Высоковольтные шунтирующие сопротивления

Высоковольтные шунтирующие сопротивления СОДЕРЖАНИЕ I. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШС стр. 2 II. КОНСТРУКЦИЯ ШС ВВ............................... стр. 3 IV. ПРИМЕНЕНИЕ ШС................................... стр. 13 V. ВЛИЯНИЕ ШС НА ВН НА КОНТАКТАХ.................... стр. 14 ЛИТЕРАТУРА.......................................... стр. 15 I. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Большинство современных воздушных выключателей (ВВШСШС По назначению ШС - - сопротивления, предназначенные для снижения коммутационных перенапряжений; - сопротивления, предназначенные для распределения напряжения между разрывами. Наибольшее распространение получили сопротивления первой группы. Ими снабжаются генераторные выключатели для нейтрализации высоких частот (скоростей) восстанавливающегося напряжения и увеличения тока отключения и сетевые выключатели для этих же целей, а также выключатели для успешного отключения неудалённых коротких замыканий (ВВ 110-330 кВ нуль. Сопротивление, приходящееся на один разрыв выключателя, может изменяться от десятых долей Ома на мощных генераторных выключателях до сотен Ом на сетевых выключателях. используются линейные металлические или керамические сопротивления. Не менее важное значение, особенно для выключателей сверхвысокого напряжения, имеют сопротивления второй группы. Их основное назначение – - ограничивать перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов, реакторов, синхронных компенсаторов, а также при коммутации ненагруженных линий. В отличие от сопротивлений первой группы, вводимых в действие только при отключении, сопротивления второй группы в ряде случаев вводятся при включении (предвключаемые сопротивления). Значения сопротивлений второй группы колеблются от десятков Ом до нескольких тысяч Ом на разрыв. Применяются как линейные, так и нелинейные сопротивления. Сопротивления третьей группы получили в современных ВВ ограниченное применение ввиду интенсивного развития служащих для той же цели делительных конденсаторов. Эти сопротивления составляют обычно несколько сотен тысяч Ом на разрыв. В главе II рассмотрим особенности конструкций сопротивлений, а затем (глава III, IV) основные схемы их подключения и некоторые специфические вопросы, связанные с влиянием ШС на процесс коммутаций выключателя. II. КОНСТРУКЦИЯ ШУНТИРУЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 2. 1. Общие сведения Шунтируюшие сопротивления используются практически во всех современных воздушных выключателях, однако число используемых конструкций сопротивлений весьма ограничено. По роду установки шунтирующие сопротивления классифицируются на три группы: наружной установки, внутренней установки и для работы в средах с высокой электрической прочностью (например, в сжатом воздухе, SF6 , масле и т. п.). По конструктивному исполнению сопротивления можно разделить на две группы: сопротивления с металлическими токоведущими элементами (круглыми или плоскими) и объёмные сопротивления (линейные или нелинейные), выполненные из специальной керамики. В таблице 1 и в таблице 2 приведены необходимые для расчётов характеристики отечественных металлических и изоляционных материалов, применяемых в конструкциях сопротивлений. Наиболее перспективными являются конструкции безындуктивных объёмных шунтирующих сопротивлений. В мировой практике наибольшее распространение получили керамические объёмные сопротивления фирмы «Морганайт», выпуск аналогичных элементов сопротивлений освоен также российской промышленностью. Для современных линейных объёмных сопротивлений достигнута теплоёмкость в единице объёма при адиабатном нагреве до 300 Дж /см 3 , удельное объёмное сопротивление может меняться в широких пределах, от 100 до 3000 Ом . см , что позволяет получать элементы с различным сопротивлением. В России применяются в качестве объёмных сопротивлений также сопротивления из бетэла с объёмной теплоёмкостью около 100 Дж /см 3 . На базе объёмных керамических сопротивлений выпускаются также нелинейные сопротивления, меняющие своё значение в зависимости от приложенного к ним напряжения. Такие сопротивления, как отмечалось выше, весьма эффективны для снижения коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов. Если обозначить через i 1 и i 2 токи, протекающие через нелинейное сопротивление соответственно при напряжениях u 1 и u 2 , то справедливо соотношение i 1 /i 2 = (u 1 /u 2 )m н Минимальное значение m н для нелинейных сопротивлений обычно составляет 2, 8-4. Значение показателя m н для практически не зависят от температуры сопротивления. Для иллюстрации эффективности применения нелинейных сопротивлений при отключении малых индуктивных токов на рис. приведена зависимость кратности перенапряжений от отношения срезанного тока к его амплитуде при нелинейном сопротивлении с характеристическим уравнением i r . I . (u в /E )5 , где IE /( w . L ). Рассмотрим более подробно конструкции сопротивлений различных типов. 