На правах рукописи

Омокеева Айзада Абдиевна

ОЦЕНКА ГЕНЕРАТОРНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ МАЛЫХ ГЭС

ПО ПАРАМЕТРАМ КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.14.02 – «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2012 г.

Работа выполнена на кафедре электрических станций Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Гусев Юрий Павлович Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Официальные оппоненты: Челазнов Александр Алексеевич доктор технических наук, заведующий отделом энергоснабжения предприятий ОАО «Газпром»

института ОАО «Газпром промгаз»

Сергеев Юрий Георгиевич кандидат технических наук, доцент кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений Национальный исследовательский университет «МЭИ»

ОАО «Институт Теплоэлектропроект»

Ведущая организация:

г. Москва

Защита состоится «21» декабря 2012г. в аудитории Г-200 в 15 часов минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д.17, 2 этаж, корпус «Г».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул.

Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «» ноября 2012 г.

Председатель диссертационного совета Д 212.157. доктор технических наук, профессор Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи исследования Срок службы изоляции электрооборудования в электрических сетях во многом зависят от уровня коммутационных перенапряжений. В последнее время актуальность данного вопроса существенно возросла в связи с внедрением в эксплуатацию сверхбыстродействующих выключателей нового поколения. Обзор и анализ литературы показал, что на электрических станциях происходит замена устаревших генераторных маломасляных выключателей на элегазовые и вакуумные, и опыт эксплуатации таких выключателей в цепях генератор – трансформатор пока недостаточен.

Изучение и исследование данной проблемы своевременно и требует проведения анализа электромагнитных переходных процессов в цепях генераторного напряжения. Вероятность возникновения перенапряжений, представляющих опасность повреждения изоляции обмотки статора генератора, существует при коммутациях присоединений выключателями с жестким дугогашением, к которым относятся вакуумные выключатели.

Вакуумные выключатели в силу своих особенностей способны отключать индуктивный ток, содержащий высокочастотную составляющую, возникающую при повторных зажиганиях дуги, которые имеют место, в случае если восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя превысит электрическую прочность вакуумного промежутка. При этом изоляция коммутируемого электрооборудования может подвергаться градиентным перенапряжениям.

Оценка уровней перенапряжений, возникающих при коммутациях генераторными выключателями с различными дугогасящими средами, проводилось путем сопоставления импульсной прочности изоляции электрооборудования со значениями воздействующих перенапряжений, при варьировании параметров основного оборудования сети генераторного напряжения ГЭС малой мощности. Анализ результатов позволил определить зависимость коммутационных перенапряжений от проектных решений по подключению генераторов к трансформаторам.

Таким образом, цель работы заключалась в сопоставительной оценке вакуумных и элегазовых генераторных выключателей, по параметрам коммутационных перенапряжений, в условиях их применения на малых ГЭС.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- выполнен анализ параметров основного электрооборудования и электрических схем реальных ГЭС малой мощности электроэнергетической системы Кыргызстана, позволивший получить необходимые исходные данные для разработки математической модели электрической части генераторного блока ГЭС малой мощности;

- разработаны математические модели блоков ГЭС малой мощности с учетом коммутационных процессов в генераторных маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателях и примыкающего участка электрической сети;

- проведены расчётно-теоретические исследования переходных процессов, возникающих при коммутациях генераторными выключателями, и выявлены основные факторы, влияющие на параметры коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения;

- получены зависимости параметров коммутационных перенапряжений от параметров блочных трансформаторов, генераторов, соединительных токопроводов и от параметров выключателей, применяющихся на малых ГЭС;

- разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений, возникающих при коммутациях генераторными выключателями.

Методы исследования В работе использованы методы теории электрических цепей и математического моделирования электромагнитных переходных процессов в специализированной программе EMTP-RV.

Достоверность сформулированных выводов и рекомендаций обоснованы корректным использованием аналитической и численной методик расчета электромагнитных переходных процессов, обоснованностью принятых допущений и сопоставлением полученных результатов расчетов переходного восстанавливающегося напряжения и параметров коммутационных перенапряжений с результатами других исследователей, полученными при решении аналогичных задач.

Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в оценке вакуумных и элегазовых генераторных выключателей малых ГЭС по коммутационным параметрам и состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель электрической части генераторного блока ГЭС малой мощности, отличающаяся от известных использованием моделей генераторных выключателей с разными дугогасительными средами - маломасляных, вакуумных и элегазовых.

