Расчет электрической прочности и отключающей способности высоковольтного элегазового выключателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет электрической прочности и отключающей способности высоковольтного элегазового выключателя

А.А. Максименко

Д.А. Гусев

Уровень электрической прочности выключателя определяется конструкцией дугогасительной камеры, типом изолирующей и дугогасительной среды, высоковольтного выключателя. Уровень электрической прочности межконтактного промежутка определяется соотношением напряженности электрического поля, исходя из конфигурации контактных групп, наличия выравнивающих экранов, газодинамической картины и величины давления элегаза возле электродов. Создаваемый перепад давления в процессе отключения определяется кольцевыми зазорами сопел а также достигаемой скоростью контактно-поршневой системы, исходя из мощности привода и кинематической схемы выключателя. Для элегазовых выключателей с дугогасительными устройствами (ДУ) автокомпрессионного и автогенерационного типа достигаемые значения перепада давления лежат в диапазоне 0,4-0,7 мегапаскаль. Особенно важно на начальной стадии разработки выключателей оценивать распределение электростатического поля, определять критические напряженности электрического поля элементов ДУ.

Моделирование в средах ANSYS Multiphysics и ELCUT

Объектами исследования являлись автокомпрессионные элегазовые выключатели колонкового типа серии ВГТ-УЭТМ-500, ВГТ-УЭТМ-750. Расчетные пакеты ANSYS Multiphysics и ELCUT были использованы для анализа распределения электрического поля и определения критических напряженностей.1. Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

В расчетах напряженности применялась следующая методика: на блок подвижного контакта (ПК) модели ДУ (Рис. 1) подается 1 вольт, на блок неподвижного контакта (НК) - 0 вольт.

Рис. 1. Максимальная напряженность на подвижном дугогасительном контакте

Путем последовательного смещения блока подвижного контакта на величину шага ?Х снимается зависимость максимальной величины напряженности от межконтактного расстояния. Далее снимается та же зависимость напряженности при подаче потенциала 1 вольт на блок неподвижного контакта (Рис. 2), на блоке подвижного контакта потенциал равен нулю.

Рис. 2. Максимальная напряженность на неподвижном дугогасительном контакте

Максимальные значения напряженности ЭП формируются на дугогасительных контактах. При разности потенциалов между контактами в 500 киловольт U (пик переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) в режиме коммутации тока ненагруженных линий на один разрыв колонкового выключателя на 750 киловольт)2. ГОСТ 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Москва: Стандартинформ, 2007., величина напряженности ЭП E_U будет в 500 000 раз больше, чем величина напряженности при подаче разности потенциалов в 1 вольт E_1В:

(1)

На рис. 3 представлена зависимость наибольшей напряженности электрического поля на подвижном дугогасительном (ПДК) и неподвижном дугогасительном (НДК) контактах от межконтактного расстояния в относительных единицах (о.е.) при разности потенциалов в 1 вольт.

Рис. 3. Полученные в среде ANSYS максимальные величины напряженности

Метод расчета пробивных напряжений

Расчетное пробивное (разрядное) U_{paсч. пр.} напряжение может быть рассчитано с помощью выражения3. Endo F., Sato М., Tsukyshi М., Yoshioka Y., Saito K., Hirasawa K., Analytical prediction of transient breakdown characteristics of SF6 gas circuit breakers, IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, vol. 4, №. 3, pp. 1731-1737.:

(2)

где нижний предел электрической прочности в элегазе Е_кр. при давлении 0,5 мегапаскалей задается по данным источника4. Вариводов В.Н. Особенности выбора допустимых напряженностей электрического поля в элегазовой изоляции аппаратов сверхвысокого напряжения. // Прикладная физика, 2001. №5. С.40-45. и изображен на Рис. 4:

Рис. 4. Зависимость величины нижнего предела электрической прочности от величины давления заполнения элегазом

В таблице 1 представлен сравнительный анализ результатов расчета пробивных напряжений, полученных на стадии моделирования электрического поля, с экспериментальными величинами пробивных напряжений, полученных из результатов эксперимента - серий высоковольтных испытаний коммутационным импульсом в динамическом режиме при давлении заполнения ДУ 0,5 МПа.

Таблица 1. Сравнение результатов расчета с экспериментом

Расчет пробивных напряжений производился, исходя из экспериментально снятой характеристики хода контактов после оптимизации скоростной характеристики. В процессе испытаний высоковольтный коммутационный импульс подавался на НДК. В таблице I представлены значения расчетных и фактических пробивных напряжений, а также погрешность расчета относительно эксперимента. Очевидно, что применение контактов оптимального радиуса кривизны, углубление неподвижного дугогасительного контакта относительно экранирующего главного неподвижного контакта эффективно снижает критическую напряженность на поверхности электродов.5. Черноскутов Д.В., Черных И.В., Хомяков Р.А. Математический метод расчета электрической прочности и анализ отключающей способности высоковольтнового элегазового выключателя // ЭЛЕКТРО.Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность.2016 № 5. С 28-34.