2. 2. Сопротивления с металлическими токоведущими элементами На рис. 1 приведена конструкция ШС наружной установки с ленточным токоведущим элементом. Согнутая зигзагообразно лента из нихрома Х20Н80Т со слюдопластовыми прокладками заложена в металлические коробочки, изолированные друг от друга миканитовыми прокладками и собранные в пакет, который в свою очередь помещён в фарфоровую герметизированную покрышку. Пакет сжат пружиной. Подобные сопротивления в 70 Ом используются для выключателей с газонаполненным отделителем для токов отключения вплоть до 31,5 кА . Сопротивления имеют пониженную индуктивность. На рис. 3 изображено ШС наружной установки, которое применяющееся в отечественных ВВ3 из нихрома ОХ23Ю5 с проложенными между сгибами миканитовыми прокладками круглой формы 4 и концевыми латунными контактами сжаты между основанием 1 и крышкой 57 в фарфоровой герметизированной покрышке 26 . Поскольку сам пакет обладает пружинящими свойствами, дополнительных сжимающих приспособлений в этом сопротивлении не требуется. Ввиду большого коэффициента заполнения фарфоровой покрышки сопротивление обладает очень высокой теплоёмкостью. Сопротивление выполняется в 4 и 5 Ом , его индуктивность 0,001 мГн . На рис. 4 приведена конструкция сопротивления 150 Ом наружной установки со спиральным токоведущим элементом, применяемого в отечественных ВВ с газонаполненным отделителем. Спираль 3 , выполненная из хромелевой проволоки ОХ23Ю5 диаметром 1,8 мм , заложена в керамические плитки 2 таким образом, что токи в смежных плитках направлены противоположно. ШС применяются в выключателях с токами отключения до 25 кА из-за относительно большой индуктивности. На показано сопротивление с ленточным токоведущим элементом для генераторных выключателей внутренней установки. Нихромовая лента согнута зигзагообразно, между отдельными зигзагами проложены миканитовые прокладки Весь пакет заключён в текстолитовую коробку с отверстиями для охлаждения и зажат между двумя латунными скобами, являющимися выводами. На рис. 6 тоже приведена конструкция шунтирующего сопротивления со спиральным токоведущим элементом для работы в сжатом воздухе, применяющаяся в отечественных воздушных выключателях с металлической гасительной камерой на высоком напряжении. Спираль 5 , выполненная из нихромовой проволоки Х15Н60мм и предварительно изолированная шестью слоями стеклоленты, намотана на эпоксидный цилиндр 6 , после чего катушка залита эпоксидным компаундом с кварцевым песком в качестве наполнителя. При заливке пропитываются только 2 - 3 слоя стеклоленты, остальные играют роль теплового и механического буфера при прохождении тока. Эпоксидный компаунд играет также роль барьерной изоляции, поскольку всё сопротивление в отключенном положении находится под высоким напряжением по отношению к корпусу камеры. Спираль может наноситься на цилиндр как в виде одной ветви с промежутком между выводами, так и в виде двух параллельных ветвей. Сопротивление имеет две разновидности, 100 и 50 Ом с индуктивностью соответственно 0,2 и 0,1 мГн . Сопротивление при помощи приливов из того же компаунда крепится ко вводу дугогасительной камеры. Неподвижный вспомогательный контакт устанавливается непосредственно на сопротивление и крепится к контактным втулкам 1 , а соединение с другим выводом осуществляется при помощи съёмной перемычки 4 , крепящейся к армированной втулке 32 . для создания надёжного контакта с соседними элементами или контактной арматурой; необходимое контактное нажатие составляет примерно 2,1 кг /см 2 ; боковая поверхность элементов обычно покрывается слоем жаропрочной изоляционной эмали или глазуруется. Блок керамических ШС , применяемых в ВВ с металлической камерой фирмы «Рейролл» состоит из цилиндрических элементов сопротивлений, расположенных по окружности и соединенных между собой последовательно специальной экранной и контактной арматурой, с одной стороны создающей достаточную жёсткость всей