2. Выявлены основные факторы, влияющие на параметры коммутационных перенапряжений в цепях генераторного напряжения, определяющими из которых являются схема эксплуатации, параметры генератора, соединительного токопровода, трансформатора и выключателя, при этом влияние параметров внешней сети незначительно.

3. Разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от коммутационных перенапряжений, включающие требования к их параметрам и месту установки в электрической схеме, позволяющие повысить надежность эксплуатации электрооборудования блока.

Практическое значение и внедрение Основные положения диссертации и разработанные рекомендации по защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений при коммутациях выключателями могут быть использованы проектными организациями при проведении работ по реконструкции электрических станций, а также при разработке инструкций по установке защитных средств от перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями в цепях генераторного напряжения станций.

Полученные результаты по диапазонам изменения прочности межконтактного промежутка могут быть учтены при разработке новых выключателей и средств защиты от перенапряжений.

Апробация работы Основные результаты работы апробированы и работа в целом обсуждалась на кафедре «Электрические станции» НИУ «МЭИ», на XVII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2011), на V Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» НИ ТПУ (Томск, 2012), на Международных научно – технических конференциях КГТУ им. И. Раззакова (г.Бишкек, 2011).

Публикации по проведенным исследованиям размещены в журнале «Электрические станции» (2012) и в трудах четырех конференций. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, одна из которых в издании по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель и основные задачи исследования, приведены основные положения диссертации, отражающие научную новизну и практическую значимость.

Глава первая. Особенности схем эксплуатации и основного электрооборудования сетей генераторного напряжения малых ГЭС Аналитическому обзору подвергнуты электрические схемы и параметры основного электрооборудования малых ГЭС электроэнергетической системы Кыргызстана. Показано, что согласно современной тенденции развития выключателей среднего класса напряжения, в сетях генераторного напряжения взамен маломасляным выключателям внедряются вакуумные и элегазовые выключатели.

Рассмотрены принципы работы вакуумных и элегазовых выключателей.

Проведен обзор и анализ публикаций по проблеме.

Из работ, посвященных исследованию перенапряжений, вызываемых коммутациями вакуумными выключателями, установлено, что на момент установки первых вакуумных генераторных выключателей на ГЭС в 2008 г.

не было ни опыта применения таких аппаратов, ни методических указаний, позволяющих проектировщикам выполнить необходимые расчеты для выбора параметров и места установки средств защиты. Почти все публикации с рекомендациями по защите электрооборудования от коммутационных перенапряжений, создаваемых вакуумными выключателями, в основном относятся к защите оборудования распределительных сетей 6–10 кВ и сети собственных нужд электростанций.

электромагнитных переходных процессов, при коммутациях выключателями в цепях генераторного напряжения с учетом дуговых процессов и других влияющих факторов.

Определена цель данной работы - сравнительная оценка вакуумных и элегазовых генераторных выключателей, устанавливаемых на малых ГЭС, по параметрам коммутационных процессов.

электромагнитных переходных процессов при коммутациях в сетях генераторного напряжения Проведен расчетно - теоретический анализ электромагнитных переходных процессов при операциях включения и отключения выключателей в схеме блока генератор – трансформатор, с учетом неполнофазных режимов, возникающих в процессе эксплуатации вследствие задержки или отказа в действии полюсов генераторного выключателя.

Коммутации рассматривались в предположении, что выключатель является «идеальным», сопротивление межконтаткного промежутка которого принимается бесконечным после прохождения тока через нуль. Рассмотрены исходные данные и основные параметры электрооборудования, которые входят в формулы расчета восстанавливающегося напряжения на контактах выключателей. Принципиальная схема с указанием расчетных точек КЗ, по которой составлена расчетная схема замещения, показана на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема блока электрической станции Расчетная схема замещения представляет собой схему с двухсторонним питанием. Процессы восстановления напряжения в схеме зависят от собственных частот контуров, определяемые параметрами модели статорных обмоток генератора, трансформатора, токопроводов между генератором и выключателем и между выключателем и трансформатором (см.рис.2).

