Статьи и аналитикаБиблиотекаОбразованиеМероприятия  
Каталог

ГИБРИДНЫЙ АППАРАТ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Алферов Дмитрий Федорович, Ахметгареев Марат Рифатович, Евсин Дмитрий Викторович, Иванов Валерий Павлович, Дерменжи Пантелей Георгиевич

(Всероссийский электротехнический институт, Москва, Россия)

В настоящее время для коммутации конденсаторных батарей все более широкое применение находят аппараты с управляемой коммутацией, которые успешно решают проблему предотвращения опасных бросков тока и перенапряжений, увеличения ресурса оборудования. Использование управляемой коммутации конденсаторных батарей эффективно как при включении, так и при отключении цепи. В рабочих режимах при управляемом включении существенно уменьшаются броски тока, а при управляемом отключении снижается вероятность повторных пробоев и, как следствие, снижается уровень перенапряжений [1]. Оптимальным моментом для включения является момент, когда разность между напряжением на конденсаторной батарее и напряжением сети, т.е. на разрыве коммутатора, равна нулю. Чем дальше момент включения от нулевого значения напряжения на разрыве, тем выше броски тока. К аппаратам с управляемой коммутацией предъявляются очень жесткие требования по стабильности времени включения и времени отключения (разбросы не более ±(1-2) мс). Разработка для этих целей электромеханических выключателей с точностью включения не хуже, чем ± 1 мс, и повышенной электрической прочностью сталкивается с рядом существенных трудностей. К аппаратам с управляемой коммутацией предъявляются очень жесткие требования по стабильности времени включения и времени отключения (разбросы не более ± (1-2) мс).

Одним из решений данной проблемы, которое в значительной степени удовлетворяет изложенным выше требованиям, является использование новых типов вакуумных коммутирующих устройств - управляемых вакуумных разрядников [2]. Их комбинация с вакуумными выключателями позволит свести процесс включения коммутирующего устройства к быстрому (единицы микросекунд) включению разрядника с последующим замыканием контактов выключателя. Процесс отключения тока в данном типе коммутирующего устройства происходит также как и в обычном выключателе.

Существенно уменьшить разброс времени включения и отключения конденсаторных батарей относительно нуля напряжения можно путем использования гибридных устройств управляемой коммутации, содержащих мощные диоды и механические коммутационные аппараты. Интересная концепция такого устройства была предложена на последней сессии СИГРЕ-2006 [3] (Рис.1).

 

Рис. 1 Схема гибридного коммутатора с четырьмя механическими контакторами

Устройство содержит четыре механических коммутатора 1-4, собранных по Н-образной схеме, в середине которой присоединен диодный блок VD. В качестве механических коммутаторов использовались воздушные механические контакторы специальной конструкции. В таком устройстве операции включения и отключения осуществляются в диодном блоке при смене полярности напряжения. Механические коммутаторы обеспечивают длительное пропускание тока после включения устройства без существенных энергетических потерь и требуемую электрическую прочность после отключения тока. При этом требования к разбросу времени замыкания и размыкания контактов механических коммутаторов становятся менее жесткими. Однако в настоящее время практически отсутствуют данные для адекватного описания совместной работы диодов и коммутационных аппаратов во время переходных процессов в гибридных коммутаторах, особенно при восстановлении их электрической прочности, что препятствует выбору эффективной схемы устройства и оптимизации параметров его основных элементов.

В настоящей работе предложена оригинальная схема гибридного коммутатора и обсуждаются возможности ее применения для включения и отключения  конденсаторных батарей. Проведены теоретические и экспериментальные исследования взаимного влияния основных элементов устройства на коммутационные и диэлектрические характеристики гибридного коммутатора.

Объект исследований.

Объектом исследований являлся гибридный коммутатор, оригинальная схема которого была предложена в ВЭИ [4]. В таком устройстве последовательно с диодным блоком подсоединен вакуумный контактор 2, а параллельно последовательно соединенным диодному блоку и вакуумному контактору подсоединен другой вакуумный контактор 4 (рис. 2). В качестве вакуумных контакторов использовались контакторы типа КВО-3-1500 [5]. Макетный образец диодного блока был изготовлен на основе диодов типа Д143-500.

