ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

cosωt −cosω0t = 2 , – за умови протилежних фаз вимушеної та вільної складових).

Це говорить про те, що навіть за відсутності залишкового заряду БК у момент її увімкнення наявність вільної складової може призвести до подвоєння струму увімкнення порівняно з номінальним значення струму БК. Унаслідок впливу загасання у дійсності перенапруги не перевищують (1,7–1,8)Em.

Наявність залишкового заряду зі значенням U0 та з протилежним знаком щодо ЕРС (напруги) мережі, призводить у певні моменти часу до збільшення амплітуди вільної складової на те ж саме значення. Оскільки, зазвичай, U0 Em, то перенапруги в цьому випадку можуть сягати 3Em, а з урахуванням загасання 2,7Em, що підтверджується й даними, отриманими під час натурних випробувань.

Натурні випробування, проведені за кордоном, показали, що з низки інших причин під час увімкнення окремої БК навіть за відсутності залишкового заряду струм увімкнення може у 5–20 разів перевищувати номінальний струм БК.

5.2Перехідні процеси під час вимкнення окремої БК

На рис. 5.5 зображено однофазну заступну схему вимикання БК із уземленою нейтраллю в мережі з глухим уземленням нейтралі.

Для точнішого врахування факторів, що впливають на вимикальну здатність вимикача, надалі аналізуватимемо процеси, які відбуваються у цій схемі з урахуванням ємності мережі живлення Cмер. Вважатимемо, що вимкнення струму відбувається у момент часу t0=0.

Після початку розходження полюсів вимикача між ними з’являється різниця потенціалів, яку називають відновлювальною напругою. Вираз для зміни відновлювальної напруги у часі отримуємо за допомогою перетворення Лапласа. Вимкнення струму відобразимо відповідно до теореми Тевенена увімкненням у

момент часу t0=0 джерела струму протилежної полярності.

Операторне зображення цього струму має вигляд:

I(p) = ωIM cosϕ

1

−IM sin ϕ

p

,

(5.21)

p

2

2

p

2 2

+ω

+ω

а зображення комплексного опору кола відносно виводів вимикача:

Z(p) =

1

+

1

p

,

(5.22)

pC

C

p

2

2

БК

МЕР

+ω

МЕР

0

108

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

де ω0МЕР =1 LМЕРCМЕР .

Рис. 5.6 Однофазна заступна схема вимикання БК із уземленою нейтраллю в мережі з глухим уземленням нейтралі

Зображення відновлювальної напруги дорівнює:

U(p) = Z(p)I(p) = ωIM

1

1

+

1

p

cosϕ−

p

2

2

CМЕР

(p

2

2 2

2

pCБК

+ ω

+ ω )(p

+ ω0МЕР)

1

1

1

2

−IM

+

p

sin ϕ.

(5.23)

p

2

2

(p

2

2

2

2

CБК

+ ω

CМЕР

+ ω )(p

+ ω0МЕР)

Після переходу від зображення до оригіналу вираз для відновлювальної

напруги між контактами вимикача матиме вигляд:

uвід(t) =[ULM (cos ωt −cos ω0МЕРt) − UCM (cos ωt −1)]cosϕ−

− U

sin ωt −

ω0МЕР

sin ω

t

− U

CM

sin ωt

sin ϕ

,

(5.24)

LM

ω

0МЕР

де:

ULM = ω

ω2

ω

ω

0МЕР

LМЕРIM =

IM =

IM . (5.25)

ω02

МЕР − ω2

1

2

CМЕР (ω02

МЕР − ω2 )

CМЕР

− ω

LМЕРCМЕР

UCM

=

IM

(5.26)

ωCБК

Припустимо, що індуктивність мережі дуже мала, тобто LМЕР→0. Тоді:

lim	uвід(t) = UCM (cosϕ+sin ωt sin ϕ−cos ωt cosϕ)= UCM (cosϕ−cos(ωt −ϕ)). (5.27)
LМЕР→0
	Припустимо, що індуктивність безмежно велика, тобто LМЕР→∞. Тоді також:
lim	uвід(t) = UCM (cos ϕ +sin ωt sin ϕ −cos ωt cosϕ)= UCM (cosϕ − cos(ωt −ϕ)). (5.28)
LМЕР→∞

109

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Розглянемо два граничних випадки.

