Технологии отключения в сетях среднего напряжения

Серж ТЕОЛЕЙР
Научный работник, в 1983 году окончил Высшую национальную школу инженеров-электриков в Гренобле, имеет диплом доктора-инженера. В 1984 году поступил на работу в Schneider Electric. Занимался научными исследованиями и разработками, а также маркетингом по направлению «Силовые конденсаторы». С 1995 года участвует в работах Schneider Electric в области стандартизации и технической коммуникации по направлению «Передача и распределение электрической энергии высокого / среднего напряжения (ВН/СН)».

Терминология

Ur:
Номинальное напряжение, соответствующее действующему значению напряжения, которое должно выдерживать устройство в течение неопределенно долгого промежутка времени в заданных условиях использования и работы.
Icc :
Ток короткого замыкания.
Ir =
Номинальный ток, соответствующий действующему значению тока, который должно выдерживать устройство в течение неопределенно долгого промежутка времени в заданных условиях использования и работы.
Коммутационный аппарат
Устройство, предназначенное для включения и отключения тока в электрической цепи.
Аппаратура
Общий термин, обозначающий коммутационные аппараты и их сочетание с соответствующими устройствами управления, измерения, защиты и регулировки.
Постоянная времени деионизации
Время, необходимое для удвоения значения сопротивления дуги, при условии, что скорость его изменения остается постоянной.
Короткое замыкание
Случайное или вынужденное соединение через сопротивление или относительно низкое полное сопротивление двух или нескольких точек цепи, обычно находящихся под разным напряжением.
Повреждение
Случайное изменение нормального режима работы.
Замыкание на землю
Повреждение в результате прямого или непрямого контакта провода с землей либо уменьшения сопротивления изоляции относительно земли ниже заданной величины.
Коэффициент перенапряжения
Отношение пикового значения перенапряжения к пиковому значению максимального допустимого напряжения устройства.
Отключающая способность (PdC)
Ожидаемый ток, который коммутационный аппарат должен отключать в заданных условиях использования и характеристиках.
Повторное зажигание
Восстановление тока между контактами механического коммутационного устройства при выполнении операции отключения за время до четверти периода после прохождения тока через нуль.
Повторный пробой
Восстановление тока между контактами механического коммутационного устройства при выполнении операции отключения за время после четверти периода после прохождения тока через нуль.
Перенапряжение
Любое напряжение между проводом фазы и землей или нейтралью либо между двумя фазными проводами, пиковое значение которого превышает пиковую величину, соответствующую максимальному напряжению оборудования.
Переходное восстанавливающееся напряжение (TRV)
Восстанавливающееся напряжение между контактами коммутационного устройства, сохраняющееся в течение периода времени, когда это напряжение имеет выраженный переходный характер.
Номинальное значение
Величина, обычно устанавливаемая производителем для заданных условий эксплуатации какого-либо элемента, устройства или оборудования.

Технология отключения в сетях среднего напряжения

Отключение тока является необходимым действием, выполняемым в электрической цепи с целью обеспечения безопасности людей и оборудования в случае возникновения повреждения, а также для управления и контроля распределения и использования электрической энергии.
Предметом данной работы является подробное представление преимуществ, недостатков и областей применения уже используемых и новых технологий отключения по среднему напряжению.
После описания теоретических аспектов, характеризующих токи отключения и процесс отключения, автор затрагивает тему отключения в воздухе, в масле, в вакууме и в элегазе (среда SF6) и в конце описания дает две сравнительных таблицы. В настоящее время наиболее предпочтительной является технология отключения с разрывом электрической дуги либо в элегазе, либо в вакууме. Эта технология заслуживает подробного анализа.

1 Введение

От электростанции электрическая энергия подается на пункты потребления по электрической сети, схема которой представлена на рисунке 1. Необходимо иметь возможность отключить ток в любой точке сети с целью обеспечения эксплуатации и технического обслуживания или для защиты сети в случае возникновения повреждения. Требуется также обеспечить восстановление тока в различных ситуациях, при нормальном режиме работы или при повреждении. Для этого используются отключающие устройства, выбор которых обуславливается характером тока отключения и областью применения (см. рис. 2). Токи отключения можно разделить на три категории:
Ток нагрузки, как правило, меньше или равен номинальному току Ir. Номинальный ток Ir является действующим значением тока, который должно выдерживать оборудование в течение неопределенно долгого промежутка времени в заданных условиях использования и работы.
Ток перегрузки, когда ток превышает свое номинальное значение.
Ток короткого замыкания, в случае возникновения повреждения в сети, значение которого зависит от мощности источника энергии, характера повреждения и величины полного сопротивления со стороны источника питания цепи.
Кроме того, независимо от условий - отключение, включение или продолжительный режим работы, все эти устройства подвергаются действию следующих нагрузок:
механическое напряжение в диэлектрике от воздействия электрического напряжения;
тепловое напряжение (обычные токи и токи повреждения);
электродинамические силы (ток повреждения); механическое напряжение. Наиболее значительные нагрузки связаны с переходными процессами, которые возникают при выполнении коммутационных операций и в случае отключения токов повреждения с разрывом электрической дуги. Несмотря на использование современных методов моделирования, представляется сложным спрогнозировать поведение этой дуги.
Тем не менее, накопленный опыт, используемые технологии и экспериментальные исследования, в значительной мере, способствуют успешной разработки отключающих устройств. Эти устройства называются «электромеханическими», так как на сегодняшний день технология статического отключения в сетях среднего и высокого напряжения с точки зрения технико-экономических показателей пока еще не рассматривается. Таким образом, из всех типов отключающих устройств наибольший интерес представляют (автоматические) выключатели, так как они способны устанавливать, выдерживать и отключать ток в нормальном и аноманольном режимах (короткое замыкание). В данной работе речь идет, главным образом, об отключении переменного тока с помощью выключателя. Рассматриваемый диапазон относится к области среднего напряжения (1 - 52 кВ), поскольку именно для этого уровня напряжения существует наибольшее количество методов отключения. В первой части настоящего документа рассматриваются явления, возникающие при отключении и включении. Во второй части представлены четыре типа технологий отключения, получившие в настоящее время наибольшее распространение, а именно, метод отключения в воздухе, масле, вакууме и элегазе.

Передающая сеть очень  Питающая сеть      Распределительная сеть Распределительная сеть
высокого напряжения (СВН) высокого напряжения (ВН) среднего напряжения (СН) низкого напряжения (НН) 800 кВ - 300 кВ       300 кВ - 52 кВ       52 кВ - 1 кВ 1 кВ - 220 В

Рис. 1: Схема электрической сети

Рис. 2 : Различные коммутационные устройства, их функции и назначение

*= в вакууме ** = под нагрузкой *** = в условиях короткого замыкания □ = в соответствии с условиями эксплуатации