∙10^-2 о.е.;

- параметры RC_{цепочка} = 2000 Ом / 0,3 мкФ, ОПН класса 15 кВ;

- параметры асинхронного двигателя МНУ: P_н = 110 кВт, U_н = 0,4 кВ.

Группа однофазных силовых трансформаторов ТГ в своей конструкции не имеют электростатических экранов, поэтому имеется емкостная проводимость C_вн-нн между обмотками высокого и низкого напряжения.

Расчетная схема токоограничивающего реактора L_к1-к6 представляет собой аналог линии с распределенными параметрами, которая имитируется последовательно включенными ячейками с сосредоточенными параметрами.

Результаты моделирования представлены на рисунках 3-9. Для оценки эффективности применения управляемой коммутации с различными временными задержками сравним полученные результаты с осциллограммами при неуправляемом отключении высоковольтного выключателя. Сравнение результатов моделирования при управляемой и неуправляемой коммутации представлены в таблице 1.

 (А)                                                               (Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 3. Результаты моделирования при задержке в управляемом отключении по фазам высоковольтного выключателя В-500кВ равной t → 0 мc

(А)                                                                      (Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 4. Результаты моделирования при задержке в управляемом отключении по фазам высоковольтного выключателя В-500кВ равной t = ±0,5 мc

(А)

(Б)                                                               (В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 5. Результаты моделирования при задержке в управляемом отключении по фазам высоковольтного выключателя В-500кВ равной t = ±1,0 мc

(А)                                                                (Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 6. Результаты моделирования при задержке в управляемом отключении по фазам высоковольтного выключателя В-500кВ равной t = ±1,5 мc

(А)                                                                (Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 7. Результаты моделирования при задержке в управляемом отключении по фазам высоковольтного выключателя В-500кВ равной t = ±2,0 мc

 (А)                                                               (Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 8. Результаты моделирования при задержке в управляемом отключении по фазам высоковольтного выключателя В-500кВ равной t = ±2,5 мc

 (А)                                                               (Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 9. Результаты моделирования при неуправляемом отключении высоковольтного выключателя В-500кВ

Таблица 1.

Сводная таблица результатов моделирования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эффективное снижение коммутационных перенапряжений при помощи управляемой коммутации высоковольтного выключателя происходит при временных отклонениях в коммутации равным ±2,0 мc от «идеальной» коммутации. В этом случае, применение данного метода позволяет ограничить уровень перенапряжений более, чем на половину.

При временных задержках в интервалах от ±2,0 мc до ±2,5 мc рассматривать применение управляемой коммутации для снижения коммутационных перенапряжений рекомендуется только, если другие методы по снижению уровня перенапряжений в сети уже применены и (или) требуется дополнительные мероприятия по ограничению перенапряжений по условию сохранности оборудования.

Если разброс во времени отключении выключателя составляет более, чем ±2,5 мc, применение управляемой коммутации нецелесообразно.

Список литературы:

1. Аверьянова С.А., Акатнов Н.И., Тонконогов Е.Н. Моделирование теплообмена при взаимодействии потока газа с электрической дугой отключения в высоковольтных элегазовых выключателях // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, октябрь, 2006 – 33-36 с.
2. Базавлук А.А., Сарин Л.И., Михайловский Г.Г., Наумкин И.Е., Гоголюк В.В. Перенапряжения при коммутациях вакуумных выключателей // Энергоэксперт. – 2011. – № 2. – С. 27-32.
3. Волков М.С., Гусев Ю.П. Оценка влияния характеристик токоограничивающего реактора на переходные восстанавливающиеся напряжения на контактах высоковольтного выключателя при отключении токов короткого замыкания [Электронный ресурс] : Электронный научно-технический журнал «Наука и образование», 2013. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-vliyaniya-harakteristik-tokoogranichivayusc hego-reaktora-na-perehodnye-vosstanavlivayuschiesya-napryazheniya-na-kontaktah.
4. Номинальные параметры элегазовых выключателей высокого напряжения [Электронный ресурс] // Сайт научных публикаций poznayka.org. URL: https://poznayka.org/s102965t2.html.
5. Рекомендации по эксплуатации и выбору выключателей, работающих в цепи шунтирующих реакторов / РД 153-34.3-47.501-2001 : утв. Департаментом электрических сетей РАО «ЕЭС России» 06.07.2001. - М.: Изд-во СПО ОРГРЭС, 2001. – 8 с.
6. Nitu M.C., Nicolae I.D., Nicolae M.S., Mircea P.M. Overvoltages Transmitted in the Transformer Windings on the Lightning Impulse – An Analytical Method for Determination and Experimental Measurements [Электронный ресурс] : international, peer-reviewed, open access journal «Applied Sciences», May, 2025, – 16 p. URL: https://doi.org/10.3390/app15115861.
7. Sood D. Reduction of Switching Over Voltages in H.V. Transmission Line [Электронный ресурс] : International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 4, Issue 6, June, 2013 – P. 64-68. URL: https://studylib.net/doc/18187445/reduction-of-switching-over-voltages-in-h.v. -transmission...