конструкции, а с другой – обеспечивающей достаточную электрическую прочность блока по отношению к стенкам камеры. Блок крепится в камерах непосредственно на вводах. На рис. 2 показано шунтирующее сопротивление наружной установки с бетэловым элементом, применяющееся для отечественных выключателей с газонаполненным отделителем. Бетэловый элемент (БЭм и высотой 1 мОм с адиабатным поглощениемэнергии до 5 МДж , индуктивность его составляет 0,2 – 0,5 мГн . Бетэловый элемент помещён в герметизированную фарфоровую покрышку, закрытую по торцам фланцами. На рис. 7 приведено нелинейное ШСВВ внутренней установки напряжением 35 кВ1 помещены для защиты от механических повреждений в изоляционный цилиндр 23 , с помощью которых производится крепление сопротивления к камере. Электрическая цепь керамических дисков с фланцами 3 создаётся пружиной 4 и шайбой 6 . Пространство между изоляционным цилиндром и дисками залито эластичным компаундом 5 . Сопротивление предназначено для снижения перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов. На рис. 8 представлена в разрезе вспомогательная камера воздушного выключателя фирмы «Делль» с дисковыми керамическими сопротивлениями. Сопротивление находится постоянно в сжатом воздухе. К выходному концу сопротивления непосредственно прикреплён неподвижный вспомогательный контакт. Соединение дисков между собой может осуществляться без специальной арматуры, методом спекания, либо при помощи специальной соединительной арматуры, припаянной к торцевой поверхности. основного и сопровождающего тока, так и функционально, по временной координации разрывов в операции отключения и включения. Существенно также различие самих сопротивлений, которые в основном определяются режимом работы и параметрами выключателей. На рис. 16 приведены три основные схемы, классифицированные по способу подсоединения шунтирующих сопротивлений; в свою очередь каждая из этих схем имеет несколько исполнений – в зависимости от временной координации. В схеме а номинальный ток протекает по главным контактам ГК , а по вспомогательным ВК1 - только ток, ограниченный сопротивлением r 1 . Может быть применено двухступенчатое шунтирование сопротивлениями r 1 и r 2ВК2 гашения основной дуги. С учётом времени гашения вспомогательной дуги наибольшее время обтекания сопротивлений током составляет 0,04 – 0,07 сек включая их только после подачи команды на отключение (до размыкания главных контактов). По данной схеме возможно также двухстороннее использование сопротивлений (при отключении и включении). При этом временная координация должна предусматривать отключение вспомогательных контактов позже главных, а включение – раньше. При наличии отделителя в этом случае он отключается последним, а включается первым. Особенностью схемы при отсутствии отделителя является необходимость разомкнутого положения как главных, так и вспомогательных контактов в отключенном положении выключателя и соответствующее их выполнение с точки зрения изоляционной прочности. В некоторых случаях, особенно для выключателей высоких классов напряжения, сопротивления подключают только при включении. При этом после завершения операции включения вспомогательные контакты размыкаются и остаются в отключенном положении. а распространена в воздушных выключателях на все напряжения. Сопротивление r 1 колеблется от нескольких десятых Ома для генераторных выключателей на большие токи до нескольких сотен Ом для выключателей на высокие классы напряжения. Назначение сопротивлений по этой схеме – снижение скорости восстановления напряжения при отключении и ограничение коммутационных перенапряжений при включении. В большинстве случаев применяются линейные сопротивления, однако в некоторых специальных случаях сопротивления выполняются нелинейными (для ограничения коммутационных перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов и малых индуктивных токов). При этом при наличии отделителя вспомогательные контакты могут вообще отсутствовать. В схеме б номинальный ток протекает по главным (ГК ) и вспомогательным (ВК Обязательным условием для этой схемы, так же как и для схемы а , является заданное запаздывание в размыкании вспомогательного контакта. В схемах а и б аналогичны и требования к термической стойкости сопротивлений. Поскольку в этой схеме сопротивление r 1 всегда шунтирует главные контакты, к последним в отношении изоляции предъявляются только требования, обусловленные коммутационными режимами, что для некоторых классов