1. Коммутационные аппараты переменного тока. Основные этапы разработки коммутационных модулей

В последние десятилетия наблюдается бурный рост потребления электроэнергии в развитых и развивающихся странах, несмотря на широкое внедрение энергосберегающих технологий. Это связано с развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, с процессом урбанизации, с улучшением качества жизни, с ростом численности населения. За 20 лет численность населения возросла в 4 раза, реальный доход в 25 раз, объем потребляемой электроэнергии - в 22.5 раза.

В настоящее время речь идет не только о необходимости постоянного увеличения генерирующих мощностей, но и о качестве энергоснабжения. Энергия должна доставляться конечному потребителю не только в полном объеме, но и бесперебойно. Связующим звеном между производителями и потребителями электроэнергии являются электрические сети, представляющие собой сложнейший комплекс воздушных и кабельных линий электропередач различного уровня напряжения и электроустановок - трансформаторных подстанций, распределительных устройств, реклоузеров и т.д.

Важнейшими элементами электрических сетей являются коммутационные аппараты, позволяющие оперативно изменять конфигурацию сети, например, отключать или подключать потребителей, задействовать при необходимости резервные источники питания, адекватно реагировать на возникающие аварии.

Принцип действия коммутационных аппаратов переменного тока заключается в следующем. После получении команды на отключение электропривод начинает разводить контакты. При этом загорается дуга, которая гаснет при переходе напряжения через ноль при достаточном для этого расстоянии между электродами. В зависимости от того, в какой среде находятся контакты, коммутационные аппараты подразделяют на масляные, элегазовые и вакуумные.

В масляных выключателях дуга, образующаяся между контактами, горит в трансформаторном масле. Под действием энергии, выделяющейся в дуге, масло разлагается, и образующиеся пары и газы используются для ее гашения. Основными преимуществами масляных выключателей является высокая надежность, а также простата конструкции. К основным недостаткам следует отнести их большой размер и массу, необходимость периодической очистки масла, взрыво- и пожароопасность [1].

В элегазовом выключателе средой, в которую помещены электроды, является шестифтористая сера (элегаз). При отключении тока в элегазовой камере образуются низшие фториды, которые являются токсичными, поэтому выключатели данного типа не являются экологически чистыми [2].

В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в дугогасительной камере при высоком вакууме. При размыкании контактов возникает дуга, вызывающая испарение материала контактов, которая гасится при первом переходе тока через ноль. Далее, пары металла конденсируются на поверхности электродов, и поэтому межэлектродный промежуток восстанавливает свои изоляционные свойства. Данный тип выключателей имеет ряд преимуществ перед остальными:

малый размер и масса;

- отсутствие компрессорных установок, масляного хозяйства, а также необходимости в пополнении и замене дугогосящей среды;

- высокая механическая и коммутационная износостойкость;

снижение эксплуатационных затрат;

полная взрыво- и пажаробезопасность [1].

Если сравнивать элегазовые и вакуумные выключатели, то последние имеют следующие преимущества:

стабильность дугогосящей среды;

высокое число коммутаций номинальных токов;

высокая надежность.

Для применения в высоких классах напряжений выключатели с вакуумными камерами приходится соединять последовательно. В этом случае элегазовые выключатели имеют преимущество, поскольку нецелесообразно изготавливать многоразрывный выключатель для применения там, где можно применить выключатель с одним разрывом [3].

Вакуумные выключатели, а именно о них пойдет речь в данной работе, сейчас являются преобладающими на рынке сетей среднего класса напряжения (до 35кВ). Начиная с 70-х годов было запущено их серийное производство. К середине 80-х годов их доля на мировом рынке превысила 50%. На рис. 1.1 представлена конъюнктура мирового рынка для выключателей среднего класса напряжений [4].

Рис. 1.1. Конъюнктура мирового рынка для выключателей среднего класса напряжений.

Основными производителями вакуумных выключателей являются зарубежные фирмы IBB, Cooper Electric, Schneider Electric. Эти компании стояли у истоков создания вакуумной коммутационной техники и долгие годы являлись "законодателями мод" в этой области электроэнергетики.

В 1990 году была образована российская компания - Промышленная группа "Таврида Электрик", которая уже через 5 лет наладила серийный выпуск вакуумных дугогасительных камер собственной разработки. В настоящее время компания входит в тройку мировых лидеров по объему производства вакуумных выключателей среднего класса напряжения, а по объемам производства реклоузеров находится на первом месте. Продукция ТЭЛ заметно превосходит по своим основным параметрам аналоги своих конкурентов.

