CC BY
35
УДК 621.331
Ю. Я. ШЕЙКА (Знам'янська дистанщя електропостачання Одесько! залiзницi)
ОБГРУНТУВАННЯ ВИКОРИСТАННЯ ДВОФАЗНИХ ВИМИКАЧ1В НА ТРИФАЗНИХ ПРИеДНАННЯХ РП-27,5 кВ
На основ1 матер1ал1в науковщв МГУПС, ПГУПС та ТОВ «НИИЭФА-ЭНЕРГО» автором дано! статп з доповненнями розглянута практична можливють використання двополюсних вимикач1в на трифазних при-еднаннях РП-27,5 кВ.
На основании материалов ученых МГУПС, ПГУПС и ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» автором данной статьи с дополнениями рассмотрена практическая возможность использования двухполюсных выключателей на трехфазных присоединениях РУ-27,5 кВ.
On the basis of materials of scientists of Moscow and Petersburg State Universities of C Ways and «NIIEFA-ENERGO Ltd.» the author of this article with additions has considered a practical possibility of us bipolar switches on three-phase connections of distributive device 27,5 кУ.
Досвщ електрифшованих залiзниць в Укра!-ш й за кордоном дозволяе вщзначити тенденци в подальших розробках устаткування i розпод> льних пристро!в 27,5 кВ: закрип компактнi розподiльнi пристро!; блоково-модульна техно-логiя; надiйнi малообслуговуваш вакуумнi ви-микачi; мiкропроцесорне керування.
При новому будiвництвi i модершзаци тяго-вих пiдстанцiй змiнного струму (для юнуючо! системи живлення) пропонуеться:
- на вводi, у фазi «с», вимикач не встанов-лювати;
- на вшх трифазних приеднаннях РП-27,5 кВ використовувати два однофазних вимикач^ оснащених загальним приводом (якщо застосувати шдивщуальш привода, то необхiдне введення захисту вщ неповнофазних режимiв) замють одного трифазного вимикача.
Реалiзацiя пропозицп дозволяе унiфiкувати вузли камер РП-27,5 кВ; зробити роботу РП-27,5 кВ надшшшою; зменшити вартiсть ви-готовлення РП-27,5 кВ i скоротити експлуата-щйш витрати на обслуговування РП-27,5 кВ.
Пропонована схема живлення тягово! мереж 27,5 кВ неiстотним для даного розгляду спрощенням показана на рис. 1.
Покажемо спочатку, що реатзащя пропози-ци не змшить потенцiйних умов роботи знижу-вального трансформатора. Для цього звернемо увагу на те, що за прийнято! на дорогах Укра!-ни i кра!н СНД схеми живлення тягово! мережi, так само як i в пропонованiй схемi фаза «с» ви-конуеться у виглядi так звано! «земляно! ши-ни», зазвичай у виглядi вiдрiзка рейки, прокла-дено! в землi та сполучено! з рейковим фiдером (РФ), рейкою тд'!зного шляху (РП) i контуром заземлення тягово! пiдстанцi!' (КЗП), тобто в
робочому режиш, коли знижувальний трансформатор включений, фаза «с» заземлена, !! потенцiал щодо землi рiвний нулю, а потенщал двох iнших фаз вище на величину вщповщно! лiнiйно! напруги.
Рис. 1. Схема живлення контактно! мереж! ввд розподшьчого пристрою 27,5 кВ з двополюсними вимикачами
Остання обставина дуже важлива, оскшьки з не! виходить однозначний висновок про те, що на такий потенцшний режим знижувальш трансформатори розраховаш спочатку. Ясно i !нше: вщключення двох фаз «а» i «Ь» шчого в потенцiйному режимi не . Фаза «с» залишасться на потенщат землi, а потенцiали двох шших фаз вище на величину вщповщно! лiнiйно! напруги, тобто трансформатор залишасться при цьому в умовах потенцшного режиму, на який вш розрахований.
Покажемо тепер, що реалiзацiя цie! пропо-зицi! не змшить умов безпеки обслуговування устаткування тягово! шдстанци.
