Коммутационные процессы в вакуумных выключателях с параллельным соединением дугогасительных камер

Перцев А.А., Белкин Г.С., Рыльская Л.А.

Рассмотрены процессы деления тока между соединенными параллельно вакуумными дугогасительными камерами при выполнении выключателем операций включения тока КЗ и его отключения. Показано, что при ограничении разновременности смыкания и размыкания контактов камер временем менее 2 мс и при обеспечении момента размыкания контактов последней камерой не позднее, чем за 3 мс до перехода тока через нуль, параллельное соединение камер позволяет увеличить номинальные значения параметров коммутируемого тока КЗ относительно соответствующих параметров одной камеры практически кратно числу камер.
Для увеличения значений номинального тока и номинального тока отключения вакуумных сильноточных выключателей предложено применять параллельное соединение вакуумных дугогасительных камер (камеры) в каждом полюсе этих выключателей [1]. При этом надежная работа выключателя обусловливается контролем за фазой размыкания контактов камер, которая должна приходиться на момент существенно раньше нуля тока, чтобы к нулю тока контакты разошлись на достаточное расстояние. Тем самым исключается возможность возникновения пробоев в параллельных камерах под воздействием восстанавливающегося напряжения и протекания в одной из них отключаемого тока КЗ с катастрофическими для нее последствиями. Идея [1] 35-летней давности долгое время оставалась невостребованной, поскольку увеличение коммутируемой вакуумными выключателями мощности достигалось путем повышения параметров камер. Так, в [2] приведены данные о вакуумном выключателе ЗАНЗ 228-7 с параметрами, представленными в табл. 1.
Эти параметры достигнуты при использовании в каждом полюсе выключателя по одной камере.
Таблица 1

Однако имеется потребность, хотя и ограниченная, в еще более мощных аппаратах. В [2] в качестве варианта решения задачи увеличения коммутируемой аппаратом мощности применено параллельное соединение трех полюсов выключателя ЗАНЗ 228-7 с использованием его в качестве полюса генераторного выключателя, т.е. генераторный выключатель состоит из трех выключателей ЗАНЗ, каждый из которых образует его полюс. Основные параметры такого выключателя приведены в табл.1. Сопоставление данных табл.1 показывает, что параллельное соединение трех камер в полюсе позволяет практически утроить номинальный ток выключателя. При этом значения номинального тока отключения и наибольшего пика тока при включении возросли примерно лишь на 25%. Увеличение значений коммутируемого вакуумными выключателями тока КЗ сохраняет свою актуальность. В табл.1 приведены также основные параметры вакуумного генераторного выключателя, который мог бы найти широкое использование в энергетике России. Таким аппаратом мог бы быть заменен маломасляный выключатель МГУ-20. Новый выключатель должен коммутировать ток КЗ значением до 100 кА при наибольшем пике при включении до 300 кА. Очевидно, что решение [2] оказывается недостаточно сильным. Повышение параметров коммутируемого аппаратом тока КЗ возможно через более детальное исследование коммутационных процессов в вакуумных выключателях с параллельными камерами. Этой теме и посвящена предлагаемая работа. В ней приведены результаты экспериментальных исследований влияния разновременности смыкания и размыкания контактов параллельных камер в операциях, соответственно, включения и отключения, а также решения задачи деления тока между камерами.

Методика испытаний

Эксперименты по выявлению коммутационных процессов в полюсе вакуумного выключателя с параллельными камерами, выполнены на макете, электрическая схема которого приведена на рис.1. Макет содержал две камеры, контакты которых возбуждают аксиальное магнитное поле и рассчитаны на номинальный ток отключения 40 кА, наибольший пик тока при включении 100 кА при контактном нажатии 3 кН. Последовательно с камерами включены безындуктивные шунты ZZ/j и Ш2 сопротивлением по 124 мкОм. Соединение камер с шунтами и присоединение их к сборным шинам и К2 осуществлялось медными шинами, длина которых между точками присоединения к сборным шинам составляла около 1 м. Приняты меры по выравниванию между собою полных сопротивлений токовых ветвей с камерами. Управление подвижными контактами камер осуществлялось от общего привода П с возможностью независимой регулировки разновременности смыкания и размыкания контактов в операциях и циклах включения и отключения (ВО). Макет нагружался током / от генератора ТИ-100, позволяющего получать наибольшее значение пика тока при включении / = 150 кА и наибольшее действующее значение периодической составляющей /в = 80 кА. Значение периодической составляющей тока КЗ от опыта к опыту варьировалось изменением напряжения генератора ТИ-100 при неизменности сопротивления цепи тока. Значение пика тока КЗ определялось начальной фазой и также могло произвольно изменяться в широких пределах.

