Распределение напряжения между вакуумными дугогасительными камерами, соединенными последовательно

УДК 621.316

В.В. Муллин, М.А. Фурсаев

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ МЕЖДУ ВАКУУМНЫМИ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫМИ КАМЕРАМИ, СОЕДИНЕННЫМИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО

Предложена методика определения степени отличия величин напряжения, приложенного к последовательно соединенным вакуумным дугогасительным камерам в выключателе при обеспечении ими разрыва электрической цепи. Показана зависимость степени отличия этих напряжений от величины и характера нагрузки на выходе выключателя. Показана возможность использования этой методики при определении емкости конденсаторов, шунтирующих камеры, с целью выравнивания распределения напряжений между камерами при их последовательном соединении.

Вакуумная дугогасительная камера, выключатель, последовательное соединение, распределение напряжения, шунтирующий конденсатор

V.V. Mullin, M.A. Fursayev VOLTAGE DISTRIBUTION AMONG VACUUM INTERRUPTERS IN SERIES COUPLING

The paper presents a method for detecting an uneven voltage distribution among the vacuum interrupters connected in series to the circuit breaker performing opening

operation. It was shown that the voltage distribution depends on the type and value of the breaker output load. The given method is shown to be an instrument for evaluation of shunt capacitors used to achieve a more even voltage distribution among the vacuum interrupters connected in series.

Vacuum interrupter, circuit breaker, series connection, voltage distribution, shunt capacitor

В выключателях электрических цепей переменного тока с напряжением более 100 кВ в качестве коммутационных элементов используются вакуумные дугогасительные камеры (ВДК), которые соединены последовательно [1, 2]. При последовательном соединении ВДК функционируют при уменьшенном напряжении. Это позволяет уменьшить расстояние между контактами ВДК, что способствует упрощению решения ряда вопросов разработки и эксплуатации высоковольтных выключателей, в частности обеспечения их электрической прочности при отключенной нагрузке, когда контакты ВДК разомкнуты, а также уменьшения мощности привода, осуществляющего перемещения контактов ВДК.

В составе выключателя последовательное соединение ВДК осуществляется посредством шины, с чем связано появление емкости «шина-земля». В результате распределение напряжений между ВДК при разомкнутых контактах становится неравномерным [3]. Ниже рассматривается методика, позволяющая определить неравномерность распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК с разомкнутыми контактами.

В основу методики положена эквивалентная схема, приведенная на рис. 1, где ВДК с разомкнутыми контактами представлены в виде емкостей Свдк, а емкость СШ отражает наличие емкости «шина-земля». Индекс «2» относится к ВДК, ближайшей к нагрузке с сопротивлением Zh = Rh + jXH. Следует отметить, что из эквивалентной схемы на рис. 1 следует условность применения термина «последовательное соединение ВДК», которое нашло широкое распространение и поэтому он используется в настоящей работе.

Рис. 1. Эквивалентная схема для определения отношения токов, протекающих в последовательно соединенных ВДК с разомкнутыми контактами

Отношение напряжений на ВДК может быть записано как

U-

X

ВДК1

Хт

Ji.

L

2 ВДК2 2

где Хвдк1 и Хвдк2 - сопротивления емкостей ВДК с разомкнутыми контактами, II и 12 - протекающие по ним токи. Отношение токов, протекающих через ВДК, можно рассматривать как коэффициент передачи по току Т-образного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление 2Н. Величина такого коэффициента определяется по соотношению [4]

Кх =

где А21 = 1/Хш и А22 = 1 + Хв1К2/Х|ц - элементы матрицы передачи Т-образного четырехполюсника, Хш - сопротивление емкости шина-земля, откуда

ÍL

I,

( X

1 + Х ВДК2

+ Хн

Y

Хт

Х

(

+

ш у

R,

Y

Х

ш у

где знак «минус» соответствует индуктивной компоненте сопротивления нагрузки, а знак «плюс» -

емкостному. Из этого соотношения следует, что от величины емкости ВДК, ближайшей к нагрузке,

зависит распределение токов между ВДК полюса.

Отношение напряжений, приложенных к последовательно соединенным ВДК с разомкнутыми

контактами, определяется с использованием соотношений (1) и (3). Если величины емкостей ВДК

одинаковы, то с учетом реальных величин сопротивления нагрузки (величины волновых сопротивле-

43

0,5

ний линий передач составляют несколько сотен Ом) напряжение на той, которая ближе расположена к нагрузке, всегда меньше. При уменьшении емкости «шина - земля» уменьшается различие между напряжениями, которые приложены к ВДК, что иллюстрируется данными расчета, приведенными на рис. 2а. Из этого рисунка также видно, что различие между напряжениями ВДК увеличивается при увеличении активной составляющей сопротивления нагрузки и емкости ВДК.

При увеличении емкостной компоненты сопротивления нагрузки увеличивается различие между напряжениями, приложенными к ВДК, а при увеличении индуктивной компоненты сопротивления нагрузки это различие сокращается. Такие зависимости иллюстрируются рис. 2б. При наличии индуктивной составляющей сопротивления нагрузки в ряде случаев возможно превышение напряжения, приложенного к ВДК, ближайшей к нагрузке, над напряжением, приложенным к другой ВДК.

Для проверки применимости рассматриваемой методики использовались результаты, полученные при исследовании трехфазного выключателя на напряжение 110 кВ, в котором две ВДК соединены последовательно [5].