Математическая модель, с общепринятыми допущениями, описывается по полным дифференциальным уравнениям, которая позволяет производить расчётно-теоретические исследования переходных процессов при симметричных и несимметричных возмущениях. Напряжения на условных нейтралях генератора и трансформатора, зависящие от значений существенно различающихся и изменяющихся в широких пределах входных емкостей генератора и трансформатора (СГ=0,10,3 мкФ, СТ=120 нФ), определяют кратности перенапряжений относительно земли на оборудовании по обе стороны выключателя.

Рис.2. Расчетная схема замещения для исследования электромагнитных переходных процессов при включении первого полюса выключателя блока На рис.3. представлены осциллограммы напряжений при коммутации включения выключателем присоединения при принятых значениях входных емкостей генераторов и трансформаторов, характерных для блоков ГЭС малой мощности, на которых видно, что при включении первой фазы коммутационные перенапряжения возникают только на не включенных фазах со стороны трансформатора.

Рис.3. Компьютерные осциллограммы неограниченных перенапряжений, возникающих на фазах со стороны генератора (а) и трансформатора (б) при операции включения Как известно, перенапряжения на не включенных фазах «b» и «c»

зависят от угла между векторами напряжений на выводах генератора и шинах ОРУ в момент включения первого полюса Расчеты показали, что при включении выключателя при наибольших значениях на зажимах трансформатора на не включенных фазах кратности перенапряжений достигают наибольших значений, но при этом изоляция генератора не подвергается опасным перенапряжениям и что при заданных параметрах расчетной схемы, характерных для сетей генераторного напряжения малых ГЭС с изолированной нейтралью, расчетной коммутацией при отключении является отключение первого полюса выключателя.

Таким образом, аналитический расчет электромагнитных переходных процессов в упрощенной схеме без учета дуговых процессов позволил выявить основные факторы, определяющие процессы восстановления напряжения и уровни перенапряжений на контактах выключателя, возникающих при коммутациях в цепи генератор-трансформатор.

Третья глава. Математическое описание электрических свойств дуговых процессов и разработка моделей маломасляного, элегазового и вакуумного выключателей в EMTP-RV Основными методами моделирования дуги являются физические и адаптивные. Установлено, что физические методы используются в случаях, когда необходимо определить характер влияния конструктивных факторов на процесс гашения дуги для оптимизации дугогасительного устройства, а для оценки взаимодействия дуговых процессов в выключателях с сетью и влияния на коммутационные процессы на практике широко применяются адаптивные методы моделирования дуги. Различия физических процессов горения дуги в плотных средах (масло, элегаз) и в вакууме обуславливают различия в ее математическом моделировании.

В работе математическое моделирование дуги в плотной среде производилось на основе экспериментальных данных в следующем порядке:

• Выбор уравнения. Дуга описывается дифференциальным уравнением, которое связывает проводимость с изменением тока и напряжения на дуге.

• Экспериментальные испытания. Осциллограммы токов и напряжений полученные опытным путем показывают основные характеристики дуги при размыкании контактов выключателя.

• Определение параметров уравнения дуги. Тепловые параметры, входящие в дифференциальное уравнение дуги, вычисляются по методике, предусматривающей использование экспериментальных осциллограмм токов и напряжения.

• Численное моделирование. Система уравнений коммутируемой цепи вместе с уравнением дуги решаются численно, в результате определяются ток и напряжение в районе нуля тока (расчетные осциллограммы) с воспроизведением процессов отключения выключателя.

Математические модели маломасляного и элегазового выключателей разработаны на базе уравнений Касси (2) и Майера (3) согласно которым на каждом шаге решения была получена проводимость дугового промежутка.

где gc, g m, c, m - проводимости дуги и постоянные времени модели Касси и Майера соответственно; P0 - отводимая тепловая мощность; Uc напряжение Касси»; i, u– ток и напряжение на дуге соответственно.

Известно, что все параметры, определяющие поведение дуги в процессе отключения тока, делятся на параметры, зависящие только от электрической схемы, и параметры, зависящие от условий в дугогасительной камере. Если последние определены по результатам испытаний, поведение дуги можно рассчитывать при использовании этих параметров и в другой схеме. Из обзора и анализа литературы, для элегазовых выключателей были определены значения параметров уравнений: c = 0,1 2,5 мкс, m = 0, 22 3, мкс, U c = 0,1 5, 414 кВ и P0 = 8,8 1500 кВт. Для определения параметров дуги в масле использовались экспериментальные осциллограммы токов и напряжений дуги процессов отключения токов короткого замыкания (8 и кА) маломасляным выключателем типа ВМП-10. Параметры уравнения дуги вычислялись по осциллограммам двух опытов, различающихся значениями отключаемого тока при неизменных прочих параметрах на основе известной методики. Из сравнения двух кривых изменения проводимости параметры определялись в точках с одинаковыми значениями проводимости дуги по формулам где индексы 1 и 2 соответствуют значениям тока i и производной проводимости dg dt по времени для данного значения g.