напряжения позволяет выполнить их конструктивно более простыми. Если не предъявлять к этой схеме требования двухсторонней работы сопротивлений, главные контакты могут быть выполнены импульсными, т. е. размыкающимися только на время отключения, однако при этом вспомогательные контакты могут быть рассчитаны на полную включающую способность. Назначение сопротивлений такое же, как и в схеме а . К недостаткам этой схемы по сравнению со схемой а следует отнести удвоение разрывов, пропускающих номинальный ток и рассчитанных на полную термическую и динамическую стойкость. Схема в по виду аналогична схеме б , однако принципиально её отличием является конструктивное выполнение вспомогательного контакта ВК1 , дающее ему возможность при размыкании пропускать полный ток короткого замыкания и гасить, по крайней мере, сопровождающий ток, ограниченный шунтирующим сопротивлением r 1 . Естественно, что при включенном положении этот контакт должен, как и в схеме б , пропускать номинальный ток и сквозной ток короткого замыкания. Это даёт возможность производить одновременно замыкание главных контактов ГК и вспомогательных ВК1r 1 . Действительно, поскольку к моменту перехода через нуль тока в главном контакте вспомогательный контакт ВК уже готов к гашению, прерывание тока во вспомогательном контакте происходит при первом же переходе через нуль после гашения тока в главном контакте ГК и, следовательно, время протекания тока по сопротивлению r 1 будет t = [ p - arcsin(r 1 / Ö x 2 +r 1 2 )]/ w , где x – реактивное сопротивление внешней цепи, Ом . Поскольку обычно r 1 >> x , время t при отключении токов КЗ близко к 5 мсек . Значительно меньшее здесь по сравнению со схемами аб время протекания тока по шунтирующему сопротивлению позволяет выполнить его значительно более низкоомным и создать на базе этой схемы так называемые выключатели для особо тяжёлых условий по скорости восстановления напряжения. Замечательной особенностью этих выключателей является практически полная независимость восстанавливающегося на контактах напряжения при отключении КЗ , в том числе и неудалённых, от условий внешней цепи. ВК1 в схеме вГК . При необходимости вспомогательные контакты ВК1r 2КЗ с неповышенными СВН , а также небольшие токи отключает вспомогательный контакт ВК1 при первом переходе тока через нуль, и шунтирующее сопротивление r 1 вообще током не обтекается, что также является преимуществом по сравнению со схемами а и бКЗ практически не зависит от его тяжести. рис. 12r в = ¥ . Примем в этом расчёте, что шунтирующее сопротивление r имеет индуктивность L ш . Из очевидных соображений следует, что до размыкания вспомогательного контакта ток через сопротивление r i c = E m /( Ö [ w . (LL ш )]2 + r 2 ). sin( w . t ) = (E m /z ). sin( w . t ) при напряжении источника питания e = E m . sin( w . t + j j = w . (L + L ш )/r При отсутствии ёмкости на шинах после гашения сопровождающего тока на вспомогательных контактах скачком восстановилось бы напряжение E m . sin j u (pi c (p ). z вх (p ) При этом ток i c (p ) = E m . w /[z вх . (p 2 + w 2 )]; Входное сопротивление схемы со стороны вспомогательных контактов z вх (p ) = r + p . L ш + p . Lp 2. L . C ). u (t ) » E m [r . sin( w . t ) + w . (L + L ш ). cos( w . t ) - w . L . cos( w 0 . t )]/z , где w 0 = 1/( Ö L . C ). w 0 / w )2 – 1 » ( w 0 / w )2 , получаем u (t ) = E m . w . L ш /z, так как при t = 0 w 0 >> w , т. е. индуктивность шунтирующего сопротивления даже при наличии ёмкости создаёт скачёк напряжения на вспомогательных контактах. Начальная скорость восстановления напряжения на вспомогательных контактах ( t (du /dt )t=0 = E m . w . r /z = I c . w . r , т. е. практически не зависит от индуктивности шунтирующего сопротивления. Таким образом, при увеличении ШС уменьшается сопровождающий ток и СВН на вспомогательном контакте, в то время как на главном контакте СВН увеличивается. IV. ПРИМЕНЕНИЕ ШУНТИРУЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ 4. 