В первую очередь это связано с тем, что при разработке новых аппаратов используются самые последние достижения в области инженерии и технологии, а также последние результаты фундаментальных и прикладных исследований, полученных как в собственных исследовательских центрах, так и в научных центрах, с которыми компания тесно сотрудничает. Примером такого сотрудничества является Научно-исследовательский центр "Электрофизика" физического факультета СПбГУ, на базе которого и выполнена данная работа.

При разработке коммутационной техники должны учитываться условия ее эксплуатации. Если говорить о климатических условиях, то вакуумные выключатели без каких-либо конструктивных адаптаций должны работать в условиях заполярного круга, в тропических странах с высокой температурой и влажностью, на побережьях океанов в условиях соляных туманов, в пустынях, где нередки песчаные бури и т.д. При этом вакуумные выключатели, в отличие от масляных, не требуют технического обслуживания на протяжении всего периода эксплуатации. Например, для продукции ТЭЛ гарантийный срок службы составляет от 7 до 10 лет при возможном числе коммутаций 100 000, а реальный срок эксплуатации при несущественном износе компонентов - 30 лет.

Коммутационные аппараты должны обладать способностью не только длительное время работать в штатном (номинальном) режиме, но и сохранять работоспособность в аварийных ситуациях. Например, при коротких замыканиях в электросетях, что случается довольно часто. По статистике в среднем на каждые 100 км линии в год приходится около 10 КЗ. Таким образом, за период эксплуатации аппарат должен обладать способностью отключать ток КЗ, величина которого может превосходить номинальное значение более чем на порядок.

В нештатных ситуациях коммутационные аппараты подвергаются не только повышенным токовым воздействиям, как при коротком замыкании, но и повышенным напряжениям, величина которых значительно превосходит номинальные значения. Это происходит, например, при ударе молнии вблизи линий электропередач.

Создание аппаратов, способных длительное время работать в столь жестких условиях, представляет собой чрезвычайно сложную научно-техническую задачу. Особенно с учетом того, что производители в условиях высокой конкуренции стремятся минимизировать их размеры.

Прежде чем появиться на рынке электротехнического оборудования, новый коммутационный аппарат должен успешно пройти ряд легализационных испытаний, предусмотренных внутренними ГОСТами и международными стандартами, которые в той или иной степени учитывают условия их реальной эксплуатации. Хотя легализационные и эксплуатационные требования совпадают не всегда. Перечислим основные типы испытаний. Методику их проведения и соответствующие требования можно найти в [5].

Испытания на механическую прочность и механический ресурс

Как и любая инженерная конструкция, коммутационный аппарат должен обладать стойкостью к различным механическим воздействиям, которые можно разделить на однократные и периодические (циклические). Однократные воздействия, в свою очередь, можно разделить на стационарные и импульсные. В реальной эксплуатации стационарные нагрузки - это прежде всего т.н. силы тяжения, приложенные к выводам коммутационного аппарата со стороны проводов линии электропередач. Возникающие при этом моменты сил не должны приводить к потере механической прочности в течение всего срока эксплуатации. Наиболее уязвимыми узлами конструкции с точки зрения таких воздействий является опорная изоляция.

Однократные импульсные (ударные) воздействия в процессе эксплуатации связаны с бросками тока при коротком замыкании. Протекающие импульсные токи могут измеряться десятками кА, а силы взаимного воздействия близко расположенных проводников - тысячами и десятками тысяч Ньютонов. Значительные силы оказываются приложенными, в основном, к внешним токоведущим шинам и элементам электродов вакуумной дугогасительной камеры. Способность аппарата выдерживать такие ударные механические воздействия в энергетике называется электродинамической стойкостью электрического аппарата.

Испытания на механический ресурс призваны подтвердить, что аппарат способен выдержать задекларированное число циклов включения-отключения. Так как этот параметр исчисляется десятками и сотнями тысяч, то подобные испытания занимают много времени - несколько недель для отдельного аппарата и несколько месяцев для тестируемой партии.

Причинами отказа при проведении испытаний на механический ресурс чаще всего являются разрушения опорной и тяговой изоляции и электродов вакуумной дугогасительной камеры. Разрушения вызываются, в основном, механизмами старения материала.