В результате проведенных вычислений получены следующие значения параметров модели дуги в масле c = 0, 018 0,8 мкс, m = 0, 05 1,1 мкс, U c = 0, 07 11,811 кВ и P0 = 791, 7 4142,17 кВт. Широкий разброс параметров дуги объясняется влиянием конструкции, величины отключаемого выключателем тока и разбросом эмпирических параметров, быстрым ростом сопротивления дуги, происходящим в течение небольшого интервала времени при сложном взаимодействии различных факторов.

Математическая модель, разработанная Хабеданком показывает хорошее совпадение с экспериментальными данными, при четырех неизвестных параметрах, определяемых уравнениями Майера и Касси.

Согласно разработанной теории, проводимость дуги представляется в виде Структура реализации математического моделирования дуги и математическая модель дуги, описывающая дуговые процессы в плотной дугогасительной среде, на базе уравнений Касси и Майера в программе EMTP-RV для исследования электромагнитных переходных процессов при коммутациях выключателями показаны на рис.4 и 5.

Компьютерные исследования показали, что при коммутациях отключения присоединения идеальным выключателем кратности перенапряжений принимают большие значения по сравнению с кратностями перенапряжений, вызываемых выключателями учитывающие процессы дугогашения. При моделировании процессов дугогашения в выключателях наблюдается снижение амплитуды восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя из-за наличия напряжения на дуге и остаточной проводимости после гашения дуги, которая оказывает демпфирующее влияние на процесс восстановления напряжения (см.рис.6).

Рис.4. Структура реализации модели дуги в масле и элегазе в программе EMTP-RV Компьютерные осциллограммы напряжений и токов процесса отключения генератора идеальным выключателем и элегазовым выключателем, смоделированного на базе уравнений Касси и Майера ( m = 0,5 мкс, c = 0,1 мкс, P0 = 500 кВт, U c = 100 В) показаны на рис.6.

Simplified Habedanc Arc Model based on Mayr's & Cassies equations Cassie arc conductance Calculated arc resistance

G PROD PROD

Рис. 5. Скриншот с изображением математической модели дуги Хабеданка на базе Восстановление диэлектрической прочности между расходящимися контактами для вакуумных выключателей описывается выражением где k - скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка после погасания дуги, t0 - время сдвига между началом расхождения контактов и моментом прохождения тока промышленной частоты через нулевое значение.

Рис.6. Компьютерные осциллограммы (а) восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя uв ; (б) тока отключаемой фазы при отключении идеальным выключателем (1) и элегазовым выключателем (2) Модель вакуумного выключателя в программе EMTP- RV позволяет осуществить сравнение восстанавливающегося напряжения uB (t ) на контактах выключателя с диэлектрической прочностью uДЭ (t ). При превышении восстанавливающегося напряжения диэлектрической прочности, происходят повторные зажигания (ПЗ) электрической дуги и возникновение высокочастотного тока в межконтактном промежутке. Блок управления идеальным ключом (control switch – cSW2), моделирующего повторные зажигания показан на рис.7.

Рис.7. Блок управления выключателя, моделирующего повторные зажигания Процесс «соревнования» возрастающего восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя uв с электрической прочностью промежутка uдэ при отключении вакуумным выключателем номинального тока генератора показан на рис.8, сопровождающимся несколькими повторными зажиганиями и погасаниями дуги. Этот процесс является высокочастотным и может привести к эскалации перенапряжений на коммутируемом оборудовании.

Рис.8. Процесс «соревнования» восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя и электрической прочности межконтактного промежутка На рис.9 показана осциллограмма токов промышленной частоты i(t ) и высокочастотного тока, протекающих через контакты вакуумного выключателя. Гашение высокочастотного тока происходит, если скорость его прохождения через нулевое значение оказывается меньше некоторой величины (50 - 100 А/мкс).

