Схема выбора аппаратов по номинальному напряжению UB, длительному номинальному току /дл. и и термической стойкости, изложенная в § 7-1, полностью совпадает со схемой выбора выключателей по этим параметрам. Некоторое отличие проверки выключателей на динамическую стойкость состоит в том, что вместо действующего значения ударного тока к. з. здесь определяют начальное действующее значение периодической составляющей тока к. з., которое должно быть не более периодической составляющей предельного сквозного тока /дин с, гарантированного заводом и помещенного в каталоге.
Вторым показателем, характеризующим динамическую стойкость выключателя, является предельный мгновенный сквозной ток, равный 1,8 у/Г2/д„п. с, который должен быть больше ударного тока к. з.
Следующим важнейшим показателем, характеризующим пригодность выключателя для установки в данной точке сети, является его отключающая способность. В соответствии с ГОСТ 687—78 в настоящее время отключающая способность выключателей оценивается не по полному току
как это делалось
раньше, а по номинальному периодическому току отключения Iоткл. номинальному относительному содержанию апериодического тока в полном токе
(7-15)
где /п — действующее значение периодического тока в момент размыкания контактов; /а — апериодический ток для этого же момента времени.
Момент размыкания контактов определяется суммарным временем: собственным временем отключения выключателя и собственным временем защиты, которое по большей части можно принимать равным 0,01 с. Собственное время отключения выключателя с приводом должно находиться в пределах:
для сверхбыстродействующих выключателей — до 0,06 с; для быстродействующих выключателей — от 0,06 до 0,08 с; для выключателей ускоренного действия — от 0,08 до 0,12 с; для небыстродействующих выключателей — от 0,12 до 0,25 с.
Рис. 7-2. Определение периодического и апериодического токов в момент начала расхождения контактов выключателя
При отключаемых токах, составляющих примерно 30 % номинального, эти значения должны быть увеличены на 0,02 с, а при токах около 60 % номинального — на 0,01 с.
Определенные при помощи кривых на рис. 7-2 и 7-3 значения 1и и Р должны удовлетворять неравенствам:
Затухание периодического тока отключения определяется по кривым затухания (рис. 7-4), а относительное содержание апериодического тока Р — по кривой на рис. 7.3.
Апериодический ток для момента времени т может быть также найден по формуле
(7-16)
где /" — начальное действующее значение сверхпереходного тока
Рис. 7-3, Относительное содержание апериодического тока в полном токе
т время от начала к, з.
к. з.; Та — постоянная времени затухания апериодического тока, Та = х/(сиг) (рис. 7-5).
Если расчет производится для небыстродействующих выключателей, собственное время которых превышает 0,08 с, апериодическим током вообще можно пренебречь, так как его относительное содержание в полном токе при таком времени становится меньше 0,15 (см. рис. 7-3). В этом случае ток отключения равен периодической составляющей /пт для момента времени т, причем очень
Рис. 7-4. Кривые затухания: а — для турбогенераторов 200—500 МВт; б — для турбогенераторов 800—1200 МВт; в — для гидрогенераторов 115—500 МВт
1 — к. з. на выводах генератора; 2 — к. з. за трансформатором; сплошные кривые — при постоянной времени обмотки возбуждения = 0; штриховые — при Т = 0,25 с часто без большой ошибки его можно принять равным начальному сверхпереходному току /".
Рис. 7-5. Кривая полного тока короткого замыкания
Наряду с номинальным током отключения /0ТКл. и и относительным содержанием апериодического тока р играет свою роль и условная номинальная мощность отключения
(7-17)
Эта величина указывается в каталогах для всех типов выключателей и служит дополнительным параметром при выборе выключателей.
В табл. 7-1 приведена сводка условий выбора выключателей по важнейшим параметрам [72].
Проверка выбираемого выключателя по параметрам восстанавливающегося напряжения обычно не производится, так как считается, что в большинстве систем реальные условия восстановления напряжения на контактах выключателя соответствуют условиям, в которых испытан выключатель. Тем не менее в некоторых случаях возникает настоятельная необходимость в уточнении реальных параметров восстанавливающегося напряжения, так как, несмотря на соответствие паспортных данных выключателя расчетным условиям, отключения к. з. проходят тяжело, сопровождаются выбросами масла и другими неприятными явлениями. В этих случаях следует произвести расчет параметров восстанавливающегося напряжения либо по более точной методике [72], либо по приближенным формулам, приведенным, в § 4-7—4-9. В [68] рекомендуется при оценке пригодности выключателя для установки в данной точке сети пользоваться зависимостями, построенными по формулам (4-27), (4-28), (4-39): отключающей способности выключателя от собственной частоты Роткл (/в) и мощности К. 3. от собственной частоты Рк> з (/„)
(рис. 7-6).