Испытания на импульсную электропрочность

Эти испытания должны подтвердить способность аппарата выдерживать без возникновения пробоя различного рода импульсные перенапряжения, например, грозовые импульсы, импульсы коммутационных перенапряжений и др. Амплитуда тестового грозового импульса существенно превосходит значение номинального напряжения. Например, для выключателя на 15 кВ амплитуда грозового импульса составляет около 95кВ. Потенциально слабыми местами вакуумных выключателей являются части изоляции, располагающиеся между выводами терминалов и заземленными частями конструкции.

Ряд испытаний, которым подвергается коммутационный аппарат при легализации, связаны с нагревом их компонентов протекающим током. Можно провести разделение токовых воздействий и соответствующих угроз на три типа. Первый связан с нагревом при прохождении номинального тока. Два других - с протеканием тока короткого замыкания. Последнее разделение вызвано тем, что ток короткого замыкания при определенных условиях может иметь значительную апериодическую составляющую, что приводит к тому, что его значение в первом полупериоде будет значительно больше, чем "стационарное" значение тока короткого замыкания. Поэтому принято рассматривать отдельно влияние первого полупериода и тока короткого замыкания в целом на коммутационный аппарат. Соответствующие термины в электроэнергетике - ударный ток короткого замыкания и ток термической стойкости. Подробнее об этом будет сказано ниже.

Испытания на нагрев номинальным током

Коммутационный аппарат обязан обладать способностью пропускать декларируемый номинальный ток в течение всего гарантийного срока эксплуатации, что должно быть подтверждено проведением соответствующих тестовых испытаний. Они проводятся следующим образом. Через аппарат пропускается ток, значение которого равно номинальному. После того, как тепловое поле стало стационарным, производят измерение температуры в контрольных точках, которые располагают в местах наибольшего нагрева токоведущей системы и изоляции. Эти значения температуры сравнивают с предельно допустимыми значениями.

Наиболее нагретыми частями токоведущей системы оказываются места контактных соединений, т.к. там, помимо джоулева тепловыделения, происходит выделение тепла на контактных сопротивлениях. Такими местами в коммутационных аппаратах являются гибкий токосъем и электроды вакуумной дугогасительной камеры. Но т.к. они недоступны для реального контроля при проведении тестовых испытаний, контрольные точки располагаются на выводах выключателя и на поверхности изоляторов.

Следует отметить, что допустимые перегревы часто используемых контактных соединений невелики, лежат в пределах 60-75°. Поэтому удовлетворение таким требованиям является непростой задачей.

Испытания на стойкость к ударному току

При эксплуатации высоковольтные выключатели подвергаются токовым воздействиям, значения которых могут значительно превышать номинальные. Одним из таких воздействий является прохождение ударного тока, который может возникнуть в результате какой-либо аварии в электрической сети. Ударным током называется наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания, определяемое как сумма мгновенных значений вынужденного тока и свободного тока в процессе короткого замыкания. В результате воздействия тока короткого замыкания может возникнуть сварка контактирующих электродов, причиной которой является значительный перегрев контактной области электродов. Температура на контактных областях может достигать температуры плавления материала, из которого изготовлены электроды. Испытания на нагрев током короткого замыкания производят с целью проверки работоспособности аппарата после коммутации тока, значение которого превышает номинальное. Считается, что испытание пройдено успешно, если после прохождения импульса тока привод, размыкающий электроды, способен их развести.

Испытания на нагрев токами термической стойкости

Током термической стойкости электрического аппарата при коротком замыкании или просто током термической стойкости называется нормированный ток, термическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании в течение нормированного времени термической стойкости. На испытаниях током термической стойкости аппарат подвергают воздействиям декларируемого тока короткого замыкания в течение 1-4с (в зависимости от рынка, на котором выключатель будет реализовываться), в то время как при реальной практике их применения длительность токового воздействия, как правило, оказывается меньше 1с. При испытаниях током термической стойкости в результате токопрохождения аппарат должен сохранить свою работоспособность, а также не должно возникнуть видимых изменений конструкции.

Из приведенного перечня легализационных испытаний следует, что при разработке коммутационного аппарата приходится решать целый комплекс задач, относящихся к различным областям физики, техники и технологии. Поэтому все крупные производители высоковольтного электрооборудования имеют развитые исследовательские центры, сотрудничают с ведущими научными организациями, занимающимися фундаментальными и прикладными исследованиями.