На рис. 1 показана спрощена схема, в дшс-ност ж тсля тягового трансформатора залиша-еться трифазний роз'еднувач, який необхiдний, по-перше, для безпечного обслуговування РП-27,5 кВ (наприклад, в режимi, коли повшс-тю вiдключаeться РП-27,5 кВ, а РП-35 кВ про-довжуе електропостачання), по-друге, для пе-решкоди проникнення струмiв зворотно! з ш-ших шдстанцш при вимушеному режимi. Крiм того, в розподшьчому пристро! з камерами викатного типу обслуговування основних силових елеменпв (вимикачiв i трансфор-маторiв струму) повинне проводитися поза камерою, при вщ небезпечних мшць. Для обслуговування або ремонту дшянок силового кола !х вщключення проводиться ви-кочуванням вiдповiдних вимикачiв розривом кола по обох сторонах. Таким чином, пропоно-вана схема не викликае погiршення умов без-печного обслуговування устаткування.
Вс двофазнi к.з. мiж фазами «а - с» (в точках К1 i К2), «Ь - с» (в точках К3 i К4), а також трифазне к.з. мiж фазами «а - Ь - с» (в точках К5 i К6) е одночасно к.з. на землю. Сдиними к.з. без контура через землю будуть к.з. мiж фазами «а - Ь» (в точках К7, К8 i К9).
За ГОСТ 687-78 «Выключатели переменного тока на напряжение выше 1000 В. Общие технические условия» вщключаюча здатшсть вимикача характеризуеться наступними параметрами:
- номшальним струмом вщключення у ви-глядi дiючого значення перюдично! складово! струму, що вщключаеться;
- нормованими параметрами перехщно! вщ-новлювано! напруги (ПВН).
При рiвних струмах, що вiдключаються, вiдмiннiсть полягае тшьки в амплiтудi напруги, що вщновлюеться. Вище значення напруги, що вщновлюеться, визначае бiльш складний режим вщключення даного виду к.з. При неекстрема-льних умовах штучне зменшення максимального значення ампл^уди напруги, що вщновлю-еться, на ^ % дозволяе збшьшити величину струму, що вщключаеться, також приблизно на N %.
Однофазнi вимикачi на напругу 27,5 кВ виготовляються, як правило, на базi одного полюса трифазного вимикача на 35 кВ. У вшх ви-падках номiнальний струм вiдключення почат-кового трифазного i виконаного на його базi однофазного вимикача зберiгаеться незмш-ним. Це означае, що порiвняння умов вщклю-чення струмiв короткого замикання цими вими-качами при вшх видах короткого замикання
досить виконати тшьки за величиною напруги, що вщновлюеться, на контактах вимикача.
Практично при визначенш трудносп вщ-ключення вимикачем того або шшого струму оперують напругою, що повертаеться, величина яко! пропорцiйна амплiтудi напруги, що вщно-влюеться. Напругою, що повертаеться, назива-ють напругу, яку мережа сформувала б на контактах полюса вимикача у момент досягнення струмом, що вщключався, нуля, за умови, що вщсутня емнiсть фаз на землю, завдяки якш в мережi, що вщключаеться, насправдi форму-еться вiдновлювальна напруга, що мае колива-льний характер. Проспше i зручнiше викорис-товувати напругу, що повертаеться, оскшьки И величину легко визначити з векторних дiаграм.
Тому, враховуючи все сказане вище, ощню-ватимемо трудшсть вщключення вимикачем того або iншого п-го виду короткого замикання величиною напруги и0(п), що повертаеться, вважаючи, що бшьше значення його визначае велику трудшсть вщключення к.з.
При порiвняннi ефективност вiдключення можна вважати, що вимикачi Qa i Qв на введены i в колi ТВП згiдно пропозицп е^вален-тш вимикачам Q1 i Q3 на фщерах контактно! мережi, причому останш надiйно вiдключають максимальнi струми коротких двофазних зами-кань на землю в точках К2 i К4 за умови одночасно! роботи вщразу двох знижувальних трансформаторiв ПТ1 i ПТ2 i включених сек-цiйних роз'еднувачах QS1 i QS2 (за тако! схеми будуть найбiльшi струми к.з, якi створять най-бiльше значення ПВН).
Визначимо ефектившсть вiдключення трифазного к.з. початковим трифазним вимикачем на 35 кВ - базовим для створення однофазного вимикача для фiдерiв контактно! мережi 27,5 кВ. При цьому врахуемо, що мережа на-пругою 35 кВ за «ПУЭ» виконуеться з iзольо-ваною нейтраллю. Як вщомо, в цьому випадку найбiльшу трудшсть при вщключенш зазнае полюс трифазного вимикача, що вщключае першу фазу при трифазному (без земл^ короткому замиканш в чисто шдуктивному колi. На рис. 2 показана схема мереж 35 кВ трифазним вимикачем в положеннях вщповщно на холостому ходу (рис. 2а), у момент короткого замикання (рис. 2б, в) i вщразу ж тсля вщключення першим полюсом вимикача фази «а» при трифазному к.з. (рис. 2г).
