- auto-puffer circuit breaker 330kV, 50kA arc chamber

109 Pages·2014·2.54 MB·English

2

РЕФЕРАТ
На 103 с, 34 рисунков, 5 таблиц, 3 приложений

ЭЛЕГАЗОВЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ, ДУГОГАСИТЕЛЬНОЕ
УСТРОЙСТВО, ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО, ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭМПИРИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА МОДЕЛИ, ОПТИМИЗАЦИЯ
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ.

Рассмотрены конструкции, технические характеристики
высоковольтных элегазовых выключателей на заданные параметры:
330кВ, 50 кА. Определены эмпирические коэффициенты модели,
описывающей динамику давления в камере сжатия ДУ ВВ. Проведено
численное моделирование динамических характеристик в камере
сжатия ДУ ВВ, представлен расчет оптимальных характеристик ДУ ВВ
и выбор оптимального приводного устройства для ВВ на заданные
параметры. Показана экономическая целесообразность использования
новых ДУ ВВ при серийном выпуске ДУ ВВ на 330кВ, 50 кА.

High-voltage auto-puffer circuit breaker 330kV, 50kA arc chamber
optimization
3

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АПВ – автоматическое повторное включение;
ВВ – высоковольтный выключатель;
ВНД – внутренняя норма доходности;
ГУ – гидроустройство;
ГП – гидропривод;
ДУ – дугогасительное устройство;
ИД – индекс доходности;
КРУЭ – комплектное распределительное устройство с элегазовой
изоляцией;
КЗ – короткое замыкание;
НКЗ – неудаленное короткое замыкание;
НИОКР – научно–исследовательская и опытно–конструкторская
работа;
ПВН – переходное восстанавливающее напряжение;
ТТ – трансформатор тока;
У – умеренный;
У1 – умеренный климат на открытом воздухе;
ХЛ – холодный;
ХЛ1 – холодный климат на открытом воздухе;
ЧДД – чистый дисконтированный доход;
ЭЭС – электроэнергетическая система;
ANSI – (American National Standards Institute) — Американский
национальный институт стандартов
IEC – International Electrotechnical Commission – Международная
электротехническая комиссия
MSK – 12-балльная сейсмическая шкала Медведева-Шпонхойера-
Карника, используемая в России
NEMA – National Electrical Manufactures Association –
Национальная ассоциация производителей электрооборудования
4

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................................. 8
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА ЗАДАННЫЕ ПАРАМЕТРЫ .................................................... 11
1.1. Анализ разработок дугогасительных устройств высоковольтных
автокомпрессионных выключателей....................................................................... 11
1.2.Постановка задачи исследований ............................................................ 16
1.3. Выводы ...................................................................................................... 17
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВЫЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫСКОВОЛЬТНОГО
ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ ........................................................... 19
2.1. Расчет параметров высоковольтного выключателя при коротком
замыкании 100% ........................................................................................................ 19
2.2. Расчѐт переходного восстанавливающего напряжения в режиме
неудаленного короткого замыкания при р*=0,9 .................................................... 22
2.3. Расчѐт переходного восстанавливающего напряжения в режиме
неудаленного короткого замыкания при р*=0,3 .................................................... 23
2.4. Выводы ...................................................................................................... 24
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ВЫСОКОВЛЬТНОГО
ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ............................................................................................................................26
3.1.Требоания к дугогасительному устройству высоковольтного
выключателя .............................................................................................................. 26
3.2.Принципы работы автокомпрессионного дугогасительного
устройства высоковольтного выключателя ............................................................ 29
3.3. Расчѐтная схема для моделирования автокомпрессионного
дугогасительного устройства ................................................................................... 31
3.4.Формулирование уравнений математической модели для описания в
дугогасительном устройстве высоковольтного выклюяателя .............................. 35
3.5. Критериальные зависимости для определения оптимальных
характеристик дугогасительного устройства высоковольтного выключателя .. 39
5

3.6. Выводы ...................................................................................................... 42
ГЛАВА 4.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ,
ПРОТЕКАЮЩИХ В ДУГОГАСИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ
ВВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ .....................................................................43
4.1. Обработка экспериментальных данных для определения
эмпирического коэффициента расчетной модели ................................................. 43
4.2. Определение эмпирических коэффициентов, входящих в модель ..... 48
4.3. Расчет геометрии дугогасительного устройства высоковольтного
выключателя .............................................................................................................. 54
4.3.1.Расчет диаметра сопла ........................................................................... 54
4.3.2.Расчет геометрических размеров дугогасительного устройства ...... 55
4.3.3.Расчет динамических характеристик камеры сжатия
дугогасительного устройства высоковольтного выключателя ............................ 56
4.4. Выводы ...................................................................................................... 59
ГЛАВА 5.МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРИВОДНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ .......................................................................61
5.1. Принцип работы гидропривода .............................................................. 61
5.2. Расчетная схема гидропривода ............................................................... 64
5.3. Анализ начального режима разгона поршня в гидроустрройстве ...... 65
5.4. Анализ торможения гидропривода ........................................................ 67
5.5. Расчет трогания и торможения гидропривода ...................................... 70
5.6. Выводы ...................................................................................................... 73
ГЛАВА 6.ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ ........... 74
6.1. Значение выполняемой работы и область применения полученных
результатов ................................................................................................................. 74
6.2. Расчет себестоимости элегазового автокомпрессионного
выключателя ............................................................................................................. 76
6.3. Оценка затрат на выполнения научно–исследовательских и
проектных работ ........................................................................................................ 79
6