Рис. 9. Осциллограмма токов промышленной частоты i(t ) и высокочастотного тока i протекающего через контакты вакуумного выключателя (а) и развернутый фрагмент (б) В реальных схемах скорость перехода высокочастотного тока через нулевое значение такова, что дуга в подавляющем количестве случаев при этом гаснет, в таком случае, основной характеристикой, определяющей надежность осуществления коммутаций вакуумным выключателем, является его коммутационная способность, характеризуемая начальной скоростью восстановления диэлектрической прочности в первом приближении.

Таким образом, разработанные математические модели выключателей позволяют объяснить возможные механизмы развития дуговых процессов.

Исследования, проведенные применительно к процессу отключения с помощью модели вакуумного выключателя, показали, что ПЗ дуги в межконтактном промежутке могут привести к увеличению кратности перенапряжений на контактах выключателя, следовательно, и на изоляции коммутируемого оборудования.

Глава четвертая. Компьютерное исследование влияния параметров элементов сети и типа выключателя на коммутационные процессы в сетях генераторного напряжения Уровень коммутационных перенапряжений существенно влияет на срок службы изоляции основного электрооборудования станции, что требует анализа электромагнитных переходных процессов, сопровождающих коммутации выключателями. Для электрооборудования сети генераторного напряжения ГЭС характерно существенное различие в испытательных напряжениях. Наименьшую электрическую прочность имеет изоляция статора генератора, для которой согласно ГОСТ Р 52776 кратность испытательного одноминутного напряжения по отношению к эффективному значению номинального фазного напряжения составляет 2,0U ном +1 кВ.

Следовательно, компьютерное исследование предельных параметров коммутационных перенапряжений, вызванных работой генераторными выключателями, особо важно с точки зрения электрической прочности изоляции обмоток генератора. Моделирование процессов при коммутациях в цепи генераторного напряжения и анализ влияния на них параметров основного оборудования с учетом дуговых процессов в выключателях проведены с помощью разработанных математической модели ГЭС малой мощности по схеме укрупненного блока и смежного участка сети (см.рис.10).

Проведен анализ влияния на параметры коммутационных переходных процессов таких факторов как: мощность генераторов и повышающего трансформатора блока; длина и сечение соединительных токопроводов;

дугогасительная среда в выключателях. Оценена эффективность применения защитных средств от перенапряжений, влияние их параметров и места установки.

перенапряжений на их статорной обмотке уменьшаются (см.рис.11).

Повышение мощности связано с увеличением размеров паза и сечения проводников, что ведет к увеличению емкости и индуктивности обмотки статора. Индуктивность генератора связана, в основном, со сверхпереходным реактансом, который создается главным образом потоком рассеяния статора.

С учетом того, что индуктивность L изменяется в соответствии со сверхпереходной индуктивностью L//, то, следовательно, L увеличивается по мере роста мощности генераторов. В таком случае можно предположить, что значения сверхпереходной индуктивности, при больших мощностях генераторов, определяют нижнюю частоту собственных колебаний и скорость роста восстанавливающегося напряжения, что становится причиной снижения максимальной амплитуды напряжения на обмотке, если не учитывать влияние емкостей, и, соответственно, снижения кратностей перенапряжения на статоре генератора. Характерная для генераторов способность сохранять относительно постоянное значение индуктивности рассеяния на высоких частотах, отсутствует у трансформаторов, однако, при этом степень изменения индуктивности рассеяния трансформаторов невелика.

CIRCUIT B REAKER

ARV ARV

Рис.10. Математическая модель укрупненного блока станции в EMTP-RV Зависимость величины и характера коммутационных перенапряжений от параметров (длины и сечения) соединительных токопроводов показывает, что наибольшие кратности перенапряжений (более 2,5 о.е.) возникают при коммутациях присоединения с короткими длинами соединительных токопроводов (менее 100 м).

Рис.11. Зависимости кратности перенапряжений от мощности генераторов блока и На рис. 12 приведена зависимость кратности перенапряжений на статорной обмотке генератора от значения суммарной емкости C1 со стороны генератора (емкость соединительных токопроводов, генератора) и суммарной емкости C2 со стороны шин генераторного напряжения (ошиновки, и оборудования, подключенного к шинам генераторного напряжения). Из полученной зависимости кратности перенапряжений на генераторе от значения емкости, подключенной по ту и другую стороны выключателя, следует, что влияние емкости на шинах генераторного напряжения незначительно по сравнению с емкостью, подключенной со стороны генератора.

