2-4. СИНХРОНИЗИРОВАННЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Рис. 2-24. Энергия, выделяемая электрической дугой при синхронизированном и несинхронизированном отключении
Под синхронизированным выключателем понимается выключатель, у которого быстрое размыкание контактов происходит за несколько миллисекунд до перехода тока через нуль. Синхронизированное отключение цепи позволяет существенно уменьшить как отключаемый ток, так и длительность существования дуги и тем самым во много раз уменьшить обгорание контактов. На рис. 2-24 для примера приведена осциллограмма отключения среднеквадратического тока 150 кА при синхронизированном (кривая 1) и несинхронизированном отключении (кривая 2). Из сопоставления этих кривых видно, что при синхронизированном отключении энергия, выделяемая в межконтактном промежутке, составляет 10 А-с, а при несинхронизированном отключении— 1300 А-с.
Синхронизированное отключение позволяет уменьшить диаметр сопла (рис. 2-25) при гашении дуги в сжатом воздухе.
Рис. 2-25. Сравнение отключаемого тока 1 в зависимости от диаметра сопла d при синхронизированном (1) и несинхронизированном (2) отключении воздушным дутьем
Идея синхронизированного отключения появилась много лет тому назад [19], однако практического применения еще не нашла, хотя работы в этой области проводятся все время.
При разработке синхронизированного выключателя необходимо решить ряд сложных технических вопросов.
Основными из них являются:
- Создание устройства синхронизации — синхронизатора, автоматически управляющего началом расхождения контактов. Контакты выключателя должны приходить в движение с постоянным упреждением нуля тока. Ориентировочные расчеты по определению эффективности синхронизированного отключения показали, что время упреждения должно находиться в интервале от четверти периода отключаемого тока до десятых долей миллисекунды.
- Существенное увеличение средней скорости размыкания подвижных контактов этого выключателя по сравнению со скоростью размыкания контактов быстродействующего выключателя. Приводы и конструкции синхронизированных выключателей должны развивать и выдерживать большие ускорения подвижных контактов.
- Разрешение на срабатывание выключателя должно подаваться только после поступления двух сигналов: сигнала релейной защиты (сигнала управления) и сигнала синхронизации.
- Обеспечение высокой надежности системы, например за счет «мгновенного» замыкания контактов при неудачном отключении и повторного синхронизированного отключения в следующий полупериод.
Синхронизирующие устройства.
Основной трудностью при разработке синхронизированного выключателя, по нашему мнению, является трудность создания надежно работающего синхронизатора. Решение этого вопроса значительно усложняется при большой апериодической составляющей β, особенно когда кривая тока не переходит через нуль.
Рис. 2-26. Искажение тока к. з. апериодической составляющей
Синхронизатор должен иметь схему управления, которая по результатам измерения тока в коммутируемой цепи вырабатывает сигналы управления работой выключателя. Эти сигналы должны управлять приводом так, чтобы дугогасительные контакты начинали размыкаться с заданным упреждением нуля тока. Для надежной работы синхронизированного выключателя время упреждения не должно зависеть от формы отключаемого тока, изменения частоты напряжения, колебаний температуры и пр.
По литературным и патентным материалам известно большое число способов управления синхронизированными выключателями. Они отличаются в погрешностях времени упреждения, а также различной степенью сложности реализации.
В одном из способов синхронизации с отсчетом от базисного нуля сумма времени выдержки команды tK и времени упреждения t0 равна полупериоду отключаемого тока (tK + t0=Tн/2). Такой способ прост для реализации, но может быть использован только для симметричного тока. Если отключаемый ток содержит апериодическую составляющую, то длительности отдельных полуволн существенно различны. При поступлении команды на отключение в короткую полуволну (tK + t0<Tн/2) отключение может оказаться неуспешным, так как к моменту перехода тока через нуль контакты не успеют переместиться на заданное расстояние и может произойти пробой. При отключении в более продолжительную полуволну тока (tK + t0>Tн/2) контакты размыкаются при большом токе, что ведет к увеличению дугового времени по сравнению с синхронизированным отключением. Таким образом, описанный способ может применяться только для отключения симметричного тока.
В другом способе синхронизации с отсчетом от базисного нуля сумма выбирается равной Тн. В описываемом способе влияние апериодической составляющей отключаемого тока на точность синхронизации проявляется только в течение первых пяти-шести периодов, когда действительный период отличается от номинального (рис. 2-26). Для реализации этого способа необходимы устройства, вырабатывающие сигналы при переходе тока через нуль (например, пик-трансформатор), и устройства выдержки времени (например, реле времени).