6.4. Расчет цены нового изделия выключателя ............................................ 79
6.5. Расчет ежегодных издержек потребителя на эксплуатацию, ремонт и
обслуживание базового и нового выключателя ..................................................... 80
6.6. Расчѐт математического ожидания ущерба при отказе
выключателя…. ......................................................................................................... 83
6.7. Оценка экономической эффективности внедрения выключателя ...... 85
6.8. Оценка эффективности инвестиционного проекта .............................. 86
6.9. Выводы ...................................................................................................... 89
ГЛАВА 7.БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ............................................................ 90
7.1. Назначение ................................................................................................ 90
7.2. Меры безопасности при техническом обслуживании ......................... 91
7.3. Меры безопасности при работе с чистым элегазом ............................. 93
7.4. Меры безопасности при работе с элегазом, загрязненным продктами
разложения ................................................................................................................. 94
7.5. Выводы ...................................................................................................... 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................................97
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..............................................99
7

ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтные выключатели (ВВ) применяются для изменения
состояния высоковольтной линии «включено–выключено» с целью
оперативного управления системой энергоснабжения и для отключения
оборудования или участка сети в аварийных ситуациях, например при
отключении токов перегрузки и токов короткого замыкания. Точность и
скорость выполнения этих операций становится одним из важнейших
параметров при повышении класса напряжения линии, особенно для
сверхвысоких (от 330 кВ до 750 кВ) и ультравысоких классов напряжения (от
1000 кВ).
В сетях сверхвысокого напряжения в настоящее время широко
используются элегазовые выключатели, в которых в качестве изоляционной
и дугогасительной среды используется шестифтористая сера – элегаз. В
качестве основных преимуществ элегазовых ВВ можно отметить следующие:
они достаточно компактны; могут работать в заданном диапазоне
номинальных напряжений (до1150 кВ); они пожаробезопасны и достаточно
безопасны в обслуживании, поскольку считается, что чистый элегаз – это
инертная газовая среда, она считается безвредной для человека и
экологически чистой. При правильной эксплуатации элегаз не стареет и не
требует такого тщательного ухода за собой, как, например, масло [1].
В качестве недостатков элегазовых выключателей можно отметить
высокую стоимость элегаза. К тому же температура окружающей среды
оказывает заметное влияние на физико–химические свойства элегаза,
поэтому в выключателях, работающих при низких температурах необходимо
иметь систему подогрева. Необходимо так же отметить, что продукты
распада элегаза ядовиты и обладают резким, специфическим запахом. А
поскольку элегаз не пригоден для дыхания, то при нарушении герметичности
ВВ при его накоплении в производственных помещениях может возникнуть
кислородная недостаточность.
8

Однако, несмотря на высокую стоимость и опасность утечек продуктов
разложения элегаза, на мировом рынке не просматривается альтернативы
элегазовым и вакуумным выключателям [1]. При этом в линиях на
сверхвысокие и ультравысокие классы напряжения элегазовые ВВ являются
практически безальтернативными выключателями. Поэтому во всем мире
продолжаются работы по их совершенствованию.
В настоящее время основным направлением оптимизации ВВ является
повышение надежности ВВ на один разрыв ВВ. Имеющиеся на рынке
элегазовые ВВ на 330 кВ, 40-50 кА выполняются с двумя разрывами на фазу,
поэтому исполнение ВВ с одним разрывом на фазу без увеличения
номинального давления в ВВ является актуальной проблемой, связанной с
оптимизацией многочисленных процессов, протекающих в ВВ. Повышение
эффективности гашения дуги дает возможность увеличить напряжение на
один разрыв выключателя до 360-550 кВ.
Процесс проектирования и создания ВВ с новыми технико–
эксплуатационными показателями сопровождается очень большой работой, а
экспериментальные исследования сопряжены с большими временными и
материальными затратами. Поэтому математическое моделирование
процессов, протекающих в ВВ и влияющих на их отключающую способность
в настоящее время особенно актуально.
Основными целями данной работы являлись разработка конструкции
дугогасительного устройства злегазового выключателя с одним разрывом
330кВ, 50 кА для КРУЭ с использованием имеющихся математических
моделей для расчета различных характеристик высоковольтных
выключателей, уточнение используемой математической модель, для
улучшения качества расчетов; а так же выбор приводного устройства для
разработанного выключателя.
Основной задачей работы является расчет основных параметров
конструкции дугогасительного устройства, с целью обеспечения успешной
9

коммутации токов КЗ и повышение надежности выключателя в эксплуатации
с номинальным давлением в камере 7 атм.
10

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОКОВОЛЬНЫХ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА ЗАДАННЫЕ ПАРАМЕТРЫ

1.1. Анализ разработок дугогасительных устройств
высоковольтных автокомпрессионных выключателей

В связи с необходимостью повышения номинальных параметров и
надежности высоковольтного коммутационного оборудования необходимо
иметь общее представлении о возможностях и предельных параметрах
современных выключателей на сверхвысокие напряжения. Одним из
основных параметров, определяющих выбор выключателя, является
номинальный ток отключения, обеспечивающий выполнение защитных
функций. Как правило, при выборе выключателя принимается условие
отключение максимального тока КЗ, протекающего через выключатель.
В настоящее время достаточно широко представлены выключатели на
номинальное напряжения 330 кВ и ток отключения 40 кА.
Выключатель АВВ 362PMI40–12 [2], внешний вид которого
представлен на рис.1.1. Это высоковольтный баковый элегазовый
выключатель, который состоит из 3 алюминиевых баков, в которых
находятся дугогасительные камеры, баки установлены на стальную
конструкцию.