ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ 110 кВ серии ВРС-110

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ 110 кВ серии ВРС-110
2
2
Вакуумные выключатели до настоящего времени по классу напряжения сети традиционно занимали нишу до 40 кВ. При этом практически во всех случаях использовались одноразрывные дугогасительные устройства.
Для создания вакуумных выключателей на более высокие напряжения, например на
напряжение сети 110 кВ, использовались дугогасительные устройства, состоящие из нескольких одноразрывных камер (выключатели фирм Фуджи, ЭЛВЕСТ и других), что значительно
усложняло конструкцию выключателя.
Благодаря внедрению современных технологических достижений появилась возможность создания одноразрывной вакуумной дугогасительной камеры на номинальное напряжение сети 110 кВ и разработки соответствующего вакуумного выключателя.
Такой выключатель типа ВРС-110 разработан и изготавливается Концерном "Высоковольтный Союз". Выключатель прошел весь цикл типовых испытаний и планируется для
установки в эксплуатацию на подстанциях с классом напряжения 110 кВ.
Одной из основных технических задач, связанных с применением вакуумных выключателей, является определение уровней коммутационных перенапряжений и разработка эффективных и практически осуществимых мероприятий по их ограничению.
Целью данной презентации является :
- определение расчетным путем уровней коммутационных перенапряжений при
коммутации вакуумным выключателем 110 кВ производства ЗАО “Высоковольтный
союз”;
- разработка рекомендаций по ограничению перенапряжений, возникающих при отключении вакуумными выключателями высоковольтных электродвигателей и трансформато
ров .
- демонстрация самого вакуумного выключателя ВРС-110 с пружинным приводом
Информация для расчета перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями
типа ВРС-110 силовых трансформаторов на подстанциях 110 кВ таких как ПС Восточная, ПС
Южная и ПС Р-29 предоставила ОАО "МРСК Юга", это обьекты, где в настоящее время идет
работа по установке вакуумных выключателей на 110 кВ.
В качестве программного средства численного анализа переходных процессов применялась программа "ТРИАДА", разработанная на кафедре электрических станций и сетей
Санкт-Петербургского государственного технического университета.
1. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И ЕЕ ПАРАМЕТРЫ.
Для расчетов перенапряжений при коммутациях трансформаторов были использованы схемы электрические принципиальные подстанций 110 кВ, представленные Заказчиком,
Для расчетов перенапряжений при отключении трансформаторов вакуумными выключателями была составлена схема замещения, представленная в однолинейном виде на рис.
1.
Рис. 1. Расчетная схема замещения при отключении электродвигателя.
В схему замещения на рис. 1 входят следующие элементы:
- Eс - напряжение сети;
- Lс - эквивалентная индуктивность сети;
- Cс и Rc - эквивалентные емкость и демпфирующее сопротивление сети на шинах
секции;
- В - вакуумный выключатель;
- LТ, CТ И RТ - эквивалентные индуктивность, емкость и сопротивление потерь транс
форматора;
Элементы схемы замещения на рис. 1 определялись следующим образом.
Напряжение сети Eс принималось равным 127 кВ.
Эквивалентная индуктивность сети Lс определяется по величинам токов короткого
замыкания (Iк.з.) на шинах секций.
Lc =-
(1)
314 -
к.з.
Согласно данным Заказчика величины токов короткого замыкания на шинах подстанций составляли
Таблица 1.
Подстанция
Ток трехфазного КЗ, кА
Южная
Восточная
Р-29
7,1
11,0
23,0
Эквивалентная емкость сети Сс определялась по величинам емкостей, отходящих от
подстанций ВЛ 110 кВ.
При этом учитывалось, что на подстанциях Южная и Восточная ремонтные перемычки в нормальном режиме включены, и в формировании Сс участвуют удвоенные длины двухцепных отходящих линий. На ПС Р-29 трансформаторы Т1 и Т2 подключены к 1 и 2 секциям
соответственно. Также к секциям 1 и 2 в нормальном режиме подключено по две отходящих
одноцепных линии.
Таким образом суммарные длины отходящих ВЛ по данным Заказчика (Приложение
2) составили
Таблица 2.
Подстанция
Суммарные длины
отходящих ВЛ, км
Южная
Восточная
24,22
19,03
Р-29 1
19,42
секция 2
13,37
секция
Величина погонной емкости В Л 110 кВ выбиралась с учетом следующего.