Через симетрда вшх фаз мережi щодо земл^ як на холостому ходу (рис. 2а), так i в момент трифазного к.з. (рис. 2б), а також через симет-рда тих фаз, що залишилися (двох короткозам-
кнених фаз мережi «Ь» i «с» щодо землi пiсля вiдключення фази «а»), мае мюце розрахунок за допомогою векторних дiаграм режиму в трифа-знiй мережi, такий як обрив фазного дроту. Тому в момент досягнення струмом фази «а» нуля (момент ^ = 0) напруга, що повертаеться, на по-
Т-т-СЭ)
люс вимикача и 0 , що вщключився, рiвна рiз-
ницi потенщалу джерела i точки К(3). Як видно з дiаграми (рис. 2д), ця рiзниця, тобто напруга, що повертаеться, на першому полюсi вимикача рiвна:
12 /2 и0Э) = 1,5 •и ~ = 1,5 • Э7 ~ = 45,2 кВ, (1) л/3 л/Э
де и - лiнiйна напруга мережа
Оскшьки однофазний вимикач утворений на базi трифазного, напруга, що повертаеться, при вщключенш ним всiх видiв к.з. на приеднаннях РП-27,5 кВ не повинна бути вище, нiж у почат-кового вимикача при вщключенш ним струму трифазного замикання, а саме 45,2 кВ. Покаже-мо, що це насправдi так. Спочатку розглянемо умови роботи двох однофазних вимикачiв ВБЦО на трифазних приеднаннях РП-27,5 кВ.
Оскшьки фаза «с» наглухо заземлена, то вс трифазш к.з. е одночасно к.з. на землю (на век-торнш дiаграмi на це указуватиме верхнш ш-декс (3.1) при напрузi, струмах). Врахуемо та-кож, що розрахунковим е трифазне к.з. на введены ТВП в точщ К6, як таке, що супроводжу-еться найбiльшим струмом к.з. за умови, що включеш Т1, Т2 i секцiйнi роз'еднувачi QS1 та 082.
Послiдовнiсть вiдключення двома однофаз-ними вимикачами трифазного короткого зами-кання в мереж 27,5 кВ, наприклад к.з. у точцi К6 на введенш ТВП, супроводжуеться процеса-ми неодночасного спрацьовування полюсiв. Спочатку вимикачем або вщключаеться перша фаза (вiдповiдно «а» або «Ь») трифазного короткого замикання. Исля чого струм к.з. у 2 . .
колi зменшуеться в —:= разiв, i коротке зами-л/Э
кання продовжуеться як двофазне к.з. При ство-ренш вiдповiдних умов i зниженнi струму в колi к.з. до нуля це двофазне к.з. вщключае другий полюс вимикача, що залишався невщключе-ним.
Вiдмiтимо, що умови вщключення двофаз-ного к.з. еквiвалентнi вщключенню короткого замикання на фiдерi контактно! мережi (в точках К2 або К4). Потенцiйнi стани вузлiв схеми замiщення до початку трифазного к.з., у момент к.з. i шсля вiдключення першого вимикача пока-
зам на рис. Эа, б i в. Векторна дiаграма струмiв i напруг при к.з. наведена на рис. Эг.
Рис. 2. Схема замщення та векторш д1аграми мереж1 Э5 кВ з трифазними вимикачами
Напруга, що повертаеться, визначаеться як рiзниця потенцiалiв джерела (точка И) при-ймача (точка К2'1). Значення повертаючо! напруги складе:
и0ЭЛ) = иАВ = исА = 27.5 = Э8.89. (2)
Якщо як трифазний вимикач в РП-27,5 кВ використовуеться симетричний вимикач, тобто вимикач, в якому кожен полюс здатний першим почати вщключення трифазного к.з., те вщключення трифазного к.з. двополюсним вимикачем приводить лише до того, що першими можуть почати вщключення тшьки вимикачi фаз «а» i «Ь». Тому, якщо в данш ситуацп першим ство-рюються умови для початку вiдключення трифазного к.з. у фазi «с», де вимикача немае, вщ-ключення к.з. почнеться полюсом фази «а» через 6,7 мс або полюсом фази «Ь» через 1Э,4 мс. Така затримка за часом початку вщключення к.з. мала порiвняно iз затримкою вщключення, створюваною витримкою за часом захисту ТВП або вводу, i тому И можна не враховувати. Тим
бшьше що, вiрогiднiсть И визначатиметься лише третьою частиною всiх вщключень.