Рис. 1. Схема испытаний:
К2~ сборные шины;
ВДКХ, ВДК2 - вакуумные дугогасительные камеры; Шг Ш2 - резисторы-шунты, R - 124 мкОм; П- привод, /,, /2 - токи ветвей; , ^УД2-напряжения дуги.
Выполнено две группы опытов. Первая - циклы ВО, в которых макетом включался ток КЗ с наибольшим пиком от 68 до 150 кА при разновременности включения камер от 2 до 4 мс и отключался ток с периодической составляющей до 54 кА.

Рис. 2. Осциллограмма цикла ВО, выполненного макетом полюса выключателя с двумя параллельными камерами, при включении на КЗ с наибольшим пиком тока 150 кА (метки времени через 2 мс):
1 - команда на включение; 2 - команда на отключение; 3 - ток макета;
4 - ток ВДК,; 5 - ток ВДК5; 6 - напряжение на макете.
Запись процессов при реализации испытательных циклов ВО представлена на рис. 2. Из рис. 2 следует, что примерно через 90 мс после подачи команды на включение (кривая 1) контакты камер смыкались, и через полюс выключателя начинал протекать ток КЗ (кривая 3). За 40-50 мс до смыкания контактов камер от генератора ТИ-100 на испытуемый выключатель подавалось напряжение (кривая 6). Через интервал около 40 мс после смыкания контактов подавалась команда на отключение выключателя (кривая 2) и через собственное время отключения выключателя, также равное 35-40 мс, начинался процесс дугогашения, который завершался при первом переходе тока через нулевое значение. Моменты размыкания контактов камер контролировались по напряжениям дуги в каждой из них, рис. 3, записанным с помощью катодных повторителей. Таким образом, продолжительность протекания тока КЗ составляла около 80 мс или 8 полуволн тока. Через 50 мс после прерывания тока напряжение с макета снималось.
Во второй группе производился наброс симметричного тока КЗ с периодической составляющей до 80 кА на предварительно замкнутые контакты в обеих камерах и последующее его отключение при синфазном размыкании контактов.

Результаты испытаний в режиме включения

С помощью кривых 4 и 5 (рис. 2) можно судить о токах через камеры 1 и 2 в режиме включения, об их наибольших пиках i , и /* о темпе изменения распределения тока /0 макета между камерами и о значении разновременности А/ включения камер 1 и 2. Кривая 6 дает возможность определять значение начальной фазы включения тока КЗ, которая составляет

где U - мгновенное значение напряжения на макете при включении тока; Um- амплитуда напряжения на макете. В опыте (рис. 2) Um= 6л/2 кВ, U = 3 кВ,

Рис. 3. Напряжение дуги камер при отключении тока КЗ с разновременностью размыкания контактов At, (записано в операции отключения в цикле ВО, представленном на рис. 2; метки времени через 2 мс):
1 - восстанавливающееся напряжение;
2 - ток КЗ; 3,4 - напряжение дуги U U камер ВДК и ВДК соответственно.
-У— = 0,35; vi/ = arcsin0,35; vi/ = 20°.

Подобные осциллограммы получены еще в восьми опытах. Результаты их обработки сведены в табл. 2.
В табл. 2: / - начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ; /в - наибольший пик тока КЗ через макет при включении; / ., / _ - наибольшие пики тока КЗ соответственно через первую и вторую камеры; А/, - разновременность включения первой и второй камер; \|/ - начальная фаза (определяет мгновенное значение напряжения генератора в момент тока КЗ).
Из табл. 2 видно, что диапазоны изменения значений периодической составляющей тока находятся в пределах 42-60 кА, наибольшее значение пика тока 68-150 кА, разновременность 2-4 мс и фаза включения 20-105°. Широкий диапазон изменения электрического режима включения тока КЗ позволяет выявить следующие тенденции:

1. Существенная неравномерность деления пика тока КЗ между камерами. Отношение пиков тока первой и второй включившихся камер ijis2 может превышать трехкратное значение (строки 1,4, 6, 8). Неравномерность возрастает с увеличением начальной фазы \|/.
2. Неравномерность деления пика тока возрастает с увеличением разновременности Д/| (строки 2, 3, 5, 8).
3. Наибольшие абсолютные значения пика тока через первую из включившихся камер приходятся на малые начальные фазы (\|/<30°, строки 7, 9). Это наиболее тяжелый для камеры режим включения, поскольку с уменьшением \|/ растут наибольшие абсолютные значения пика тока при КЗ.