1. Применение ШС для ограничения коммутационных перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов ШС могут быть применены для ограничения коммутационных перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов и малых индуктивных токов. Эквивалентная схема цепи при отключении ненагруженного трансформатора изображена на рис .15 ,а . Для упрощения эквивалентной схемы можно пренебречь индуктивностями L c , L 1 и L 2 по сравнению с L m . Если пренебречь также потерями на гистерезис, вихревыми токами и активными сопротивлениями обмоток, то эквивалентная схема отключения ненагруженного трансформатора в принципе не будет отличаться от схемы отключения малых индуктивных токов. Наибольшие перенапряжения между контактами ВК и по отношению к земле возникают в этом режиме при использовании дугогасительных устройств с «жёстким» гашением, т. е. таких, где дуга сразу после размыкания контактов перемещается на дугогасительные электроды и подвергается мощному обдуву сжатым воздухом. При этом весьма вероятны обрывы тока до его естественного перехода через нулевое значение. С учётом сделанных допущений расчётная схема рис .15 ,а примет вид рис .15 ,б , где C = C 1C 2 – эквивалентная ёмкость, а L – u в = - E m . [cos( w . t 0 ) + ( b 0 / b ). sin( b . t + y ). e - a t x _________________________________________________ x Ö (cos( w . t 0 ) – ( a / w ). sin ( w . t 0 ))2 + ( b 2 / w 2 ). sin2 ( w . t 0 )], где y = arctg[ b /( w . ctg( w . t 0 ) - a b /- a ). ВК ненагруженных линий опасные перенапряжения могут появиться в двух основных режимах: при отключении ненагруженной линии, сопровождающемся повторными пробоями межконтактного промежутка ВК и при включении ВК на ненагруженную линию, в том числе при БАПВВВ ВКрис .14 . Хотя эта схема и не учитывает поправки, обусловленной волновыми процессами, высшими гармоническими, разбросом включения фаз, короной и т. д., однако позволяет с достаточной для практических расчётов точностью оценить влияние в этом режиме предвключаемых сопротивлений и момента включения линии. На рис .14 L э и C э – эквивалентная индуктивность и ёмкость линии в Г-образной схеме замещения, а r – предвключаемое сопротивление ВК . V. ВЛИЯНИЕ ШС НА ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ Расчётными видами КЗВН ), являются КЗ за ВК в цепи мощных трансформаторов, а также КЗ на шинах или в непосредственной близости от них при наличии ряда линий, отходящих от шин. С точки зрения оценки влияния значения ШС На рис .10 представлена характерная осциллограмма ВН при отключении КЗ за трансформатором и параметры ВН (частота f в и коэффициент превышения амплитуды первого пика k а ), определённые на основании обследования непосредственно в системах большого числа трансформаторов в зависимости от их установленной мощности P U ном . Процесс восстановления напряжения при отключении КЗ за трансформаторами имеет в подавляющем большинстве случаев одночастотный характер. Зависимыми от параметров f в и k а для каждого трансформатора являются при определённых токах КЗ собственная ёмкость и начальная скорость ВН . Рекомендованная ГОСТ 687-78 испытательная схема для этого режима отражает физический процесс ВН , изложенный выше. Указанная схема изображена на рис .11 . При анализе схемы можно без заметного влияния на точность при практических расчётах пренебречь активным сопротивлением цепи КЗ . ШСШСВН на рис .9 построены кривые кратности ВН u в U ф для одного из конкретных случаев при КЗ со стороны обмотки 110 кВ трансформатора при I = 9,2 кА , C = 5,43. 10-9 Ф , L = 0,031 Гн и r 1 = 854 Ом и значениях ШС от бесконечности до 1000 Ом , т. е. до перехода колебательного процесса в апериодический. 5. 2 . Влияние при отключении КЗ на линии (неудалённое КЗ) Эквивалентная расчётная схема изображена на рис .13 . Здесь z в – - волновое сопротивление короткозамкнутой линии. Источник напряжения в данном случае характеризует линейно нарастающее напряжение E m . t КЗ , причём значение E m равно отклонению до этого момента напряжения на стороне линии от начального плюс добавка напряжения к этому моменту со стороны источника питания; L ш – индуктивность шунтирующего сопротивления, а r – его активное сопротивление. При расчёте ВН можно пренебречь ёмкостью C присоединённого к шинам оборудования и током, протекающим через индуктивность L . Для случая, когда индуктивность ШС L ш близка к нулю z (p ) = 1/(1/(r в + z в ) + 1/ r ) ; u в ( p ) = E m /[L . p 2. (1/(r в + z в ) + 1/ r ) ; u в ( t ) = (E m /L ). r. (r в + z в ) /(r + r в + z в ). t ; du в / dt = (E m /L ). r. (r в + z в ) /(r + r в + z в ) = w . I m . r. (r в + z в ) /(r + r в + z в ). Таким образом, при неудалённом КЗ ШС уменьшает СВН на контактах выключателя в [ 1 + (r в + z в )/r ] раз. 1. В .В . Афанасьев . Ю .И . Вишневский . Воздушные выключатели. Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1981. – 384 с., ил.; В .В . Афанасьева . Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987. – 544 с., ил.