Для расчетов перенапряжений принято использовать эквивалентную величину погонной емкости, которую можно оценить по величине зарядного тока (зарядной мощности). Для
В Л 110 кВ с сечением проводов от 70 до 240 мм2 согласно справочным данным [1] величины
зарядного тока находятся в пределах 18 - 20 А/100 км линии. Если принять для определенности среднюю величину 19 А/100 км, то этому будет соответствовать величина погонной емкости 9,5 нФ/км.
Емкость конденсатора связи 6,4 нФ добавлялась к емкости сети, если он был подключен к ВЛ.
Таким образом суммарные длины отходящих ВЛ по данным Заказчика (Приложение
2) и величины Сс составили
Таблица 2.
Подстанция
Суммарные длины
отходящих ВЛ, км
Эквивалентная емкость сети Сс, нФ
Южная
Восточная
24,22
19,03
236,5
187,2
Р-29 1
19,42
190,9
секция 2
13,37
139,8
секция
Необходимо отметить, что величина Сс является оценочной и в определенных пределах не оказывает существенного влияния на расчетные величины перенапряжений, что будет
показано ниже в ходе расчетов.
Эквивалентное демпфирующее сопротивление сети Rс предусмотрено для учета затухания свободных колебаний на шинах секций.
Для расчетов коммутационных перенапряжений при отключении трансформаторов
были выбраны следующие режимы с индуктивным характером отключаемого тока:
- режим холостого хода Iхх;
- режим индуктивной нагрузки с током 0,1 Iном
- режим индуктивной нагрузки с током 0,3 Iном
- режим симметричного короткого замыкания на стороне НН, Iк.з..
Трансформатор замещался эквивалентной индуктивностью Lт, величина которой определялась по формуле, аналогичной (1), при соответствующих величинах токов (ток холостого хода, ток индуктивной нагрузки 0,1 Iном., ток индуктивной нагрузки 0,3 Iном., ток на
стороне ВН при коротком замыкании на стороне НН - по величинам UК). Величины токов
холостого хода и UК ВЗЯТЫ ИЗ технических характеристик трансформаторов, представленных
Заказчиком, либо взятым по справочным данным.
Величина емкости Ст, параллельной обмотке ВН трансформатора, равна емкости
ошиновки плюс емкость ввода.
Емкость ошиновки определялась умножением длины ошиновки от выключателя до
зажимов трансформатора на величину погонной емкости ошиновки, принятой равной 8 пФ/м
по [2]. Емкости вводов 110 кВ приняты равными 400пФ. Таким образом:
для ПС Южная и Восточная Ст = 15 м х 8 пФ/м +400 пФ = 520 пФ
для ПС Р-29 - Ст = 20 м х 8 пФ/м +400 пФ = 560 пФ. Величина RТ определялась по
величине потерь холостого хода. Используемые в расчетах характеристики
трансформаторов приведены в таблице3.
Таблица 3.
Подстанция
Дисп. наименование тр-ра
Тип тр-ра
UНОМ.
(ВН),
кВ
Iном.
(ВН),
А
Iх.х.,
%
Pх.х.,
кВт
UК, %
Южная
Т1
ТРДН25000/110/66
115
85
0,42
114,3
10,77
Южная
Т2
ТРДН25000/110/66
115
85
0,44
115,27
9,59
Восточная
Т1
ТДН15000/110/66
115
74,5
0,97
65
11,10
Восточная
Т2
ТДН16000/110/66
115
80,3
0,46
22,68
11,15
Восточная
Т*
ТРДН25000/110/77У1
115
125,5
0,75
31,5
10,95
Р-29
Т1 (Т2)
ТДН16000/110/10/10
115
80,3
0,85
21,0
10,5
*)- планируется на замену трансформаторов Т1 и Т2.
Поскольку на данном этапе разработки выключателя отсутствуют экспериментальные
данные, по которым можно было бы оценить скорость нарастания и конечную величину электрической прочности межконтактного промежутка, то для проведения расчетов данные параметры математической модели вакуумного выключателя ВРС-110 были выбраны, исходя из
следующего:
- конечная величина электрической прочности (Uмакс.) была принята равной испыта
тельному напряжению грозового импульса 450 кВ для оборудования без повышенного уровня
изоляции по ГОСТ 1516.-96, табл. Г6. Данная величина Uмакс. была принята в качестве ми
нимальной;
- минимальное время перемещения контактов дугогасительной камеры от момента
размыкания до прихода в конечное положение составляет 16,7 мс. С целью получения
запаса в расчетах это время было принято равным 20 мс;
- величина тока среза вакуумной камеры принята равной 5 А.