К(21)). Ця рiзниця дорiвнюe амплiтудi лшшно! напруги мережi:
и(2Л) = иас --Л = 27.5-42 = 38.89кВ. (3)
Дане значення напруги, що повертаеться, менше, шж при вiдключеннi першо! фази при трифазному замиканш в мережi 35 кВ трифаз-ним вимикачем (42,5 кВ). Воно залишаеться таким же, як при вщключенш одним з двох од-нофазних вимикачiв першо! фази при трифазному замиканш в мереж 27,5 кВ.
Найлегшими ж е вщключення при двофаз-них к.з. без землi мiж фазами «а» i «Ь» на збiр-них шинах РП-27,5 кВ (у точщ К7), на введеннi ТВП (у точщ К8) або ж на лши ДПР (у точцi К9) при одночасному спрацьовуваннi вимика-чiв.
Схеми станiв мереж до моменту замикання, у момент замикання в точщ К9 i пiсля вщклю-чення замикання вимикачами Qa i Qв, показанi вiдповiдно на рис. 5 а, б, в. З векторно! дiаграми струмiв i напруги на рис. 5г видно, що при одночасному вщключенш вимикачiв Qa i Qв на-пруга и( , що повертаеться, ршна половинi
рiзницi потенцiалiв, джерела живлення (мiж точками И1 i И2), тобто половинi амплiтуди лшшно! напруги (оскiльки опори, що утворю-ються при розмиканнi контактiв вимикачiв, з'еднанi послiдовно i на кожен з них припадае половина лшшно! напруги)
и(2) = иАВ-Л = 27.5 -42
= 19.44 кВ. (4)
Рис. 3. Схема замщення та векторш д1аграми мереж1 з однофазними вимикачами
Покажемо тепер, що за прийнято! схеми живлення РП-27,5 кВ напруга, що повертаеться, така ж сама та супроводжуе вщключення мiжфазних коротких замикань на фщерах контактно! мережi в точках К2 i К4 (а отже i двофазного короткого замикання на завершую-чiй стадi! вiдключення трифазного короткого замикання) за умови, що включено два трансфо-рматори i секцшш роз'еднувачi QS1 i QS2. Стани мережi до моменту замикання, у момент замикання в точщ К4 i пiсля вщключення замикання вимикачем Q3 показаш вщповщ-но на рисунку 4а, б i в. З векторно! дiаграми (рисунок 4г) струмiв i напруги схеми видно, що напруга, яка повертаеться, и(2,1) дорiвнюе рiз-
ницi потенцiалiв джерела живлення (у точщ И) i точки короткого замикання в мереж (у точщ
При ознайомленш з вищевикладеним може виникнути питання: а в чому принципова рiз-ниця мiж процесами в юнуючш схемi живлення i в розглянутiй вище? Рiзницi не юнуе, якщо першим починае вщключення полюс фази «а» або «Ь», вс векторнi дiаграми та значення ПВН залишаються такi ж сам^ як на рис. 3, 4, 5.
Але якщо першим почне вщключення к.з. полюс фази «с», то схеми та векторш дiаг-рами будуть мати вид, який представлений на рис. 6а, б, в, г.
Напруга, що повертаеться, в цьому випадку буде дорiвнювати:
2 /2 и(3) = 1.5-и ~ = 1.5 - 27.5 ~ = 33.7 кВ. (5) л/3 >/3
Видно, що ця напруга менша нiж 38,89 кВ (у випадку, коли в фазi «с» немае вимикача), але ж полюс вимикача без труднощiв витримуе на-пругу 42,5 кВ. Тобто, дещо завищуючи ПВН,
отримуемо так1 переваги, як зниження вартосп виготовлення РП, ушфшащя обладнання камер (для ТВП, ДПР, вводу використовувати одно-типш камери), зменшення затрат на обслугову-вання, збшьшуеться надшшсть.