Неодновременность включения камер необходимо минимизировать, чтобы уменьшить нагрузку на первую включившуюся камеру. В реальных выключателях невозможно свести к нулю неодновременность включения камер.
Это связано с двумя причинами. Первая состоит в неизбежной разновременности механического смыкания контактов параллельных камер. При скорости сближения контактов в операции включения v~l м/с обеспечить разновременность смыкания менее 1 мс трудно. Будем считать приемлемой разновременность механического смыкания контактов 1 мс. Вторая причина состоит в возможности возникновения дуги пред- включения в одной из параллельных камер до смыкания контактов. При этом лишь через эту камеру пойдет весь ток полюса выключателя. И поскольку напряжение на других параллельных камерах полюса снизится до напряжения дуги первой камеры, а это несколько десятков вольт, то переход тока на эти камеры начнется лишь при механическом смыкании их контактов. Для оценки времени существования дуги пред- включения с приемлемой достоверностью можно принять значение пробивной напряженности межконтактного промежутка длиною порядка

1. мм для контактов из хромомедной композиции £ф~30 кВ/мм. Тогда при амплитудном значении напряжения на полюсе U пробой межконтактного промежутка произойдет при его длине d<U IE . Для выключателя на номинальное напряжение Un - 20 кВ амплитуда фазного напряжения Um= 16,2 кВ и длина промежутка при пробое d<U IE = 16,2/30=0,54 мм.