          

Рис. 2 Схема гибридного коммутатора: 1 – диодный блок, 2, 4 – вакуумные контакторы, 3, 5 – электромагнитные приводы, 6 – блок управления.

Операции включения и отключения устройства происходят в следующей последовательности, определяемой работой блока управления 6.

Рис. 3 Порядок замыкания контактов при включении устройства.

В отключенном состоянии контакты в коммутаторах 2 и 4 разомкнуты (рис. 3,а). Включение устройства осуществляется путем замыкания контактов в коммутаторе 2 (рис. 3,б) в течение полуволны напряжения, соответствующей непроводящему состоянию диодного блока, с помощью привода 3. Затем с заданной задержкой замыкаются контакты в коммутаторе 4 (рис. 3,в). Величина задержки выбирается из условия, чтобы контакты в коммутаторе замыкались в течение полуволны напряжения, соответствующей проводящему состоянию диодного блока. Таким образом, включение устройства происходит в нуле напряжения с помощью диодного блока, который пропускает первую полуволну тока до тех пор, пока не замкнутся  контакты коммутатора 4. Затем ток будет протекать только через коммутатор 4.

При отключении устройства возможны два режима работы устройства. В первом режиме (рис. 4) контакты в коммутаторе 4 разводятся в проводящем состоянии диодного блока (рис. 4,б). В этом случае ток переходит из коммутатора в диодный блок при условии, что падение напряжение на электрической дуге между контактами коммутатора превышает падение напряжения на диодном блоке. Когда ток в диодном блоке меняет направление, диоды запираются, и происходит отключение при нулевом значении тока. Процесс отключения завершается разведением контактов коммутатора 2 (рис. 4,в), которые должны разойтись на максимальное расстояние в течение следующей полуволны пока диоды находятся в непроводящем состоянии.

Рис. 4 Порядок размыкания контактов при отключении устройства в первом режиме коммутации.

Во втором режиме контакты в коммутаторе 4 (рис. 5) разводятся при непроводящем состоянии диодного блока (рис. 5,б). В этом случае между контактами загорается электрическая дуга, которая погасает в нуле тока. Отключение тока в цепи коммутатора 4 происходит практически без напряжения вследствие шунтирования его диодным блоком. В следующей полуволне ток протекает только через диодный блок и при смене его направления полностью отключается при запирании диодов (рис. 5,в). Как и в первом режиме, разведение контактов в коммутаторе 2 завершает процесс отключения (рис. 5,г).

Рис. 5 Порядок размыкания контактов при отключении устройства во втором режиме коммутации.

Испытательный стенд. Условия и методика измерений.

Исследование перехода тока между диодным блоком и ВДК проводилось на сильноточном стенде (рис. 6). 

Рис. 6 Принципиальная схема сильноточного стенда для изучения переходных процессов в гибридном коммутаторе.

Стенд состоял из конденсаторной батареи емкостью C0 до 10 мФ на максимальное напряжение 5 кВ и реактора с регулируемой индуктивностью L0до 6 мГн [6]. Макет гибридного коммутатора ГК подключался к предварительно заряженной конденсаторной батареес помощью вакуумного контактора К. При исследовании перехода тока между диодным блокомVDи ВДК контактор, последовательно соединенный с диодным блоком всегда находился в замкнутом состоянии. Перемещение контактов ВДК осуществлялось с помощью электромагнитного привода.

Аналогичный сильноточный стенд использовался для коммутации КБ с суммарной емкостью С1 = 400 мкФ с помощью макета ГК (рис. 7).

Рис. 7 Принципиальная схема сильноточного стенда для изучения коммутации КБ.

Ток в разрядной цепи регулировался путем изменения зарядного напряжения U0. После зарядки С0 до заданного напряжения U0, блок управления выдавал команду на включение контактора К. После чего с заданной задержкой подавался импульс управления на разведение (или замыкание) контактов в ВДК.Время задержки выбиралось таким образом, чтобы контакты начинали расходиться (или сходиться) после замыкания контактов в контакторе К.