Рис. 7-6, Выбор выключателя по сетевым параметрам граница применимости выключателя
Кривая Я0ткл (/в) выключателя должна до самых больших мощностей к. з. лежать выше кривой Рк, u (/в). Зона сближения кривых определяет границу допустимости установки выключателя с заданной номинальной частотой собственных колебаний fB в данной точке сети.
Для облегчения выбора выключателей следовало бы обозначать на их щитках не только их номинальные параметры и предельную отключающую способность, но и соответствующую ей номинальную частоту собственных колебаний восстанавливающегося напряжения. Насколько известно, это пока не делается.
Следует отметить, что очень большое число выключателей, находящихся в эксплуатации, конструировалось в соответствии с требованиями старого ГОСТ 687—41. Проверка динамической стойкости этих выключателей должна производиться по формулам:
где /Лви. нп» — амплитуда номинального тока динамической стойкости; /дин_ в — действующее значение номинального тока динамической стойкости.
Отключающая способность этих выключателей проверялась по условиям;
(7-20)
здесь
После определения необходимых параметров возникает вопрос о выборе конструкции выключателя, так как при одинаковых параметрах выключатели разной конструкции (масляные, воздушные) могут иметь различные технические характеристики. Этот вопрос решается путем технико-экономического сопоставления выключателей разной конструкции.
В энергетических системах в настоящее время устанавливаются главным образом масляные и воздушные выключатели. Наибольшее распространение среди масляных имеют малообъемные выключатели. Опыт показал, что оба типа выключателей — воздушные и малообъемные масляные — пригодны для всех напряжений и мощностей короткого замыкания. Однако в определенном диапазоне напряжений каждый из этих типов имеет свои преимущества, вытекающие из технических и экономических соображений.
Нормально для отключения больших токов к. з. годятся оба типа выключателей. Отключающая способность выключателей, которые устанавливаются до реактора или за ним, т. е. в кабельных сетях среднего напряжения, должна быть по возможности независимой от частоты восстанавливающегося напряжения. В этом отношении определенное преимущество имеют малообъемные масляные выключатели. Лишь воздушный выключатель среднего напряжения с одним разрывом и с двухступенчатым гашением дуги может конкурировать в этих сетях с малообъемными масляными выключателями.
При неуспешном АПВ (цикл О—ВО) при втором отключении к. з. выключатель должен, как и при первом отключении, развивать полную отключающую способность. Это требует очень быстрого восстановления электрической прочности его межконтактного промежутка после первого отключения. В этом отношении воздушные выключатели с их непрерывно подводимой к дуговому промежутку, не зависящей от тока гасящей средой превосходят малообъемные масляные выключатели. Последние сравнимы с воздушными выключателями только в случае, когда у них имеются устройства принудительного гашения дуги.
При отключении малых индуктивных токов (холостой ход трансформаторов и ЗРОМ) воздушные выключатели без шунтирующих сопротивлений приводят к более высоким перенапряжениям по сравнению с малообъемными выключателями, у которых в этом случае благоприятную роль играет остаточная проводимость межконтактного промежутка, облегчающая повторное зажигание дуги. Этот недостаток отпадает, однако, у воздушных выключателей высокого напряжения с многократным разрывом и с шунтирующими сопротивлениями. В воздушных выключателях среднего напряжения с одним разрывом можно избежать этогонедостатка, если снабдить их сопротивлениями для двухступенчатого последовательного гашения дуги.
Отключение емкостного тока без повторного зажигания дуги воздушные выключатели производят значительно лучше, чем малообъемные, имеющие зависимую от тока характеристику гашения дуги. Малообъемный выключатель может соревноваться
Рис. 7-7. Электрическая прочность межконтактного промежутка при различных способах гашения дуги в этом отношении с воздушным только при наличии у него комбинированного дутья.