Метод приведения напряженности электрического поля к разности потенциалов между контактами (МПРПК Н)

Особенностью данного метода анализа электрической прочности и оценки отключающей способности является необходимость знать параметры движения блока подвижного контакта - кривую хода контактов. Зависимость пройденного пути от момента размыкания контакта необходима для синхронизации расчетных величин напряженности ЭП (см. Рис. 3) с моментами приложения ПВН.

Далее рассчитанная при разности потенциалов между контактами в 1 вольт напряженность ЭП приводится к потенциалу между контактами. На рис. 5 представлен сравнительный анализ напряженностей ЭП исходной и оптимизированных в плане геометрии дугогасительного устройства и конструкции выключателя, приведенных к величине ПВН с пиком в 500 киловольт в режиме коммутации тока ненагруженных линий (LC1, LC2).

Рис. 5. Анализ приведенных величин напряженностей

Данные получены в ходе исследовательских испытаний одного из вариантов конструктивного исполнения колонкового выключателя на класс напряжения 750 киловольт. Горизонтальные линии отражают предел электрической прочности - Е_кр от давления заполнения элегазом.

Из Рис. 5 видно, что на межконтактном расстоянии 0,16-0,54 о.е. при давлении заполнения 0,5 МПа величина полученной приведенной к разности потенциалов (при подаче потенциала на ПДК) напряженности выше величины критической напряженности. Очевидно, что для данного критерия и для данной конфигурации контактной системы необходимо увеличение давления заполнения минимум до 0,7 мегапаскалей, соответствующего величине Е_кр = 26200 вольт на метр.

Очевидно, что для оптимизированной в части критической напряженности ЭП конструкции при давлении заполнения 0,5 Мегапаскалей на межконтактном расстоянии 0,32-0,4 о. е. величина приведенной к разности потенциалов напряженности (при подаче потенциала на НДК) выше величины критической напряженности. Соответственно для такой конструкции необходимо увеличение давления заполнения до 0,6 Мегапаскалей, соответствующего величине Е_кр = 22000 вольт на метр.

Использование элегаза в качестве дугогасящей среды, более эффективной по сравнению со сжатым воздухом и маслом, является наиболее перспективным и быстроразвивающимся направлением развития выключателей переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения. Основные достоинства элегазового оборудования определяются уникальными физико-химическими свойствами элегаза. При правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует такого тщательного ухода за собой, как масло.6. Вишневский Ю.И. Электрические аппараты высокого напряжения с элегазовой изоляцией. C-Пб.: Энергоатомиздат, 2002. 728 с. ISSN 5-283-04753-9.

В данной статье представлен математический метод расчета электрической прочности высоковольтного элегазового выключателя, выполнен расчет максимальных напряженностей и анализ распределения электрического поля. Определены разрядные напряжения межконтактного промежутка. Произведено сравнение расчетной методики определения величин пробивных напряжений с результатами экспериментов высоковольтных исследований и коммутационных испытаний. Произведена оптимизация электрического поля конструкции дугогасительной камеры.

Предложенные методика расчета пробивных напряжений и метод расчета величины напряженности, приведенной к разности потенциалов между контактами, хорошо верифицируются экспериментом. В процессе коммутационных испытаний имеет значение, к какому контакту приложено ПВН. Этот факт следует учитывать в методике проведения испытаний.

На практике, оптимизируя конструкцию дугогасительного устройства, т.е. применяя электроды оптимальной формы и эффективно выравнивающие электростатическое поле экраны, меняя взаимное расположение дугогасительных контактов относительно главных и экрана, становится возможным снизить величины критических напряженностей. Применение расчетного инструментария на основе методов численного моделирования может служить средством для разработки выключателя с отключающей способностью класса С2 - с очень низкой вероятностью возникновения повторных пробоев в режиме отключения емкостного тока.7. Черноскутов Д.В., Черных И.В. Перенапряжения, создаваемые в процессе коммутации шунтирующего реактора высоковольтным элегазовым выключателем // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2016. № 1. С. 24-27.

Список литературы

ток выключатель напряжение межконтактный

1. Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Вишневский Ю.И. Электрические аппараты высокого напряжения с элегазовой изоляцией. C-Пб.: Энергоатомиздат, 2002. 728 с. ISSN 5-283-04753-9.

3. Черноскутов Д.В., Черных И.В., Хомяков Р.А. Математический метод расчета электрической прочности и анализ отключающей способности высоковольтнового элегазового выключателя // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность.2016 № 5. С 28-34.

4. Черноскутов Д.В., Черных И.В. Перенапряжения, создаваемые в процессе коммутации шунтирующего реактора высоковольтным элегазовым выключателем // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2016. № 1. С. 24-27.

5. Endo F., Sato М., Tsukyshi М., Yoshioka Y., Saito K., Hirasawa K., Analytical prediction of transient breakdown characteristics of SF6 gas circuit breakers, IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, vol. 4, №. 3, pp. 1731-1737.

6. Вариводов В.Н. Особенности выбора допустимых напряженностей электрического поля в элегазовой изоляции аппаратов сверхвысокого напряжения. // Прикладная физика, 2001. № 5. С. 40-45.

7. ГОСТ 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Москва: Стандартинформ, 2007.

Размещено на Allbest.ru