В процессе испытаний измерялись ток Iв разрядной цепи и ток Ivdkв ВДК с помощью малоиндуктивного шунта Rш= 1,4 мОм и датчиков тока на эффекте Холла. Напряжение Uизмерялось с помощью омического делителя с коэффициентом деления 1:217. Электрические сигналы регистрировались на цифровом осциллографе Tektronix TDS3014Bс последующей обработкой на ПК.

Эксперимент.

Переход тока из диодного блока в ВДК исследовался при замыкании контактов в ВДК в проводящем состоянии диодного блока близи максимума разрядного тока.

Из анализа осциллограмм были найдены зависимости времени перехода тока toиз ВДК в VDи времени t1перехода тока изVDв ВДК от тока I, которые представлены на рис. 7 и 8. Проводилось по пять измерений для каждого тока I. На рисунке показаны средние значения и максимальный разброс данных измерений.

Рис. 8 Расчётная кривая и экспериментальные зависимости (маркеры)
времени нарастания to от тока I. 1Uvdk = 14 В; 2Uvdk = 15 В; 3Uvdk = 16 В.

Рис. 9 Расчётные кривые и экспериментальные зависимости (маркеры)
времени спадаt1 от тока I.

Из сравнения данных измерений на рис. 7 и 8 следует, что время перехода тока из диодов при замыкании контактов ВДК заметно превышает соответствующее время при переходе тока из ВДК в диоды.

Коммутация КБ с помощью гибридного коммутатора проводилась при зарядном напряжении U0 = 1 – 3 кВ.

При подключении незаряженной конденсаторной батареи замыкание контактов камеры Q1 производилось в проводящем состоянии диодного блокаVD. Типичные осциллограммы напряжения U на С0, разрядного тока I0, тока в емкости Ic и тока Ivdk в ВДК при U0 = 2 кВ представлены на рис. 9.

 

Рис. 10 Осциллограммы напряжения U и токов I0, Ic и Ivdk при U0 = 2 кВ:

1U (1925 В/дел), 2I0 (7140 А/дел), 3Ic (530 А/дел), 4Ivdk (455 А/дел).

После включения вспомогательного контактора К в L0C0 цепи начинает протекать затухающий разрядный ток I0 с амплитудой ~ 9,3 кА. Через четверть периода разрядного тока (U=0) диодный блок переходит в проводящее состояние, и происходит подключение КБ без заметных бросков тока. После замыкания контактов ВДК ток в цепи С1 полностью переходит из диодного блока в ВДК.

Отключение конденсаторной батареи проводилось при противоположной ориентации диодного блока VD. Начальное состояние диодов и ВДК было проводящим. Предварительно проводилась зарядка конденсаторов С0 и С1 до напряжения U0. Отключающая способность макета ГК исследовалась в двух режимах: размыкание контактов ВДК проводилось в проводящем и непроводящем состоянии диодов. Во время коммутаций измерялись напряжение U на ГК, напряжение UC на С1, разрядный ток I0, ток в камере Ivdk и ток IC в конденсаторе С1.

На рис. 10 показано падение напряжения UГК на ГК в первом режиме коммутации.

Рис. 11 Осциллограммы напряжений в первом режиме коммутации.

Осциллограммы, полученные во втором режиме коммутации при U0 = 3 кВ, представлены на рис. 11. В этом режиме при разведении контактов Q1 в ВДК загорается электрическая дуга, которая гаснет в нуле тока без заметных бросков напряжения вследствие шунтирования диодным блоком. Отключение тока в конденсаторной батарее происходит во втором нуле тока после разведения контактов. Видно, что при отключении конденсаторной батареи восстанавливающееся напряжение на ГК не превышает удвоенное напряжение источника питания.

 

Рис. 12 Осциллограммы напряжений во втором режиме коммутации.

Математическое моделирование переходных процессов.

Развита математическая модель перехода тока между ВДК и диодами в различных режимах коммутации в зависимости от тока и параметров диодного блока. Времена перехода тока от вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) на диодный блок toи от диодного блока на ВДК t1 рассчитываются по формулам:

                                           (1)

                                              (2)

 

где Lgu=0,6 мкГн – индуктивность контура ВДК - диодный блок; Uvdk – напряжение на дуге; Rk= 0,02 мОм – сопротивление контактов ВДК.