Рис. 2-27. Принцип и схема синхронизации Η. М. Чернышева
Оперативная команда на отключение или сигнал от устройств защиты при аварии поступает на синхронизатор в произвольный момент времени. По этому сигналу после первого перехода тока через нуль блок выдержки времени спустя время tK вырабатывает команду управления приводом выключателя. Известно несколько вариантов выполнения таких схем, которые отличаются режимом работы блока выдержки времени и блока совпадений, разрешающего прохождение команды на отключение.
При малом времени упреждения, например для вакуумных выключателей, находит применение схема синхронизации Η. М. Чернышева, основанная на том, что вблизи перехода тока через нуль (за 0,1—0,5 мс до перехода) изменение тока во времени может быть описано линейной функцией. Принцип и схема синхронизации показаны на рис. 2-27. Вблизи нулевого значения ток изменяется по прямой АВ. Срабатывание синхронизирующего устройства в момент t происходит при токе i(t) за время t0 до естественного перехода тока через нуль. Из рисунка видно, что
тогда для момента упреждения t = t1 можно записать
Таким образом, схема должна реагировать на отключаемый ток и его производную. Падение напряжения на резисторе R пропорционально току, а на индуктивности L — скорости изменения тока во времени di/dt. Параллельно R и L подключены потенциометры R1-2, напряжения с которых с коэффициентами деления К1-2 подаются на нуль-орган (НО):
При сигнале на входе НО, равном нулю,
срабатывает реле. Отсюда следует, что
, т. е. время упреждения может быть изменено перемещением движка одного потенциометра. Описанный способ синхронизации достаточно прост и имеет приемлемые погрешности. Так, при отсутствии апериодической составляющей в отключаемом токе и при времени упреждения порядка 100 мкс схема работает с погрешностью 0,06%. При наличии апериодической составляющей погрешность увеличивается.
Рис. 2-28. Индукционно-динамический привод с магнитной защелкой
Необходимо отметить, что описаны и другие известные схемы синхронизации которые обеспечивают сравнительно небольшие погрешности упреждения, приемлемые для практических целей, но лишь при отключении симметричного тока. В большинстве случаев это относится к оперативным отключениям токов нагрузки.
Каждый конкретный случай к. з. сопровождается непрогнозируемым изменением амплитуды, длительности и симметрии отдельных полуволн тока, дает чередующуюся последовательность больших и малых полуволн. Апериодическая составляющая зависит от целого ряда факторов и в момент отключения ДУ может превышать периодическую составляющую. Реализация синхронизатора для такого случая является сложной проблемой.
Приводы.
Основной особенностью приводов для синхронизированных выключателей является обеспечение высокой скорости разведения контактов, чтобы за небольшое время упреждения (обычно менее 1,5 мс) контакты успели разойтись на расстояние, исключающее повторное зажигание дуги между ними. Высокие скорости расхождения контактов обеспечиваются следующими видами приводов.
Пиропривод, в котором ускоренное перемещение подвижного контакта достигается за счет взрыва горючей смеси во взрывной камере выключателя. С таким приводом были достигнуты скорости перемещения подвижного контакта до 60 м/с. Привод прост в эксплуатации, может обеспечить высокое быстродействие выключателя, однако требует специальных мер по обеспечению его высокой взрывобезопасности.
И н д у к ц и о н н о - д и н а м и ч ес к и й привод (ИДП), в котором перемещение подвижного контакта происходит за счет электродинамических сил, возникающих при протекании тока по неподвижной обмотке привода (при разряде предварительно заряженного конденсатора) и наведенного им тока в короткозамкнутом витке, который механически связан с подвижным контактом выключателя.
Пример выполнения ИДП с фиксацией отключенного положения с помощью «магнитной» защелки показан на рис. 2-28.
Привод содержит постоянный магнит 3, образующий с полюсом 2 и стальной подложкой 8 замкнутую магнитную систему (магнитную защелку), усилие удержания которой больше, чем суммарные усилия пружины 6 и усилия от разности атмосферного давления и давления внутри вакуумной дугогасительной камеры (ВДК), воздействующие на подвижную часть ИДП в противоположном направлении. Подвижная часть привода состоит из алюминиевого диска 10, закрепленного на стальной подложке 8. Подложка через изоляционную тягу 12 жестко соединена с подвижным контактом дугогасительного устройства. Тяга закреплена в подложке клином 7. Внутри постоянного магнита размещена размагничивающая катушка 4. Привод собран на изоляционном основании 9, снабжен изоляционными вставками 1 и 5. Положение, изображенное на рис. 2-28, соответствует разомкнутым контактам дугогасительного устройства.
Для замыкания контактов подается постоянное напряжение на размагничивающую катушку 4. Ток, протекающий по ней, создает магнитное поле, направленное встречно полю постоянного магнита 3. Усилие магнитной защелки уменьшается, и под действием двух упомянутых противодействующих сил подвижные части привода двигаются вверх до замыкания контактов. В этом положении привода между катушкой 11 и диском 10 остается зазор! в несколько десятых миллиметра для компенсации эрозионного износа контактов. Контактное нажатие обеспечивается пружиной 6.