Согласно измерениям, усредненная величина емкости ВДК с разомкнутыми контактами равна 16,5 яФ, усредненная величина емкости «шина-земля» равна 24,1 яФ. На ВДК, ближайшей к источнику напряжения, падает 68-75% подводимого напряжения, а на ВДК, ближайшей к нагрузке, - 25-32%.

С учетом реальных величин сопротивления нагрузки отношения ЯН/ХШ и ХН/ХШ близки к нулю. Отношение емкостных сопротивлений Хвдк/Хш = 0,68, а величина сопротивления Хш = 132 кОм. При таких значениях параметров расчетные величины напряжения ВДК, ближайшей к нагрузке, и ВДК, ближайшей к источнику напряжения, составляли соответственно 35 и 65% от подводимого напряжения. Как видно, данные расчета и эксперимента весьма близки.

Для выравнивания напряжений между последовательно соединенными ВДК используется шунтирование каждой из них конденсаторами. Однако при этом увеличиваются токи переходного процесса при выполнении операции отключения, что отражается на отключающей способности выключателя [2]. Поэтому при разработке и эксплуатации высоковольтных выключателей должна решаться задача определения распределения напряжение между ВДК с учетом их шунтирования конденсаторами. Эквивалентная схема рис. 1 и полученные на ее базе соотношения позволяют решить эту задачу. При ее решении в соотношениях вместо величины Хвдк используется величина Хс, сопротивление суммарной емкости ВДК и шунтирующего его конденсатора.

О 1 2 3 4 0 1 2 3 4

а б

Рис. 2. Зависимости величин напряжения, приложенного к ВДК с разомкнутыми контактами, соединенными последовательно, от отношения Рн/Хвдк а - для двух значений отношения Хвдк/Хш при Хн = 0;

На рис. 3 приведены данные расчета распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК в зависимости от отношения ХС/ХШ при их шунтировании конденсаторами для трех значений активной компоненты сопротивления нагрузки. При этом полагалось, что величины суммарной емкости ВДК с разомкнутыми контактами и шунтирующего ее конденсатора для двух ВДК одинаковы. Видно, что увеличение емкости шунтирующих конденсаторов, т.е. уменьшение их реактивного сопротивления, уменьшает различие между напряжениями, приложенными к ВДК.

Рис. 3. Зависимости распределения напряжений, приложенных к последовательно соединенными ВДК с разомкнутыми контактами и шунтируемыми конденсаторами, от отношения Хс/Хш для трех значений отношения Рн/Хш и при Хн/Хш = 0

Цвдк

1 ^под

\__

—t 7— _2__ ВДК2

L ВДК1 1

______Ас

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Хи

Рис. 4. Зависимости распределения напряжений, приложенных к последовательно соединенными ВДК

с разомкнутыми контактами и шунтируемыми конденсаторами с различной величиной емкости, от отношения Хс/Хш при Rh/Хш = 0 и Хн/Хш = 0

Однако данный эффект существенно проявляется лишь при малых величинах активной компоненты сопротивления нагрузки. При больших величинах этого сопротивления различие между напряжениями, приложенными к ВДК, можно уменьшить, если использовать при шунтировании конденсаторы с различной величиной емкости. Очевидно, что величина сопротивления конденсатора, шунтирующего ВДК, ближайшей к нагрузке, должна быть больше. Такая возможность иллюстрируется данными расчета, приведенными на рис. 4, для двух значений отношения емкостных сопротивлений ХС2/ХС1. Вдоль оси абсцисс отложена величина сопротивления суммарной емкости ВДК, ближайшей к нагрузке, и емкости шунтирующего ее конденсатора, отнесенной к сопротивлению емкости «шина-земля».

Таким образом, предложенная в настоящей работе методика позволяет прогнозировать распределение напряжения, которое приложено к последовательно соединенным ВДК в выключателе при отключенной нагрузке. Как показал проведенный анализ, степень отличия напряжений этих ВДК зависит от величины и характера сопротивления нагрузки. Предложенную методику также можно использовать в случае шунтирования конденсаторами ВДК с целью выравнивания распределения напряжения между ними.

Полагается, что предложенная методика найдет применение при решении вопросов повышения электрической прочности вакуумных высоковольтных выключателей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Slade P.G. The Vacuum Interrupter. Theory,Design and Application / P.G. Slade // CPC Press. 2008. 510 p.

2. Fugel T. Switching and Transient Phenomena a Series Design of Two Vacuum Circuit Breakers / T. Fugel // XXI International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P.399-402.

3. Shiba Y.A Withstand Voltage Characteristics of Two Series of a Vacuum Interrupter / Y. Shiba, H. Fujmori, N. Ide, S. Yanabu // XXIIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Vol. 1. Japan, 2006. P. 196-199.

4. Атабеков Г.И. Основы теории цепей / Г.И. Атабеков. Краснодар: Лань, 2009. 432 с.

5. Муллин В.В. Трехфазный выключатель на напряжение 110 кВ / В.В. Муллин, Г.В. Крылов // Электротехника. 2013. № 7. С. 25-29.

Муллин Виктор Валентинович -

кандидат технических наук, Председатель Союза производителей и работодателей Саратовской области

Victor V. Mullin-

Ph. D..,

Chairman: Manufacturers

and Employers Association in Saratov region

Фурсаев Михаил Александрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Mikhail A. Fursaev -

Dr. Sc., Professor

Department of Electrical Engineering and Electronics,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 11.03.14, принята к опубликованию 16.06.14