В процессе разработки высоковольтных коммутационных модулей, прежде чем изделие примет окончательный вид, проводятся многократные испытания как его отдельных частей, так и всего аппарата в целом. Результаты каждого испытания тщательно анализируется, и если они не удовлетворяют разработчиков, то в конструкцию вносятся изменения и испытания повторяют. То есть процесс носит итеративный характер.

До недавнего времени "контуры" испытуемого изделия определялись на основе инженерного опыта разработчиков и имеющихся аналитических оценок тех или иных параметров. Как правило, первые испытания оказывались неудачными. Если взять нынешние серийные выключатели TEL, то можно сказать, что, например, добиться требуемых параметров при испытании на нагрев номинальным током удавалось с 4-5 попытки. Временной интервал между испытаниями составляет от нескольких месяцев до полугода, т.к. за это время требуется осознать, какие конструктивные изменения следует применить, и изготовить новый образец.

В последние годы в описанной цепочке появилось одно существенное звено, позволяющее значительно ускорить процесс разработки новых аппаратов. Это компьютерное моделирование. В связи с развитием вычислительной техники и пакетов численного моделирования появилась возможность рассчитывать механические, электрические, тепловые поля как в упрощенных, так и в трехмерных моделях коммутационных аппаратов с достаточной степенью точности. В ряде случаев удается построить решение т.н. совместных задач - определить реакцию модели на одновременное воздействие физически различных внешних факторов, учесть взаимное влияние полей различной физической природы. Лидером в этой области является программный комплекс ANSYS, который позволяет выполнять конечно-элементный анализ в области задач механики деформируемого твёрдого тела, задач механики жидкости и газа, теплообмена, электродинамики, акустики. Одной из особенностей данного программного пакета является возможность решать совместные (или связанные) задачи. Примером такой задачи может служить токопрохождение через электроды, к которым в свою очередь приложена сила контактного нажатия.

Появляется принципиальная возможность предварить проведение натурных экспериментов соответствующими численными расчетами. Тем самым описанный выше итерационный процесс разработки упрощается. Конструкция аппарата оптимизируется в результате выполнения серии численных расчетов, и только после достижения положительного результата приступают к проведению экспериментов на реальных макетах.

Но численное моделирование процессов в реальных устройствах является далеко не тривиальной задачей. И дело здесь не только в том, что в большинстве случаев объекты сложны геометрически (что, однако, также является ограничивающим фактором для проведения расчетов). Наиболее ответственным моментом здесь является выбор адекватной модели для проведения расчетов.

Любая модель является упрощением реального объекта, а любое упрощение приводит к тому, что получающиеся результаты не тождественно описывают реальную ситуацию. Можно выделить несколько типов упрощающих предположений.

Практически любая расчетная модель геометрически отличается от реального аппарата. В нее не включают (или моделируют упрощенно) те элементы, которые существенно не влияют на результаты решения. Цель такого упрощения - привести в соответствие ресурсоемкость модели и имеющиеся в распоряжении вычислительные возможности. Создание максимально компактной модели особенно важно при решении нестационарных нелинейных задач.

Упрощение касается также физической постановки задачи. Это касается как вида системы решаемых уравнений, так и задаваемых граничных и начальных условий. По возможности при моделировании следует учитывать только те физические процессы, которые оказывают заметное влияние на результат.

При решении нелинейных задач зачастую встает вопрос о выборе существующих в том или ином программном комплексе моделей свойств материалов. Особенно остро этот вопрос встает при расчете механической прочности и механического ресурса конструкций. Если используется упрощенная модель, например, аппроксимирующая кривую напряжение-деформация билинейной зависимостью, то погрешности расчетов определяются неточностью самой аппроксимации. При попытке использования более сложной, например, полиномиальной зависимости оказывается проблематично найти достоверные данные о коэффициентах полиномов, особенно для сложных по составу материалов - сплавов, композитов, пластмасс и т.д.

Помимо указанных факторов, на результат расчетов оказывают влияние вычислительные факторы, к которым можно отнести качество конечноэлементной модели, выбор типа решателя и его опций, выбор критериев сходимости, настройка опций используемых элементов и др.

Неудачно выбранная модель и путь построения решения может привести к тому, что результаты расчетов будут заметно отличаться от истинных значений. В принципе, вопрос о степени достоверности результатов численных расчетов достаточно сложен. Путь его решения заключается в разработке методик численного расчета для решения однотипных задач.

Процесс создания подобных работ включает в себя:

подробное описание процедуры выбора модели и численной реализации построения решения;

всестороннее тестирование получающихся результатов путем сравнения с результатами аналитического решения задач (если таковые имеются) для простых по геометрии объектов, а также путем сравнения результатов численного счета с экспериментальными данными.