Выбор ОПН для защиты трансформаторов 110 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений.
В соответствии с "Методическими указаниями по применению ограничителей в электрических сетях 110 - 750 кВ" [3] выбор ОПН в сетях 110 кВ производится по следующим
показателям и условиям:
По наибольшему рабочему напряжению.
Согласно ГОСТ 1516.3-96 наибольшее рабочее напряжение сети 110 кВ не должно
превышать 126 кВ.
При этом наибольшее рабочее напряжение ОПН должно быть не менее
Uн.р. = (126/√3)∙1,05 = 76,4 кВ.
Поскольку к шинам 110 кВ рассматриваемых подстанции не подключены потребители с нагрузкой, содержащей высшие гармоники, например - тяговые подстанции, то дополнительного учета влияния высших гармоник не требуется.
В дальнейшем для определенности примем Uн.р. = 77 кВ, как одно из ближайших
значений у выпускаемых ОПН.
По условиям работы в квазистационарном режиме.
В качестве типового расчетного случая квазистационарного режима для рассматриваемой точки сети 110 кВ принято считать однофазное короткое замыкание на землю, при
котором увеличиваются напряжения на "здоровых" фазах.
Поскольку в нормальном режиме нейтрали трансформаторов глухо заземлены, то существенного повышения напряжения на здоровых фазах при однофазном замыкании на землю не ожидается. Для получения запаса может быть принят коэффициент повышения напряжения, равный 1,4, тогда наибольшая ожидаемая величина квазиустановившегося перенапряжения будет составлять Uк.п. = 1,4-(126/л/3) = 102 кВ.
В качестве предварительного варианта ОПН рассматривается планируемый к установке ОПНп-110/550/77-IV-УХЛ1 производства ЗАО "Полимер-Аппарат".
По представленной предприятием - изготовителем вольт-временной характеристике,
соответствующей случаю максимального нагружения ОПН, рис. 2, и по соотношению
Uк.п./Uн.р. = 102/77 = 1,32 определяем, что в этом случае ОПН выдержит перенапряжения в
квазистационарном режиме в течение примерно 1 секунда, что может быть недостаточным,
если считать, что максимальное время работы защит, равное 4 с.
Если увеличить Uн.р. до 84 кВ, то по соотношению Uк.п./Uн.р. = 102/84 = 1,21 можно
определить, что в квазистационарном режиме ОПН выдержит примерно 100 с.
По энергоемкости.
Наибольшая суммарная протяженность отходящих ВЛ соответствует подстанции Р29 и составляет 25,72 км. Иные объекты с большой емкостью отсутствуют.
Энергию (Wопн), поглощаемую ОПН при ограничении коммутационных перенапряжений, приходящих с В Л 110 кВ можно оценить по формуле
WonH = ((Uкп. мах)2 - (UOCT.)2 )-Свл/2, где
()
Свл - емкость воздушной линии, Свл = 0,0058 (мкФ/км)-25,79 км = 0,149 мкФ,
Uкп мах. - наибольшее расчетное коммутационное напряжение, принятое равным для
сети 110 кВ 3Uф.,
UОСТ. - наименьшая величина остающегося напряжения на ОПН при ограничении
коммутационных перенапряжений, принята равной 182 кВ.
Для рассматриваемых ВЛ величина Wопн = 5,8 кДж или 0,061 кДж/кВ наибольшего
рабочего напряжения ОПН, предполагаемого к установке. Соответствующая величина удельной поглощаемой энергии предполагаемого к установке ОПН составляет 3,1 кДж/кВ наиб,
раб. напряжения.
По уровню ограничения перенапряжений.
Остающееся напряжение ОПН при разрядном токе 8/20 мс амплитудой 10 кА составляет 244 кВ, что ниже испытательного напряжения 450 кВ грозового импульса для силового
трансформатора 110 кВ.
Величина одноминутного испытательного напряжения промышленной частоты изоляции относительно земли обмоток 110 кВ силовых трансформаторов составляет 200 кВ, что
соответствует 200∙√2∙1,15 = 325 кВ коммутационного импульса.