1 — малообъемные масляные выключатели; 2 — малообъемные масляные выключатели с комбинированным дутьем; 3 — воздушные выключатели; 4 — свободноструйные воздушные выключатели
По рис. 7-7 легко сопоставить скорости восстановления электрической прочности межконтактных промежутков для выключателей с различными способами гашения дуги.
Итак, в техническом отношении в диапазоне напряжений 6— 110 кВт оба типа выключателей равноценны. В диапазоне 110— 750 кВ воздушные выключатели лучше малообъемных, при этом их преимущества сказываются тем больше, чем выше напряжение. Для напряжений 500 кВ и выше в настоящее время могут рассматриваться только воздушные выключатели. Сточки зрения экономической можно привести следующие соображения. Изготовление малообъемных масляных выключателей значительно проще, чем воздушных на те же напряжения и с такими же параметрами. Следовательно, малообъемные выключатели дешевле воздушных при одинаковых напряжениях и характеристиках. Однако разница в стоимости в пользу малообъемных выключателей уменьшается с повышением номинального напряжения. При напряжениях около 110 кВ разница в стоимости исчезает. Малообъемные выключатели в тех же диапазонах напряжений также имеют меньшие эксплуатационные издержки.
Таким образом, расчетные затраты меньше для малообъемных выключателей. Это и другие экономические преимущества малообъемных выключателей уменьшаются с повышением номинального напряжения выключателей и исчезают совсем при напряжении 110 кВ.
Область применения тех и других выключателей, определенная на основании технико-экономического сравнения, представлена на рис. 7-8.
Другие важные требования к выключателям, которые должны быть учтены при их выборе, сводятся к следующему.
Некоторые выключатели должны отключать не только токи к. з. и токи нормальной нагрузки, но также малые индуктивные
Рис. 7-8. Область применения воздушных и малообъемных выключателей и емкостные токи. Таким образом, в некоторых случаях диапазон отключаемых токов и их фазовых сдвигов может оказаться достаточно широким (рис. 7-9) и вызвать известные затруднения в выборе выключателя.
1 13 5 10 100 1000
Рис. 7-9. Диапазоны отключаемых токов
При отключении малых индуктивных токов, например при отключении холостого хода трансформаторов, дуга имеет тенденцию гореть неустойчиво и гаснуть до естественного перехода тока через нуль (срез тока), что может привести к нежелательным перенапряжениям.
При отключении холостого хода длинных линий или конденсаторных батарей ток опережает напряжение сети на 90°, При переходе емкостного тока через нуль на контактах выключателя со стороны отключенной линии или батареи конденсаторов остается приложенным амплитудное напряжение, которое сохраняется до тех пор, пока емкость не разрядится через утечку цепи. Напряжение же, приложенное к контактам выключателя со стороны сети, продолжает при этом изменяться по синусоидальному закону и через 10 мс после отключения линии (батареи конденсаторов) достигает амплитуды противоположного знака.
Таким образом, межконтактный промежуток в этот момент времени окажется под сетевым напряжением с двойной амплитудой. Отсюда следует, что выключатели, предназначенные для отключения емкостной нагрузки без повторных зажиганий дуги, должны иметь крутое возрастание электрической прочности межконтакткого промежутка или в них должно быть предусмотрело двухступенчатое отключение тока с предварительным вводом сопротивления в цепь тока.
Следующее требование состоит в том, что каждый выключатель должен не только успешно отключать нормальные токи и токи к. з., но и без последствий выдерживать механические усилия, возникающие в нем при коммутации этих токов, а также при сквозных токах к. з., когда выключатель находится во включенном состоянии.
Так как в современных энергосистемах широко применяется АПВ шин и линий, все выключатели, участвующие по схеме в повторном включении, должны отвечать некоторым специальным требованиям: 1) иметь малое время гашения дуги; 2) иметь очень малое собственное время, чтобы в бестоковую паузу продолжительностью 0,2—0,35 с устойчивость системы не нарушалась, а потребители не испытывали помех от перерыва в питании;
3) электрическая прочность дугового промежутка выключателей должна восстанавливаться очень быстро, чтобы выключатели даже после самых тяжелых к. з. и неуспешных АПВ могли надежно выдерживать цикл О—ВО и ко второму отключению полностью восстановить свою номинальную отключающую способность; в сетях с глухозаземленной нейтралью, в которых применяется однофазное АПВ, должна быть возможность пофазного управления выключателями.