После того как расчетная методика создана, результаты численных расчетов считаются столь же достоверными, как и экспериментальные данные (для процесса разработки коммутационных аппаратов во всех подразделениях ТЭЛ).

В настоящее время сотрудниками НОЦ "Электрофизика" физического факультета СПбГУ разработаны две методики численного расчета - нагрева номинальным током [6] и нагрева ударным током короткого замыкания [7,8,9,10,11,12]. Ведутся работы по созданию методик расчета нагрева током термической стойкости (чему и посвящена данная работа) [13], импульсной электропрочности, механической прочности и расчета механического ресурса [14].

Три направления перечисленных выше работ касаются нагрева коммутационных аппаратов различными токовыми воздействиями. Поговорим об этом более подробно. Как уже было сказано, в процессе эксплуатации в линиях электропередач периодически возникают короткие замыкания. На рис. 1.2 схематично представлен случай, когда в процессе протекания через аппарат номинального тока (t<0.2) в некоторый момент времени (t=0.2) в линии происходит короткое замыкание, которое "выключается" в момент времени t=0.6. Длительность ф протекания тока короткого замыкания определяется типом короткого замыкания и настройками коммутационного аппарата. При t>ф через коммутационный аппарат может снова протекать доаварийный номинальный ток, либо аппарат остается в выключенном состоянии, если в результате цикла АПВ (аварийного повторного включения) авария не была устранена. Как видно из рисунка, в момент возникновения короткого замыкания в линии может возникать бросок тока - ударный ток. Таким образом, можно выделить 3 характерных участка: I - номинальный ток, II - ударный ток, III - собственно ток короткого замыкания.

Рис. 1.2. Осциллограмма тока при возникновении короткого замыкания.

Поясним причину возможного возникновения броска тока короткого замыкания. Значение тока короткого замыкания определяется параметрами аварии в сети. До момента возникновения короткого замыкания ток характеризуется параметрами источника и сети. После возникновения короткого замыкания ток уже будет характеризоваться параметрами сети между источником и местом аварии. Его значение окажется другим, как и по модулю, так и по фазе. Так как в сети с индуктивной нагрузкой значение тока не может измениться мгновенно, то значение тока в момент возникновения короткого замыкания должно оставаться таким, какое было в момент возникновения аварии. Поэтому возникает скачек тока, который равен разнице значения тока аварии и тока до аварии. Также его значение будет зависеть и от разницы фаз токов в момент короткого замыкания.

Таким образом, значение тока будет представлять собой сумму периодической и апериодической составляющей. После возникновения аварии в сети возникает бросок тока, максимальное значение которого достигается в первой полуволне, в тот момент, когда апериодическая составляющая еще отлична от нуля. Броска тока может не быть. Это зависит от разницы фаз токов. При наихудшем варианте разницы фаз значение броска тока может достигать вплоть до двойного значения установившегося тока короткого замыкания. При испытаниях обычно используются именно это условие.

Максимальное значение броска тока, достигаемое в первой полуволне при коротком замыкании, называется ударным током. При таком воздействии возникает значительный перегрев контактной области. Температура в контактной области может достигать температуры плавления материала. Поэтому возможно возникновение сваривания контактирующих электродов камеры выключателя. Но это не будет означать однозначного вывода аппарата из строя. Только в том случае, если силы, развиваемой приводом, окажется недостаточно для разрыва сварки, аппарат становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Также при прохождении токов большой амплитуды, каким является ударный ток короткого замыкания, возможна деформация различных элементов аппарата в результате действия электродинамической силы. Если конструкция аппарата будет недостаточно проработана с точки зрения электродинамической стойкости, то в результате токопрохождения могут появиться как деформации частей выключателя, таких как ламели гибкого токосъема, так и просто отброс контактирующих электродов, что в свою очередь вызовет горение дуги в межэлектродном промежутке и разрушение контактов.

Помимо указанного "ударного" воздействия, прохождение тока короткого замыкания может также вызвать недопустимо большое тепловое воздействие на аппарат. Существуют понятия тока термической стойкости и термической стойкости аппарата. Под током термической стойкости подразумевают прохождение установившегося значения тока короткого замыкания в течение единиц секунд. Вклад апериодической составляющей в таком случае мал.

Данная работа посвящена разработке способа расчета нагрева током термической стойкости.