В целом с учетом разновременности механического смыкания контактов и времени существования дуги предвключения можно считать «нормальным» для суммарного значения At <2 мс.
Превышения этого значения лучше не допускать. В этой связи необходимо признать нежелательным снижение скорости контактов при смыкании менее 1 м/с, поскольку это приведет к увеличению значения At и токовой нагрузки на первую из включающихся камер.
При включении на КЗ обычно немедленно подаётся команда на отключение выключателя. Быстрота исполнения этой команды лимитируется собственным временем отключения выключателя /, с добавлением 10 мс. Минимальное значение собственного времени отключения вакуумных выключателей редко бывает менее 40 мс. Примем / = 40 мс. Для успешного отключения тока КЗ необходимо, чтобы за время / произошло нивелирование неравномерности деления тока между параллельными камерами, возникающей при включении за счет неодновременное™ А/ При этом условии будет исключена перегрузка камер и каждая из них будет отключать ток не более её номинального тока отключения, а весь полюс сможет отключить ток, равный сумме номинальных токов отключения камер.
Чтобы за время / произошло это выравнивание, необходимо, чтобы электромагнитная постоянная времени х каждой из токовых ветвей была бы примерно втрое меньше собственного времени отключения выключателя, т.е. х < 0,3/. Из теории переходных процессов известно, что х = £//?о, где L и R соответственно, индуктивность и активное сопротивление токовой ветви, включая индуктивность и активное сопротивление камеры при сомкнутых контактах. Сопротивлением участков сборных шин между точками присоединения токовых ветвей пренебрегаем, поскольку оно относительно мало.
Для испытуемого макета выключателя минимальное значение индуктивности токовой ветви с протяженностью пути тока около 1 м, включая путь по индукторам контактов камеры, можно оценить как L = 1 • 10'6 Гн. Тогда для т < 0,3/ = 0,3 • 40 = 12 мс значение R должно быть не менее R > LK =110'6/ /12 • 10‘3 = 0,84 • 10'4 Ом, т.е. 84 мкОм.
Сопротивление камеры постоянному току в аппаратах на номинальный ток 1600 А и более обычно не превышает г = 15 мкОм, поэтому для достижения т < 12 мс последовательно с камерой необходимо включить резистор R сопротивлением не менее 70 мкОм. В нашем случае (рис. 1) включены резисторы Ш] и Ш2 по 124 мкОм, а потому т = L/Ro = LI (г + R) = 1 • 10 6 / /139 • 10'6 = 0,007 с, т.е. т = 7 мс и полное выравнивание тока между ветвями должно произойти за время Зт = 21 мс, т.е. за две полуволны тока. Это и можно видеть на осциллограмме (рис. 2). За собственное время выключателя (t ~ 40 мс) при условии подачи команды на отключение сразу при включении тока КЗ контакты параллельных камер ВДК1 и ВДК, (рис. 1) начали бы расходиться на пятой полуволне тока, когда периодическая составляющая тока полюса равна 54 кА, а токи через камеры равны 27 и 28 кА, т.е. разделены между ними практически поровну, как это следует из условия равенства полных сопротивлений Z, = Z2 токовых ветвей. И это после того, когда начальная асимметрия пиков тока была почти двукратной: 100 к А через первую камеру и 55 кА через вторую (рис. 2). Выше указывалось, что при реализации конструкции полюса выключателя принимались меры по выравниванию между собою полных сопротивлений, содержащих камеры токовых ветвей,
т.е.
Лишь при выполнении этого условия можно рассчитывать на равномерное деление между параллельными камерами длительно протекающего через полюс тока, а также на перераспределение к равномерному изначально существенно искаженного распределения тока между камерами.
Условия деления тока между двумя соединенными параллельно токовыми ветвями могут быть распространены на три и более токовых ветвей. Обусловлено это тем, что от числа ветвей не зависит значение Atx - разность моментов включения первой и следующей за ней другой камеры, в какой бы ветви она ни находилась. А при неизменности значения А/, не изменяется при прочих одинаковых условиях значение пика тока через первую камеру, работающую, как показано, в наиболее тяжелом режиме и определяющую успех выполнения цикла ВО.
С увеличением числа токовых ветвей при наличии эффективного метода равномерного деления тока между ними за время не более t появляется возможность после включения выключателя на КЗ произвести его немедленное отключение.
При необходимости увеличить длину ошиновки токовой ветви, а следовательно, и ее индуктивности, приходится идти на повышение R для сохранения приемлемого значения т. При этом возрастают потери в ветви. Представляется достаточным для большинства практических случаев, если R не будет превышать 20-кратного значения сопротивления камеры, т.е. R < 20г. Таким образом, диапазон значений резистора, включаемого последовательно с камерой, следует определять из соотношения: 770,3/, < R < 20г.
До сих пор рассматривался режим включения выключателя на КЗ. Но возможен случай, когда КЗ случается при ранее уже сомкнувшихся контактах параллельных камер (рис. 4). При этом, разумеется, токи между ветвями сразу поделятся обратно-пропорционально их полным сопротивлениям [3]. Для нашего случая, когда Z = Z = Z, ток полюса должен поделиться поровну между ветвями. Это и подтверждается осциллограммой (рис.4), из которой видно, что ток полюса 7 = 80 кА разделится на две практически равные составляющие /,= 37 кА и 7 = 41 кА. Причем каких-либо переходных процессов, как и следовало ожидать, не возникло, режим сразу стал установившимся.

Результаты испытаний в режиме отключения

При выполнении операции отключения возможны два случая. Первый - идеальный, но редкий случай практически одновременного (с разновременностью At < 1 мс) размыкания контактов всех параллельных камер. При этом, как видно на примере синфазного размыкания контактов двух параллельных камер (рис. 4), равномерное деление тока между камерами сохраняется до его прерывания при первом переходе через нулевое значение. Причем прерывание происходит в обеих камерах одновременно. Сохранение равномерности деления тока во время горения дуги в каждой из камер в данном случае обусловлено полной тождественностью и стабильностью положительных вольт-амперных характеристик вакуумных дуг в аксиальных магнитных полях межконтактных промежутков, длины которых изменяются также по одинаковым законам, если Д/2 < 1мс. Эта осциллограмма интересна еще тем, что ею документируется факт суммирования номинальных токов отключения камер при их параллельной работе: полюсом отключен ток / = 80 кА при номинальных токах отключения камер по 40 кА.