1. Вимкнення відбулось у момент переходу струму через нульове значення, тобто за умови ϕ=0. В такому разі відновлювальна напруга дорівнюватиме:

uвід(t) = ULM (cos ωt −cosω0МЕРt)− UCM (cosωt −1).									(5.29)
		Із урахуванням припущення (5.27) відновлювальна напруга дорівнюватиме:
uвід(t) = UCM (1−cosωt),									(5.30)
а її максимальне значення буде:
Uвідмакс = 2UCM .									(5.31)
		Із урахуванням припущення (5.28) відновлювальна напруга дорівнюватиме:
u		(t) =	1	I		(cos ω	t −1)	,	(5.32)
	від				M
			ωCМЕР			0МЕР

а її максимальне значення зростає зі зменшенням ємності мережі та збільшенням стуму Iм:

	Uвідмакс =	2	IM = XCМЕРIM	.	(5.33)
		ωCМЕР

2. Розглянемо інший граничний випадок, коли вимкнення відбувається в момент максимального значення струму, тобто – за умови ϕ=π⁄2. У цьому випадку відновлювальна напруга матиме такий вираз:

ω

uвід(t) = ULM sin ωt −

0МЕР

sin ω0МЕРt

− UCM sin ωt .

(5.34)

ω

Із урахуванням припущення (5.27) відновлювальна напруга дорівнюватиме:

Uвід(t) = −UCM sin ωt

(5.35)

а її максимальне значення буде:

Uвідмакс = −UCM .

(5.36)

Із урахуванням припущення (5.28) відновлювальна напруга дорівнюватиме:

u

(t) = U sin ωt −

1

I

sin ωt −

ω0МЕР

sin ω

t

,

(5.37)

ωCМЕР

від

CM

ω

0МЕР

M

а її максимальне значення може як завгодно збільшуватись пропорційно струму й відношенню частоти власних коливань електромережі до частоти вимушувальної ЕРС (промислової частоти):

U

відмакс

= (U

CM

− X

I

M

)cos ωt + X

CМЕР

ω0МЕР I

M

cos ω

t

.

(5.38)

CМЕР

ω

0МЕР

110

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

З отриманих залежностей можна зробити такі висновки:

1)Якщо електромережа має незначну індуктивність стосовно контактів вимикача, (тобто дуже велике значення потужності КЗ), вимикач може досить легко перервати будь-який експлуатаційний струм. Відновлювальна напруга між контактами вимикача буде мінімальною та не перевищуватиме 2UCM згідно з

(5.31), (5.36).

2)Наявність значної індуктивності мережі відчутно ускладнює вимкнення ємнісного струму. Це пояснюється тим, що згідно з (5.38) амплітуда та крутість вільної складової відновлювальної напруги зростають пропорційно до відношення власної частоти мережі живлення до промислової частоти. Звичайні вимикачі не витримують відновлювальної напруги такої крутості. Горіння електричної дуги триватиме аж до природного переходу струму через нульове значення.

5.3Умови роботи вимикачів під час комутацій батарей конденсаторів

Умови роботи вимикачів потужних БК під час нормальних комутацій є важчими, ніж інших апаратів, оскільки супроводжуються значними перенапругами відносно землі та між контактами вимикача, а також великими стрибками струму. В реальних режимних умовах батареї конденсаторів можуть вмикатись та вимикатись дуже часто, іноді по 2–3 рази на добу.

На відміну від іншого устаткування БК обумовлюють додаткові вимоги до номінального струму Iном вимикачів, електродинамічної стійкості, електрогідравлічної стійкості (для олійних вимикачів), обмеження перенапруг і струму ввімкнення, зносу контактів.

Згідно ДСТ й ТУ конденсатори розраховують на тривале перевантаження струмами вищих гармонічних складових та підвищеною напругою мережі. У зв’язку з цим у колі БК і для іншої апаратури та ошинування цього кола номінальний струм треба вибирати рівним 130–150% номінального струму БК.

Аналогічне явище має місце й при звичайному ввімкненні, коли відбувається пробій між контактами, що зближуються, отже, сила електрогідравлічного удару у цьому випадку значно менша, хоча також може бути небезпечною для вимикача. Саме цим, а не великими перенапругами обумовлюються труднощі традиційних

111

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

вимикачів для комутації БК. Через це, для вибору олійних вимикачів необхідно прийняти умову, щоб розрахунковий струм повторного пробою у першому наближенні був меншим або рівним 25–30% номінального струму вимкнення вимикача (менші значення стосуються увімкнення паралельно сполучених БК, оскільки при цьому вища крутість ударного струму).

Результати численних натурних випробувань показують, що вимкнення БК повітряними вимикачами відбувається досить швидко й тому повторні запалювання дуги між контактами вимикача, що розходяться відбуваються дуже рідко. До того ж, повторне запалювання відбувається, в основному, у фазі, що вимикається першою й раніше ніж у інших фазах вимикача. Тому у даному випадку перенапруги, що виникають при повторному пробитті, як правило, не перевищують 2,0Uф навіть за умови ізольованої нейтралі мережі або БК. Через це при застосуванні повітряних вимикачів перевірка їх на струм повторного пробиття є обов’язковою лише у випадку комутації паралельно сполучених батарей.

