Исследование коммутационной способности дугогасительного устройства воздушного выключателя

Г. С. Каплан, Н. И. Константинова, Э. И. Яннус

Разработка дутогасительных устройств (ДУ) с продольным воздушным и элегазовый дутьем выключателей переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения, особенно для предельных значений тока и напряжения, связана с большими затратами на проведение коммутационных испытаний выключателя на установке большой мощности.
В работе [1] предложена методика физического моделирования процессов дугогашения в выключателях с газовым дутьем, основанная на допущении о том, что основным механизмом передачи мощности служит турбулентный тепломассообмен на границе между плазмой ствола дуги и спутным потоком холодного газа. Исходя из этого получены масштабные коэффициенты для основных параметров, характеризующих процесс отключения в ДУ воздушного дутья.
Применение такой методики позволяет существенно уменьшить объем коммутационных испытаний на оригиналах выключателей. В этом случае появляется возможность поэтапного исследования отключающей способности: на первом этапе на моделях ДУ и установке относительно небольшой мощности определяется (с высокой достоверностью вследствие большого числа опытов) величина предельно допустимого тока отключения при заданных сетевых условиях, на втором этапе проводятся испытания на коммутационную способность оригинала ДУ. Следует подчеркнуть, что поэтапная методика может применяться на различных стадиях проектирования новых конструкций, а также при модернизации существующих конструкций ДУ выключателей.
В настоящей работе для экспериментального подтверждения этой методики проводились сравнительные исследования коммутационной способности модели уменьшенных размеров одного разрыва модуля воздушного выключателя на 330 кВ (ВВБ-330) и соответствующего оригинала в реальных сетевых условиях работы.
Из практики испытаний высоковольтных выключателей известно, что если при одних и тех же достаточно жестких условиях проводить ряд опытов по отключению тока, то в общем случае происходят как гашения, так и негашения электрической дуги. Таким образом, коммутационная способность выключателей носит статистический характер [2], поэтому практически невозможно непосредственно измерить интересующую нас случайную величину — отключающую способность. На основании испытаний универсальной характеристикой выключателя можно считать кривую вероятности негашения, построенную в зависимости от одного из переменных параметров, влияющих на отключающую способность ДУ.
При исследовании коммутационной способности какой-либо конструкции ДУ можно, вообще говоря, построить ряд характеристик — кривых вероятности негашения. К ним относятся характеристики, у которых переменной величиной является электрическая нагрузка; они служат для определения предела отключающей способности и для сравнения методов испытаний либо для оценки того или иного конструктивного переменного параметра.
Таким образом, объективность сравнения коммутационной способности модели и оригинала ДУ может быть достигнута при сопоставлении кривых негашения, полученных в зависимости от одного из переменных параметров, воздействующих на ДУ со стороны сети (при неизменных конструктивных параметрах объекта воздействия — ДУ). За переменный параметр. принималась величина производной тока отключения dl/dt при его переходе через нулевое значение. Многочисленные эксперименты, проведенные на ДУ с воздушным дутьем, подтвердили, что работа выключателя действительно может характеризоваться кривой вероятности негашения в зависимости от dl/dt, причем эта кривая может быть описана нормальным законом распределения.
Для каждой кривой вероятности негашения проводились две серии опытов при двух значениях переменной величины: меньшем х1= (dl/dt)1 и большем х2 = (di/dt)2; для этих точек определялись вероятности негашения Р1= m1/n1 и Р2 =m2/n2, где п1 и п2 — количество опытов в каждой серии испытаний; т1 и т2— число негашений.
Методика определения параметров кривой нормального распределения приведена в работе [1].
Наиболее целесообразно проводить опыты при двух значениях переменного параметра, соответствующих точкам интегральной кривой, 0,03...0,09 и 0,97...0,91, но приемлемая для практики точность имеет место и в случае, если вторая точка определена в районе 50%-ной вероятности.
На модели ДУ была исследована переходная зона гашения и негашения в зависимости от переменного параметра dl/dt, поскольку при испытаниях натурного выключателя такая зона обычно неизвестна, а определение ее требует большого количества опытов и соответственно больших затрат.

Исследования на модели позволили определить несколько точек кривой вероятности негашения и соответствующие значения di/dt. Эти значения при вероятностях P1= 0,5 и Р1= 0,1 были приняты за базисные при испытаниях на реальном выключателе.
Сравнительные исследования коммутационной способности проводились на одном дугогасительном разрыве модуля выключателя ВВБ-330 и его модели в режиме отключения неудаленного короткого замыкания (75% номинального тока отключения) при Iон = 35,5 кА, скорости переходного восстанавливающего напряжения du/dt = 2 кВ/мкс и давлении воздуха р = 1,6 МПа.

Рис. 1. Схема исследований коммутационной способности на модели ДУ

Все механические и электрические параметры, определяющие процесс отключения в выключателях с продольным газовым дутьем, при переходе от оригинала ДУ к модели изменялись в соответствии с линейным масштабным коэффициентом α<1 [1]. Геометрические размеры исследуемой модели ДУ были уменьшены в пять раз, т. е. α= 0,2.

Исследования коммутационной способности на модели ДУ были проведены в лаборатории кафедры электрических аппаратов по прямой одночастотной испытательной схеме (рис. 1), а оригинала — на сетевом испытательном стенде кафедры ТВН ЛПИ им. М. И. Калинина по двухчастотной синтетической схеме с последовательным наложением напряжения [2].
Параметры испытаний рассчитывались в соответствии с ГОСТ 687—78. Переменный параметр dl/dt изменялся путем регулирования зарядного напряжения батареи конденсаторов колебательного контура при испытаниях на модели и контура высокого напряжения при испытаниях оригинала. Схемы регулирования восстанавливающегося напряжения со стороны источника  и со стороны короткозамкнутой линии (r0, С0, L1, L2, С2), одинаковые для модели и оригинала ДУ, приведены на рис. 1.
В процессе экспериментов регистрировались значения тока отключения, производной тока отключения, напряжения на дуге, а также форма кривой переходного восстанавливающегося напряжения.
Испытания модели ДУ проводились на макете воздушного выключателя; за успешное отключение принималось однополупериодное гашение. Элементы ДУ модели изготовлялись из тех же материалов, что и оригинала. В процессе исследований для обеспечения постоянства характеристик ДУ производилась замена контактов новыми через каждые 10 опытов.
Данные, полученные в результате обработки осциллограмм 80 опытов, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Таблица 2

Кривые вероятности негашения для модели и оригинала построены на рис. 2. Результаты точности вычисления параметров даны в табл. 2.

Рис. 2. Кривые вероятности негашения
Анализ рис. 2 и данных табл. 2 позволяет заключить, что кривые вероятности негашения, экспериментально определенные для оригинала и модели, с достаточной для практики точностью совпадают.
Результаты проведенных исследований подтверждают не только правильность методики физического моделирования процессов дугогашения, предложенной в [1], но и возможность использования этой методики при коммутационных испытаниях выключателей с продольным газовым дутьем.