Рис.12. Зависимости кратности перенапряжения на статорной обмотке генератора от значений: 1 - емкости со стороны генератора (емкость соединительных токопроводов, генератора); 2 - емкости на шинах генераторного напряжения Расчеты показали, что определяющим в процессах восстановления напряжения является емкость сети смежного участка, но при этом перенапряжения, распространяющиеся в сети, ниже перенапряжений в цепях генераторного напряжения, что обусловлено шунтирующим действием емкости питающей сети.

В вакуумных выключателях, благодаря современным достижениям техники (путем комбинирования материалов контактов), значения среза тока имеют уровни - среднее значение 3–4 А, а предельное 5–6 А. В результате проведенных расчетов получена зависимость кратности перенапряжений, возникающих на статоре коммутируемого генератора блока при отключении присоединения вакуумным выключателем, от величины среза тока, из которой следует, что при значениях тока среза более 5 А уровень перенапряжений может превысить допустимые значения для коммутируемого генератора (см.рис.13). Следовательно, в цепях генераторов предпочтительно устанавливать вакуумные выключатели с током среза менее Рис. 13. Зависимость кратности перенапряжений K П на статоре генератора блока при отключении вакуумным выключателем от значения среза тока При компьютерном моделировании по расчетным осциллограммам были определены начальные скорости роста восстанавливающегося напряжения на контактах вакуумного выключателя. Наибольшие начальные скорости восстановления напряжения на контактах выключателя возникают при отключении токов КЗ на выводах генератора (в точке K 3 ), и, существенно меньшая опасность переходного процесса имеет место при отключении номинального тока генератора. Наибольшие значения скорости восстанавливающегося напряжения (80-120 кВ/мс) определяют требуемую диэлектрическую прочность вакуумной дугогасительной камеры (ВДК), при которой не должны возникать повторные зажигания и соответственно эскалация напряжения, что может быть определяющим критерием при выборе выключателя.

Максимально возможные кратности перенапряжений на статоре генератора при отключении тока холостого хода повышающего трансформатора блока вакуумным выключателем при одновременном варьировании параметров соединительных токопроводов, представлены на рис.14, а и б. Откуда следует, что для ограничения перенапряжений при выполнении таких коммутаций вакуумным выключателем необходимо применение дополнительных мер. Наибольшие кратности перенапряжений соответствуют присоединениям с меньшими длинами соединительных токопроводов.

о.е.

Рис.14. Кратности перенапряжений при отключениях вакуумным выключателем тока холостого хода трансформатора Т при вариации параметров соединительных токопроводов 1 (а) и 2 (б) Диаграммы наибольших кратностей перенапряжений на генераторе показывают, что коммутация выключателями с различными дугогасящими средами номинальных токов и токов КЗ не приводит к перенапряжениям на статорной обмотке генератора, рис.15. Полагая, что прочность изоляции находится на уровне 2,7-2,9 о.е., из диаграмм следует, что наиболее высокие уровни кратности перенапряжений характерны для вакуумных выключателей, при отключении токов холостого хода трансформатора блока ( 3,76U фm ) при условии превышения восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя диэлектрической прочности промежутка в ВДК.

Рис.15. Максимальные значения кратности перенапряжений на статоре генератора при коммутациях различными выключателями: 1 – номинального тока генератора; 2 – тока КЗ; 3 – тока холостого хода трансформатора Таким образом, для надежной эксплуатации электрооборудования блока при коммутациях современными выключателями, в частности вакуумными, требуется установка на коммутируемом присоединении дополнительных защитных устройств. В работах, посвященным экспериментальным исследованиям перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями в цепях генераторного напряжения, предлагается снижение уровней перенапряжений с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и RC- цепочек.

Расчеты показали, что установка ограничителей перенапряжений позволило ограничить амплитуду перенапряжений, снизить количество ПЗ в межконтактном промежутке выключателя и тем самым облегчило процесс отключения. Однако, современные ограничители перенапряжений, выпускаемые промышленностью, имеют примерно трехкратный уровень ограничения, вследствие чего, они практически не влияют на начальный процесс восстановления напряжения и его частоту, так как срабатывают при определенном повышении напряжения. Расчеты показали, что при малой скорости роста диэлектрической прочности вакуумного межконтактного промежутка (менее 50 кВ/мс) кратность перенапряжений на выводах генератора превышает 2,9Uфm при длине соединительного токопровода менее 100 м. Значения уровней перенапряжений на выводах отключаемого генератора при варьировании параметрами защитной RC– цепочки приведены на рис.16. Из полученной зависимости следует, что наибольшее снижение перенапряжений достигается при параметрах защитной цепочки:

C=0,1-0,3 мкФ и R=50–100 Ом.