Рис. 4. Стан мереж1 до моменту замикання, у момент замикання в точщ К4 1 шсля ввдключення И вимикачем Р3
Рис. 5. Схема сташв мереж1 до моменту замикання, в момент замикання точки К9 1 тсля вщключення вимикачами Ра 1 Рв
На останнш переваз1 зупинимось детальш-
ше.
На рис. 7а наведена умовна схема камери вводу РП-27,5 кВ з трьома вимикачами { роз'едниками, а на рис. 7б показана схема т1е! ж камери, але в двофазному виконанш викатного типу.
Позначимо в1ропднють вщмов елемент1в через Q вщповщними шдексами. Кожен еле-мент системи може вщмовити незалежно вщ шшого. Отже, поди вщмов елемент1в - поди
незалежш. Але ц поди у свою чергу е i сумiс- де Я(А1) - вiрогiднiсть вiдмови елементу А. ними, оскшьки вiдмова вщразу декiлькох еле-менпв може мати \псцс. Система вщмовить, I ра рь якщо вщмовить один з елеменпв або р1зш 1х поеднання.
/
Рис. 6. Схеми сташв та векторш д1аграми при вщключенш полюса «с»
Використовуючи формулу вiрогiдностi суми сумiсних подiй отримаемо:
& = Е Я(А) - Е Я(А • А) + 1 Я(А • А • А) -
1=1 1, ] 1, ] ,к
/
Вс
/
/
Вь
J
Ра
/
Рь
/
/
Вс
Й
В;
Рь /
Рс
Вь
а}
б)
Рис. 7. Схема камери вводу розподшьного пристрою 27,5 кВ
Розрахунок проведемо за умови, що в обох схемах вимикачi однотипш (з огляду на те, що розрахунки, що показують переваги вакуумних вимикачiв в порiвняннi з масляними, не е вже новизною i приведет у великш кiлькостi). Метою даних обчислень е показати, як змшиться вiрогiднiсть безвщмовно! роботи пофазно! сис-теми «вимикач - роз'еднувач» при використан-нi двофазного виконання останньо! (системи).
Данi для розрахунюв узятi з [1, 2] i зведенi до табл. 1.
Таблиця 1
Вiрогiднiсть безввдмовноТ роботи вимикача та роз'еднувача
Елемент Р В1 В 7 (викатний тип)
Р(0 0,994 0,982 0,980
Вiрогiднiсть вiдмов отримаемо, використо-вуючи формулу:
Я($) = 1 - Р(г).
(7)
(-1)"-1 • Я(А • А2 •...• Ап),
(6)
Оскшьки вiрогiднiсть вiдмов е величиною порiвняно малою, то для простоти розрахунку нехтуватимемо добутком члешв у формулi (6), починаючи з третьо! складово!. 1ндексом «3Ф» позначимо вiрогiднiсть трифазно! системи, а iндексом «2Ф» - вiрогiднiсть однофазно! сис-теми. Отримаемо:
0Е3Ф = 6 • 0,006 + 3 • 0,018 -15 • 0,006 • 0,006 --18 • 0,006 • 0,018 - 3 • 0,018 • 0,018 = 0,078;
еЕ2Ф = 3 • 0,006 + 2• 0,02-3• 0,0062 --6 • 0,006 • 0,02 - 0,022 = 0,057.
Обчислимо вiрогiднiсть безвщмовно! роботи трьох- i двофазних систем на пiдставi фор-мули (7):
ГЦ )3Ф = 1 - 0,078 = 0,922;
Р(Г )зф = 1 - 0,057 = 0,943.
У вщношенш вщмшшсть складе:
0 943 - 0 922 АР = 0,943 0,922 .100 = 2,23 %.
0,943
Таким чином, при установщ двофазних ви-микач1в в камерах викатного типу на трифазш приеднання РП-27,5 кВ мае мюце тдвищення надшност елемент1в камери на 2,23 %.
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИИ СПИСОК
1. Варенцов, В. М. К вопросу о расчете надежности систем тягового электроснабжения [Текст] / В. М. Варенцов // Вестник ВНИИЖТа. - 2002. -№ 4.
2. Пинчуков, П. С. Расчет надежности элементов электроэнергетических систем [Текст] : метод. указания по решению задач / П. С. Пинчуков. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - 24 с.
Надшшла до редколегп 07.12.2008.