Рис. 5.7 Швидкість руху контактів вимикача, яка необхідна для запобігання повторним запалюванням дуги

Вимкнення БК малооливними вимикачами дає різні результати в залежності від способу гасіння дуги (природного чи примусового олійного дуття). Вимикачі з примусовим олійним дуттям подібно до повітряного вимикача здійснюють

112

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

вимкнення дуже швидко й у більшості випадків без повторних запалювань дуги. При цьому перенапруги не перевищують (1,6–2,0)Uф.

Вимкнення БК багатооливними та баковими вимикачами з природним олійним дуттям, як правило, супроводжуються багатократними повторними запалюваннями й пробиттями. Перенапруги при цьому сягають (2,0–3,0)Uф.

Треба відмітити, що, як правило, внаслідок обмеженої швидкості відновлення діелектричної міцності проміжку між контактами вимикача повторне пробиття відбувається не на максимумі відновлювальної напруги, а раніше, що обумовлює деяке зниження перенапруг і ударних струмів порівняно з розрахунковими. Запобігти повторним пробиттям можна, прискоривши рух контактів, що використовується низкою іноземних фірм, які обладнують конденсаторні вимикачі швидкодійними допоміжними контактами. На рис. 5.7 наведені залежності мінімальної швидкості руху контактів під час вимкнення олійних вимикачів від їхньої номінальної напруги за номінальної частоти 50 Гц та 60 Гц. Залежності, одержані японськими дослідниками в результаті випробувань різних типів вимикачів. За частоти 50 Гц необхідна швидкість руху контактів фази приблизно пропорційна номінальній напрузі БК. Тому у тих випадках, коли вимикач даної номінальної напруги не виключає можливості повторних запалювань дуги, може виявитись доцільнішим застосування вимикачів вищого класу напруги. Таке вирішення може бути й вимушеним, як, наприклад, застосування вимикачів 35 кВ для БК 6–10 кВ через відсутність вимикачів із номінальною напругою 6–10 кВ для зовнішньої установки. У цих випадках ударні струми розраховуються за кратністю відновлювальної напруги (1,2–1,25)Uф, що враховує й умови увімкнення.

Іншим ефективним способом запобігання повторних запалювань дуги є застосування шунтувальних резисторів на вимикачах (широко використовується за кордоном). Уведення в коло вимкнення паралельно до головних контактів вимикача активного опору зменшує відновлювальну напругу. Після того, як електрична міцність проміжку між цими контактами відновлюється до достатнього рівня, шунтувальний резистор вимикається допоміжними контактами.

113

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Таблиця 5.1. Відновлювальні напруги та перенапруги під час вимкнення батарей конденсаторів

		Максимум
№		відновлювальної			Напруга на		Напруга на
		напруги на			нейтралі після		конденсаторах
з/	Спосіб уземлення нейтралей	контактах			вимкнення		батареї
		вимикача
п
		А	В	С	N1	N2	А	В	С
1	Нейтралі мережі N1 і батареї	2	2	2	0	0	1	1	1
	N2 уземлені
2	Нейтраль мережі уземлена,	2,5	1,87	1,87	0	+0,5	1	1,37	1,37
	нейтраль батареї ізольована
3	Нейтраль мережі ізольована.	2,5	1,87	1,87	-0,5	0	1	1,37	1,37
	Нейтраль батареї уземлена
4	Нейтралі мережі та батареї	2,5	1,87	1,87	-0,5..0	0..+0,5	1	1,37	1,37
	ізольовані

Примітки:

1.Напруги подані у кратностях амплітуди фазної напруги батареї.

2.Першою вимикається фаза А, а згодом під час першого після цього переходу струму через нульове значення – фази В та С.

3.Ємності батарей сполучені за схемою “зірки”.

Зтаблиці 5.1 видно, що в деяких випадках для БК у мережах з ізольованою нейтраллю можна знизити кратність відновлювальної напруги до 2,0, з’єднавши нейтралі БК і мережі (наприклад, понижувального трансформатора).

Важливим чинником, який визначає вибір типу вимикача, є зношування контактів. Великі струми увімкнення й особливо повторних пробивань зумовлюють ерозію контактів електричною дугою, а в олійних вимикачах – також забруднення оливи.

114

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Це питання недостатньо досліджено, тому відсутні чіткі критерії вибору вимикачів із врахуванням цього фактора. Практично можна рекомендувати для випадків, коли комутація БК здійснюється частіше ніж 1 раз на тиждень, використовувати повітряні вимикачі або суттєво обмежувати струми ввімкнення. Вимикачі, що призначені для комутацій БК, повинні частіше піддаватись ревізії, ніж вимикачі іншого устаткування.

115