Рис.16. Зависимости кратностей перенапряжений на выводах генератора от параметров Защитное действие RC- цепочки проявляется в уменьшении частоты собственных колебаний процесса восстановления напряжения на контактах выключателя, что приводит либо к снижению количества ПЗ, либо к их полному исключению. Компьютерные осциллограммы показали, что эффективность действия RC- цепочки зависит также и от места ее установки.

По приведенным данным в табл.1 следует, что при установке RC- цепочки со стороны генератора перед выключателем число ПЗ уменьшается.

Наибольшие кратности перенапряжений зафиксированы не при первом, а при последующих погасаниях дуги, и при меньших значениях мощностей генераторов (см.табл.2).

Влияние места установки RC – цепочки на процесс восстановления напряжения Перед выключателем (со стороны За выключателем (со стороны Характеристики процесса, эффективность RC – цепочки при различной мощности генераторов при неизменных параметрах соединительных токопроводов крутизну подъема напряжения, повысить затухание высокочастотного переходного процесса и исключить ПЗ в выключателе.

Заключение 1. Разработаны математические модели блоков ГЭС малой мощности и примыкающего к ним участка электрической сети и математические модели коммутационных процессов в маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателях, позволяющие определить количественные характеристики коммутационных процессов.

2. Определен предельный уровень среза тока - 5 А, при котором кратности перенапряжений на статоре генератора могут превысить допустимые значения. Рекомендовано применение для коммутаций в цепях генераторов вакуумных выключателей с током среза менее 5 А и низкой вероятностью повторных пробоев, что позволит уменьшить негативное влияние градиентных перенапряжений на изоляцию генератора.

3. Установлена требуемая скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка ВДК, которая должна учитывать диапазон изменения начальной скорости восстановления напряжения (80- кВ/мс) при длине соединительных токопроводов менее 100 м, что обеспечит исключение повторных зажиганий электрической дуги в ВДК.

4. Установлено, что при коммутациях вакуумными выключателями токов холостого хода трансформатора блока более 100 А перенапряжения достигают опасных для изоляции генератора значений.

5. Разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений, включающие требования к их параметрам и месту установки в электрической схеме блока. Установлено, что при совместной установке ОПН и RC- цепочек со стороны генератора снижаются уровни перенапряжений и количества ПЗ. Наибольшее снижение кратностей перенапряжений достигается при параметрах защитной RC - цепочки: C=0,1мкФ и R=50–100 Ом.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. Омокеева А.А., Гусев Ю.П. Анализ коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения малых ГЭС при замене маломасляных выключателей на вакуумные и элегазовые. // Электрические станции. -2012. В других изданиях:

2. Омокеева А.А., Гусев Ю.П. Коммутационная способность выключателей при групповых прямых пусках генераторов на малых ГЭС // Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. –М.: Издательский дом МЭИ, 2011, т. 3. –С. 365-366.

3. Омокеева А.А., Гусев Ю.П. Коммутационные процессы в цепях генераторов малых ГЭС // Прикладная математика и механика: проблемы перспективы. Материалы международной научно – технической конференции. Известие КГТУ им. И. Раззакова. -2011. -№22. -С. 42 – 46.

4. Омокеева А.А. Влияние некоторых параметров цепи на коммутационные перенапряжения в цепях среднего напряжения. // Энергобезопасность и энергоэффективность: состояние и проблемы.

Известие КГТУ им. И. Раззакова. -2011. -№25. -С. 236 - 239.

5. Омокеева А.А. Особенности моделирования генераторных выключателей при исследовании коммутационных процессов // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования. Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. 17-18 мая, Томский политехнический университет, 2012. -С.

76-78.

6. Омокеева А.А. Влияние параметров электрооборудования блока ГЭС малой мощности на коммутационные переходные процессы // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования. Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. 17-18 мая, Томский политехнический университет, 2012. -С.

78-80.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д.