Рис. 4. Осциллограмма отключения тока КЗ, прошедшего через предварительно замкнутые контакты двух параллельных камер:
1 - ток макета; 2,3- токи параллельных камер; 4 - восстанавливающееся на макете напряжение; для удобства чтения осциллограммы полярности записи токов макета и камер противоположны; А - момент размыкания контактов камер.
Второй, типичный случай, характеризуется разновременностью размыкания контактов параллельных камер А/2>1мс. При такой разновременности наблюдается искажение первоначально равномерного деления тока между параллельными камерами [3]. Это можно видеть и на рис.2, где форма последних полуволн тока камер существенно отличается от синусоидальной, характерной для тока макета в целом. Разновременность размыкания контактов камер в данном случае равна At2 = 2 мс (рис. 3). Искажение распределения тока возникает в результате возникновения дуги в первой из камер в момент нарушения равенства полных сопротивлений токовых ветвей и перераспределения тока между ними. При этом постоянная времени т переходного процесса по порядку значения не отличается от таковой при включении параллельными камерами тока КЗ, случая, разобранного выше. После размыкания контактов следующей камеры (момент t на рис. 2 и 3) и возникновения между ними дуги симметрия сопротивлений токовых ветвей практически восстанавливается и возобновляется процесс выравнивания тока между ветвями за счет стабилизирующей роли сопротивлений Z ветвей. Этот процесс также можно проследить на кривых 4 и 5 (рис.2).
Как отмечено, при наличии разновременности At длины межконтактных промежутков камер также различны: Ad = At • V. Поэтому и длина дуги в первой из разомкнувшихся камер (камера 2) будет на Ad длиннее, чем в другой. Для поддержания в камере 2 более длинной дуги требуется на несколько вольт большее напряжение, чем в камере 1. Но его повышению в некоторой степени препятствует более короткая дуга камеры 1. В результате могут возникнуть условия, когда одновременное существование дуг в параллельных камерах окажется невозможным. Произойдет погасание более длинной дуги, т.е. дуги в камере 2. Именно это можно видеть на рис. 3, кривая 3, где на доли миллисекунды раньше напряжение в камере 2 изменило знак с положительного на отрицательный, чем в камере 1. На рис. 2 также отчетливо зафиксирован факт более раннего прерывания тока камерой 2 (кривая 4), чем камерой 1 (кривая 5). Таким образом, наличие разновременности Д/2 при размыкании контактов приводит не только к искажению токораспределения между соединенными параллельно токовыми ветвями, а следовательно, и между параллельными камерами, но и к возможности разновременности моментов прерывания тока в параллельных камерах. Напомним, что при синфазном размыкании контактов этих явлений не наблюдается.
Рассмотренные детали процесса отключения тока параллельными камерами не влияют на отключающую способность полюса в целом, если выполняется главное условие. Оно состоит в том, что размыкание контактов параллельных камер должно произойти существенно раньше нуля тока полюса. В нашем случае упреждение должно быть не менее 3 мс. За это время длина межконтактных промежутков в момент прерывания тока при v = 1 м/с составит не менее 3 мм, они смогут удержать пик восстанавливающегося напряжения не менее 50 кВ, что обеспечит надежную работу выключателя во всех режимах. Более позднее размыкание контактов камер недопустимо, поскольку увеличивает вероятность повторных зажиганий и протекания тока полюса через пробившуюся камеру с катастрофическими последствиями. Ограничение времени самого позднего размыкания контактов камер 3 мс до нуля тока может быть снято при отключении нагрузок выключателя, не превышающих номинального тока отключения одной камеры.

Выводы

1. В вакуумном выключателе с параллельными камерами решена задача равномерного деления тока между камерами во всех режимах работы, в том числе при выполнении цикла «включено-отключено» при токе КЗ.
2. Наибольший пик тока в выключателе при включении может достигать значений / =ni uriLr, а номинальный ток отключения выключателя / = =0,9п1, т.е. коммутируемый выключателем ток КЗ возрастает прямо пропорционально числу параллельных камер.
3. Потребности в генераторных выключателях с номинальными токами отключения до 100 кА и номинальными токами до 8000 А могут быть удовлетворены за счет вакуумных выключателей с использованием до 3 камер в каждом полюсе.

Список литературы

1. Пат. 3441800 США. 12 января 1967.
2. Каталог фирмы «Сименс» HG 11.11.1996.
3. Перцев А.А. и др. Параллельное соединение нескольких вакуумных дугогасительных камер в полюсе выключателя//ТРАВЭК. Электротехника 2010. V симпозиум. 1999, Т. 1. С. 184-187.