Требование сверхбыстрого восстановления электрической прочности дугового промежутка для воздушных выключателей означает необходимость иметь резервуар сжатого воздуха с большим запасом, а также повышенные диаметры трубопроводов сжатого воздуха.
Масляные выключатели не могут в достаточной степени восстановить электрическую прочность дугового промежутка за короткое время бестоковой паузы. Поэтому такие выключатели должны иметь дополнительные устройства для принудительного гашения дуги, чтобы при втором отключении в цикле АГ1В их отключающая способность была достаточной.
Для быстрой оценки пригодности выключателей к АПВ предлагалось также 175] указывать на их щитках данные о номинальной отключаемой мощности в цикле О—ВО (с АПВ) и в цикле ВО (без АПВ). Насколько известно, аппаратные заводы пока не выполняют этого требования эксплуатации.
В некоторых случаях в сетях с глухозаземленной нейтралью возникает наложение к. з. на незакончившееся отключение тока холостого хода трансформатора. Вероятность такого наложения достаточно велика, так как именно при отключении малого индуктивного тока возникают перенапряжения, могущие перекрыть искровой промежуток на вводах трансформатора и перевести таким образом это незавершенное отключение малого тока в отключение очень большого тока к. з. Выключатель будет поставлен перед внезапной необходимостью справиться с такой тяжелой аварией. При наличии на зажимах трансформатора вентильного разрядника отключение будет легким, так как выключателю придется отключать только сопровождающий ток. Без вентильного разрядника с подобной аварией удовлетворительно могут справиться только выключатели, способные восстанавливать электрическую прочность межконтактного промежутка сразу же после размыкания контактов Таким свойством обладают воздушные выключатели. Масляные выключатели могут произвести успешное отключение в подобных случаях только при наличии у них устройств принудительного дутья.
Следующее требование относится к отключению в противофазе. Такое отключение может иметь место при выпадении из синхронизма электрической станции или одной из систем объединения и приводит к повышению напряжения на межконтактном промежутке после погасания дуги. Приведенные на рис. 7-10
высокие возвращающиеся напряжения могут появиться на контактах выключателя только тогда, когда он установлен на линии между станциями или системами, примерно на половине ее длины, и только в этом случае к выключателю должны быть предъявлены повышенные требования.
Рис. 7-10. Амплитуда возвращающегося напряжения 1 — при отключении в противофаse; 2 — при коротком замыкании непосредственно за выключателем
Напряжение на выключателях, установленных по концам подобной линии, при отключении в противофазе будет даже ниже, чем при отключении обычного к. з.
Нормы СССР требуют обеспечить успешное отключение в условиях противофазы при следующих значениях возвращающегося напряжения (ГОСТ 687—78): j/2 UH. —для выключателей до 330 кВ включительно; 2,3UH-Р/У 3— для выключателей 500 кВ, где t/H.p — наибольшее рабочее напряжение выключателя.
На этом основании выключатели, устанавливаемые в линиях связи между станциями или системами, должны иметь особенно быстрое восстановление электрической прочности межконтактного промежутка или же в них должно применяться двухступенчатое отключение через сопротивление. Эти соображения справедливы для выключателей всех типов.
Выключатели всех типов должны иметь малое собственное время и отсутствие разброса при коммутациях. Это требование стало особенно важным после широкого внедрения АПВ в практику эксплуатации.
Собственное время выключателя — это время от момента подачи сигнала на коммутацию до полного расхождения контактов — при отключении или соответственно до соприкосновения контактов при включении.
В многополюсных выключателях контакты отдельных полюсов должны по возможности одновременно включаться и отключаться. Неодновременное размыкание контактов выключателей, установленных в сетях с изолированной нейтралью, может привести к значительным перенапряжениям.
В хорошо исполненных выключателях разница в отключении или включении контактов не должна быть больше 5 мс. Вообще большинство норм зарубежных стран допускает максимальную разницу во времени отключения или включения отдельных полюсов 10 мс (нормы СССР на разброс отсутствуют). В трехполюсных выключателях время гашения дуги в отдельных полюсах при одновременном отключении не должно отличаться более чем на 50 мс.
