8 (343) 365-50-39
8 (343) 264-23-19

На главную Карта сайта Написать

С внедрением вакуумных и элегазовых выключа­телей обострилась проблема, связанная с коммутаци­онными перенапряжениями (КП) в распределитель­ных сетях 6... 10 кВ горнодобывающих предприятий, так как данные выключатели инициируют возникно­вение более высоких уровней КП по сравнению с масляными и электромагнитными. Величина КП может превышать номинальное напряжение сети в 5—7 раз. Подобные перенапряжения представляют серьезную опасность для изоляции кабельных линий, электро­двигателей и трансформаторов и являются одной из основных причин возникновения однофазных замы­каний на землю (033).
Например, анализ аварийности электрических се­тей 6... 10 кВ угольных разрезов Красноярского края за период с 2004 по 2007 г. показывает, что с увеличе­нием количества вакуумных выключателей свыше 60 % от общего числа выключателей, эксплуатируе­мых в системах электроснабжения 6...10 кВ угольных разрезов, число 033 возросло в 4,3 раза по сравнению с 2003 г.
В настоящее время для ограничения КП существу­ют следующие основные средства: разрядники, нели­нейные ограничители перенапряжений и RC-ограничители. Считается, что частичное ограничение пере­напряжений может быть достигнуто нормированием минимальной длины кабеля между высоковольтным выключателем и коммутируемой нагрузкой. Защит­ное действие кабельной вставки основано на умень­шении волнового сопротивления коммутируемого контура за счет собственной емкости кабеля. Пара­метры кабеля, трансформатора, двигателя и тип вы­ключателя являются определяющими в формирова­нии КП. Увеличение емкости системы "кабель-элек­тродвигатель" за счет емкости кабеля приводит к уменьшению амплитуды, крутизны и числа коммута­ционных импульсов при повторных зажиганиях дуги в выключателе. Принято считать, что при значитель­ной длине кабельной линии перенапряжения из-за среза тока в вакуумном выключателе практически не возникают, так как кабель выступает в роли "сглажи­вающего фильтра". Наличие даже небольшой актив­ной нагрузки на вторичной стороне отключаемого си­лового трансформатора также исключает возникнове­ние КП по причине среза тока. Однако доказано, что при частоте ком­мутационного импульса свыше 45 кГц кабельная ли­ния из "сглаживающего фильтра" превращается в "за­пирающий фильтр".
При частоте коммутационного импульса свыше 45 кГц сильно возрастает продольное сопротивление силового кабеля за счет увеличения продольного ин­дуктивного сопротивления и продольного активного сопротивления, связанного с поверхностным эффек­том.
Следовательно, средства защиты от КП необходи­мо располагать в непосредственной близости от за­щищаемого объекта.
В частности, исследования КП, возникающих при коммутации электродвигателей вакуумными выклю­чателями, показали, что максимальное удаление средств защиты от электродвигателя не должно пре­вышать 10 м, в этом случае продольное сопротивле­ние кабельной вставки между средством защиты от КП и электродвигателем практически не зависит от частоты коммутационного импульса. Дальнейшее увеличение расстояния между средством защиты от КП и электродвигателем приводит к частотной зави­симости продольного сопротивления, и эффектив­ность средств защиты снижается.
Таким образом, при выборе средств защиты необ­ходимо учитывать электромагнитную совместимость средств защиты от КП с объектом защиты, особенно влияние частоты коммутационного импульса на функционирование защиты от КП.
Исследования, выполненные на кафедре электро­снабжения горно-металлургических предприятий (ЭГМП) СФУ, показали, что при частоте коммута­ционного импульса свыше 45 кГц в работе ограничи­телей перенапряжения (ОПН) наблюдается "зона за­мирания". То есть в интервале времени порядка 0,12 мс ОПН практически не реагирует на возникшие перенапряжения £/пср. Данный эффект иллюстриру­ется рис. 1.
 