Отключение осуществляется быстродействующим ИДП, состоящим из плоской катушки 11 и диска 10. По команде на отключение предварительно заряженный конденсатор импульсно разряжается на катушку 11. При этом в диске 10 наводится ток противоположного направления, что вызывает электродинамическое отталкивание диска 10 и связанного с ним подвижного контакта 12 от катушки 11, производя размыкание контактов выключателя. Кольцевой зазор между опорой 9 и диском 10 обеспечивает демпфирование колебаний (замедление подвижной системы в конце хода отключения). В нижнем положении контакт удерживается магнитной защелкой.
ИДП может размещаться как на низком, так и на высоком потенциале. При размещении ИДП на низком потенциале короткозамкнутый виток соединяется с подвижным контактом изоляционной тягой. При размещении ИДП на высоком потенциале — непосредственно соединяется с подвижным контактом. Заряд конденсатора происходит через трансформатор с изоляцией на номинальное напряжение выключателя или от генератора, который расположен около привода и приводится во вращение турбинкой с помощью сжатого воздуха.
Синхронизированный сигнал управления приводом передается на высокий потенциал световым лучом, что является наиболее уязвимым местом устройства.
ИДП в течение нескольких десятых долей миллисекунды развивает усилие до нескольких тонн, на которое должны быть рассчитаны элементы привода и подвижного контакта. При этом ускорение подвижного контакта достигает 104g.
Механический импульсный привод, в котором подвижный контакт перемещается при механическом соединении с предварительно раскрученным маховиком. Механическое соединение происходит с помощью системы рычагов от небольшого усилия, создаваемого системой управления по сигналу синхронизатора на отключение. Кинетическая энергия маховика должна быть достаточной для выполнения двух-трех операций В и О.
Отключение трехфазной цепи.
В отличие от несинхронизированных выключателей, в которых команда на отключение подается одновременно на три фазы, синхронизированные выключатели осуществляют отключение пофазно и последовательно во времени. При поступлении команды на отключение она проходит только в одну фазу. На две другие фазы в это время подается запрет на отключение. После отключения первой фазы со второй фазы снимается запрет и происходит ее отключение. С третьей фазы запрет на отключение снимается только после отключения первых двух фаз.
В связи с тем что генераторные выключатели, как правило, работают в схеме с изолированной нейтралью, для отключения трехфазной цепи достаточно двух разрывов у выключателя. Использование синхронизированного отключения в выключателях на генераторное напряжение можно проиллюстрировать двумя примерами.
Фирма «АЕГ-Телефункен» (ФРГ) разработала синхронизированный воздушный выключатель для лаборатории коммутационных испытаний. Он выполняет только функции защитного выключателя, и поэтому по нему длительно не проходит ток. Он не имеет главной контактной системы. Дугогасительные контакты этого выключателя имеют трубчатую форму и расположены в изоляционном резервуаре, заполненном сжатым воздухом при давлении 8 МПа. Подвижный контакт удерживается во включенном положении защелкой, при выбивании которой отводится на требуемое расстояние от неподвижного контакта под действием сжатого воздуха. Электрическая дуга, возникшая между контактами, гасится потоком сжатого воздуха, выходящего в атмосферу через полость контактов. Собственное время отключения выключателя составляет 6,8 мс, что позволяет при соответствующей регулировке подачи команды на отключение обеспечить минимальную длительность горения дуги 0,5 мс.
Испытания выключателя показали, что при возвращающемся напряжении 12 кВ он отключает ток 160 кА как при синхронизированном, так и при несинхронизированном размыкании контактов. Однако при синхронизированном отключении существенно уменьшается износ контактов. Так, например, при синхронизированном отключении тока 85 кА с длительностью горения дуги; 2,5 мс контакты могут отключать этот ток 100 раз без ревизии и замены.
Фирма ITE (США) разработала синхронизированный генераторный выключатель на номинальное напряжение 23 кВ, номинальный ток 12 000 А и номинальный ток отключения 150 кА. Выключатель имеет раздельную главную и дугогасительную контактные системы. Главная контактная система размыкается в любую фазу, а дугогасительная — за 1,5 мс до момента перехода через нуль. Дугогасительные контакты размыкаются в элегазе под воздействием электродинамического привода со скоростью около 14 м/с. Используются две ступени давления элегаза.
Охлаждение главной контактной системы обеспечивается четырьмя тепловыми трубами, отводящими тепловую энергию, выделяющуюся в контактах, на внешние токоподводы. При токе 12 000 А превышение температуры главных контактов выключателя составляет 59°С при температуре внешних токоподводов 31 °С.