Уровни ограничения перенапряжений рассматриваемых ОПНп-110/550/84-IV-УХЛ1
находятся в пределах 185 - 201 кВ коммутационного импульса, т. е. значительно ниже соответствующих испытательных напряжений изоляции защищаемого оборудования.
По величине тока взрывобезопасности.
Величина тока взрывобезопасности должна быть выше наибольшей величины тока
короткого замыкания в данной точке сети.
Наибольшая величина тока к.з, равная 23 кА,. имеет место на подстанции Р-29, что
значительно ниже величины тока взрывобезопасности, ОПНп-110/550/84-IV-УХЛ1, равной 40
кА.
Заключение по выбору ОПН 110 кВ.
Для защиты силовых трансформаторов 110 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений на подстанциях Южная, Восточная и Р-29 могут быть применены ОПНп110/550/84-IV-УХЛ1 производства ЗАО "Полимер-Аппарат".
Исполнение ОПН по степени загрязнения и по климатическим условиям эксплуатации могут быть уточнены в проекте.
Возможно применение ОПН других производителей, имеющих характеристики, не
уступающие характеристикам выбранного ОПН.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ АHАЛИЗ.
В расчетах предполагалось, что при отключении индуктивных токов в диапазоне от
0.1 Iн до Iк.з. размыкание контактов выключателя происходит при подходе тока к нулевому
значению. В этом случае, как показывает опыт расчетов и экспериментальные данные, следует ожидать наибольших перенапряжений вследствие повторных пробоев между контактами.
В расчетах при отключении токов холостого хода предполагалось, что обрыв тока
может произойти в любой момент его полуволны вследствие нестабильности дуги в диапазоне от нуля до максимальной величины тока среза. При этом момент размыкания контактов в
расчетах соответствовал началу полуволны тока.
Как показали расчеты, при отключении индуктивных токов трансформаторов повторные пробои между контактами выключателя могут иметь место во всех рассмотренных режимах.
Наибольшие перенапряжения в отсутствии ОПН имеют место при отключении индуктивных токов (0,1 - 0,3) Iн и находятся в пределах (206 - 234) кВ или (2,0 - 2,3) Uф.
По своей величине такие перенапряжения не представляют опасности для изоляции
трансформаторов, т. к. они не превышают уровней испытательных напряжений ни грозового
импульса (550 кВ), ни амплитуды промышленной частоты (200х√2 = 283 кВ). Однако, учитывая, что эти перенапряжения сопровождаются многочисленными высокочастотными перепадами (срезами), которые негативно влияют на витковую изоляцию обмоток, целесообразно
принять меры к ограничению этих перенапряжений.
Как показали расчеты, при установке ОПН величины перенапряжений при отключении индуктивных токов (0,1 - 0,3) Iн снижаются до (137 - 157) кВ или (1,3 - 1,5) Uф, что соответственно также снижает опасные воздействия на витковую изоляцию обмоток.
С целью определения влияния величины эквивалентной емкости сети Сс на уровни
перенапряжений при работе вакуумного выключателя были проведены сравнительные расчеты, результаты которых отражены в Приложении 4. Изменение Сс в сторону примерно на 100
нФ уменьшения (строка "Южная, Сс уменьшена, Сс = 147,4 нФ") либо в сторону увеличения
(строка "Южная, Сс увеличена, Сс = 340 нФ") не оказывает заметного влияния на расчетные
величины максимальных напряжений.
Расчетами также показано, что замена существующих трансформаторов на ПС Восточная на трансформаторы мощностью 25000 кВА не оказывает существенного влияния на
расчетные уровни перенапряжений (см. Приложение 4, строка "Восточная", Т* планируемый
на замену) и не является препятствием для установки вакуумного выключателя ВРС-110.
3. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
3.1. При отключении вакуумными выключателями типа ВРС-110 производства Концерна "Высоковольтный Союз" индуктивных токов трансформаторов 110 кВ на подстанциях
ПО кВ Южная, Восточная и Р-29 ОАО "МРСК Юга" возникают перенапряжения с амплитудой до 2,3 Uф.
3.2. Для ограничения перенапряжений при отключении вакуумными выключателями
ВРС-110 трансформаторов 110 кВ на подстанциях ПО кВ Южная, Восточная и Р-29 рекомендуется установка ОПН типа ОПНп-110/550/84-IV-УХЛ1 производства ЗАО "ПолимерАппарат" либо ОПН других производителей с аналогичными характеристикам