Рис. 1. Осциллограмма коммутационного импульса, возникающего при отключении синхронного двигателя СДЭУ-14-29-6 вакуумным вы­ключателем ВВ/ТЕЬ-10-12,5/630-У2-41.
На экскаваторе ЭКГ-8И синхронный электродви­гатель типа СДЭУ-14-29-6 мощностью 520 кВт от­ключался вакуумным выключателем типа ВВ/ТЕЬ-10-12,5/630-У2-41. Для защиты электродви­гателя от КП использовались ОПН типа KP/TEL-6/6, установленные в ячейке вакуумного выключателя. Длина кабеля, связывающего электродвигатель с вы­ключателем, составила 10 м, а сечение - 35 мм2.
За время "замирания" амплитуда коммутационно­го импульса достигла своего максимального значения и составила 31 кВ. Ограничение амплитуды КП про­изошло за время, равное 0,12 мс, т.е. до срабатывания ОПН может наступить электрический пробой изоля­ции обмоток высоковольтного электродвигателя, так как кратность КП составила 5,2, что выше допусти­мой кратности перенапряжений, которая для элек­тродвигателей составляет 1,8. Кратность перенапря­жения оценивалась с помощью выражения:
                                                                      (1)
где U— максимальная амплитуда коммутационного импульса;
Uном- номинальное напряжение сети.
            Исследования, которые выполнили авторы дан­ной статьи, показали, что при постоянных парамет­рах системы "кабельная линия-электродвигатель", но при использовании разных типов выключателей из­меняется частота коммутационного импульса, что может отражаться на эффективности использования средств защиты от КП. Изменение частоты коммута­ционного импульса в зависимости от типа выключа­теля можно объяснить только процессом дугогашения в выключателе.
            Известно, что источник напряжения £сист и элек­тродвигатель М обладают определенным значением емкости Ссист и Сдв (рис. 2).
 
Рис. 2. Упрощенная эквивалентная схема системы "источник пита­ния -выключатель-электродвигатель".
Размыкающийся силовой контакт выключателя обладает емкостью Свыкл, вели­чина которой уменьшается при увеличении расстоя­ния между расходящимися контактами:
                                         (2)
где е диэлектрическая проницаемость среды меж­ду контактами выключателя;
А — площадь контак­тов;
d - расстояние между контактами.
            Расстояние между контактами — величина пере­менная и определяется выражением:
                                          (3)
где V — скорость расхождения контактов;
tвремя гашения дуги в выключателе, которое зависит от про­цесса дугогашения.
            При отключении электродвигателя емкости Свыкл и Ссист включены последовательно между собой и парал­лельно по отношению к емкости электродвигателя. Эквивалентная емкость на зажимах электродвигателя будет определяться по выражению:
                                         (4)
            Учитывая, что Свыкл << Ссист, эквивалентная ем­кость будет равна:
                                                       (5)
Примем, что индуктивность и емкость электро­двигателя — величины постоянные, значит, частота коммутационного импульса будет зависеть от емкости контактов выключателя и определяется по фор­муле:
                                                             (6)
гдеL- индуктивность статорной обмотки электро­двигателя;
Сэкв — присоединенная емкость на зажимах электродвигателя, которая включает емкость обмотки электродвигателя по отношению к земле, емкость ка­бельной вставки и емкость контактов выключателя.
            Согласно выражению (2), емкость Свыкл зависит от диэлектрической проницаемости среды между кон­тактами выключателя, т.е. от среды, в которой проис­ходит гашение дуги.
            Таким образом, частота коммутационного им­пульса будет изменяться в зависимости от протека­ния процесса дугогашения в выключателе, т.е. от типа выключателя. Продолжительность горения ду­ги в межконтактном промежутке выключателя за­висит от типа выключателя. Самое короткое время горения дуги в межконтактном промежутке принад­лежит вакуумным выключателям и не превышает 0,006 с. Для элегазовых, масляных и электромагнит­ных время гашения дуги равняется соответственно 0,015; 0,04 и 0,05 с, прослеживается закономер­ность, что с увеличением времени гашения дуги частота коммутационного импульса уменьшается. Данная закономерность получена эксперименталь­ным путем, при коммутации синхронного электро­двигателя типа СДЭУ-14-29-6 мощностью 520 кВт разными типами выключателей и представлена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость частоты коммутационного импульса от времени гашения дуги частоты коммутационного импульса.
            Установлено, что частота коммутационного им­пульса влияет на кратность коммутационного перена­пряжения. Данная зависимость получена экспери­ментальным путем и представлена на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость кратности коммутационного перенапряжения от частоты коммутационного импульса.
            Из вышеприведенного материала можно сделать вывод, что вакуумные выключатели будут создавать коммутационные импульсы с более высокой часто­той по сравнению с другими типами выключателей. Частота коммутационного импульса будет меньше, чем у вакуумных выключателей, при коммутации электродвигателей элегазовыми выключателями, и будет уменьшаться при использовании масляных и электромагнитных выключателей. Следовательно, более высокие уровни кратности КП характерны для вакуумных выключателей и самые малые для элек­тромагнитных выключателей. Элегазовые и масляные выключатели соответственно занимают промежуточ­ное значение.
            Для защиты электродвигателей использование ОПН от КП не эффективно, так как в работе ОПН присутствует "зона замирания".