При кусочно-линейной аппроксимации ВАХ ДБ формулы (1) и (2) приобретают вид:

 

                                     (3)

                        (4)

 

где rT=1,21 мОм – дифференциальное сопротивление диодного блока; UTO= 5,4 В – значение порогового напряжения диодного блока.

Расчётные зависимости времени нарастания to от тока I при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диодного блока приведены на рис. 7 при трех значениях Uvdk. Там же маркерами представлены экспериментальные значения to(среднее значение и максимальный разброс по 5-ти измерениям при каждом значении тока). Вариация значений Uvdk была обусловлена нестабильностью напряжения на дуге ВДК. Из рисунков видно, что расчётные и экспериментальные значения to достаточно хорошо согласуются между собой при I≥ 1150 А в случае кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диодного блока.

Расчётные зависимости t1от тока Iпри кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диодного блока приведены на рис. 8. Там же маркерами представлены экспериментальные значения t1. Из рис. 8 видно, что расчетная кривая проходит ниже экспериментальных точек. Удовлетворительное согласие экспериментальных данных и расчетных кривых при численном моделировании было получено в работе [7].

 

Заключение

Продемонстрировано, что замыкание и размыкание контактов ВДК осуществляется практически без воздействия дуги, что существенно уменьшает эрозию контактов, и тем самым увеличивает их коммутационный ресурс. При заданном алгоритме работы блока управления ГК способно подключать КБ к сети строго в нуле напряжения (т.е. практически без бросков тока), и производить отключение КБ без среза тока и без повторных пробоев и, следовательно, без перенапряжений на конденсаторных батарей. Шунтирование ВДК диодным блоком позволяет снизить требования к отключающей способности ВДК и временному разбросу ее срабатывания. Облегченный режим работы ВДК позволит уменьшить ее массу и ход подвижного контакта, упростить привод, и, следовательно, стоимость коммутационного аппарата. Снижение токовой нагрузки на диодный блок и облегченный режим работы коммутаторов существенно снижают требования ко всем элементам устройства. Результаты экспериментов и численного моделирования и подтвердили правильность принятых технических решений.

Список литературы.

1.

“Controlled switching of HVAC circuit-breakers. Guide for application lines, reactors, capacitors, transformers “, Electra, №183, pp. 43-73, Apr.1999; N185, pp.37-57,  Aug.1999.

2.

Алферов Д.Ф., Белкин Г.С., Иванов В.П., Ромочкин Ю.Г., Сидоров В.А. «Быстродействующие вакуумные аппараты с управляемой коммутацией», ЭЛЕКТРО, 2006, №1, с. 14-18.

3.

Backman M., Dahlgren M., Norberg P. “A semiconductor based circuit breaker concept – field experience as capacitor switch”, Cigre Report A3-112, 2006.

4

Патент РФ № 66602. Устройство управляемой коммутации конденсаторных батарей/ Д.Ф. Алферов, Г.С. Белкин, В.П. Иванов, В.А. Сидоров, Т.И. Иванова// Опубл. в БИ, 2007, №25.

5.

Алферов Д.Ф., Будовский А.И., Иванов В.П., Иванов Ю.В., Сидоров В.А. «Однофазные вакуумные контакторы постоянного и переменного тока», Электротехника, 2003, № 11, с.51-55.

6.

Алферов Д.Ф., Евсин Д.В., Иванов В.П. «Изучение перехода тока между диодным блоком и вакуумной дугогасительной камерой», Труды IX Симпозиума «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2030», 2007, 5.16

7.

Алферов Д.Ф., Ахметгареев М.Р., Евсин Д.В., Иванов В.П., Дерменжи П.Г., «Гибридный аппарат управляемой коммутации конденсаторных батарей», IIIКонференция «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций», Сб. научных трудов, 2008, П2-4.07.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источник: http://portalenergetika.com/

Категории статьи:
Метрология и учет в электроэнергетике | Генерация
Рынок электроэнергетики | Генерация | Магистральные сети | Распределительные сети | Муниципальные сети | Предприятия
Энергоэффективность и энергосбережение | Магистральные сети | Распределительные сети | Муниципальные сети
Эту страницу просмотрели 5129 раз