Технический анализ выдерживаемости внутренних дуговых замыканий и оптимизация полностью изолированных газонаполненных кольцевых главных распределительных устройств (RMUs) с SF6
Устройства кольцевого главного распределения (далее - RMU), полностью изолированные SF6, в основном состоят из блоков нагрузочных выключателей и комбинированных устройств высоковольтных нагрузочных выключателей-предохранителей (далее - комбинированные устройства). В зависимости от требований пользователя они могут быть сконфигурированы как с общим баком, так и с модульной конструкцией.
В практических инженерных приложениях электрические соединения обычно устанавливаются с помощью твердых изолированных шин, установленных сверху, или шин, подключаемых сбоку. Среди различных технических параметров, передача тока комбинированного устройства и способность к замыканию блока нагрузочного выключателя представляют собой ключевые вызовы в разработке. Кроме того, из-за растущих опасений по поводу безопасности внутренние дуговые отказы в последние годы привлекают все больше внимания пользователей.
1. Анализ технических вопросов
Во время разработки и производства RMU следующие аспекты требуют тщательного рассмотрения:
1.1 Передача тока
Передача тока комбинированного устройства относится к трехфазному симметричному току, при котором функция прерывания переходит от предохранителя к нагрузочному выключателю. Для токов, превышающих это значение, прерывание выполняется исключительно предохранителями. В диапазоне меньших токов короткого замыкания времена плавления трехфазных предохранителей имеют врожденную вариабельность. Предохранитель с самым коротким временем плавления прерывается первым, и его ударник активирует механизм отключения, открывая нагрузочный выключатель.
Прерывание оставшихся двух фаз зависит от сравнения фактических характеристик времени-тока их соответствующих предохранителей (где ток в оставшихся двух фазах составляет примерно 87% трехфазного тока) и времени открытия нагрузочного выключателя, инициируемого ударником первого прервавшего предохранителя. Если плавление предохранителя задерживается, оставшиеся две фазы прерываются нагрузочным выключателем. Таким образом, прерывание тока короткого замыкания в этом диапазоне происходит совместно предохранителем и нагрузочным выключателем.
Передача тока комбинированного устройства определяется двумя ключевыми факторами: временем срабатывания нагрузочного выключателя, инициируемого ударником предохранителя, и фактическими характеристиками времени-тока предохранителя. Номинальная передача тока является важным техническим параметром, представляющим максимальный ток, который нагрузочный выключатель может безопасно прервать. При выборе ограничивающих ток предохранителей их характеристики времени-тока должны быть оценены, чтобы обеспечить, что полученная передача тока находится ниже номинальной передачи тока комбинированного устройства. Это гарантирует надежное и безопасное согласование между нагрузочным выключателем и предохранителем, обеспечивая эффективную защиту трансформаторов.
1.2 Способность к замыканию
Во время испытаний нагрузочных выключателей иногда происходят неудачные операции замыкания, которые обычно делятся на две категории: несоответствие требуемому количеству операций замыкания или невозможность замыкания при номинальных токах короткого замыкания. Анализ результатов испытаний показывает, что такие отказы в основном вызваны чрезмерным износом основных контактов, что снижает их способность проводить номинальный ток короткого замыкания.
Следовательно, минимизация или предотвращение износа основных контактов является ключевым для достижения успешных результатов испытаний. Исследования и обширные испытания показали, что добавление вспомогательных контактов из медно-хромового сплава с высокой температурой плавления к исходным основным контактам может косвенно защитить основные контакты из меди с более низкой температурой плавления. Конкретный подход к проектированию может быть гибко адаптирован в зависимости от используемой структуры контактов - линейного движения или вращающегося типа.
2. Сопротивление внутренним дуговым отказам
Электрическая дуга реагирует очень сильно с окружающим воздухом, вызывая быстрое увеличение температуры и давления. Если она не будет правильно содержаться, это может представлять серьезные риски для персонала и оборудования. Испытания на внутренние дуговые отказы должны проводиться отдельно для газовой камеры (камеры выключателя) и кабельной камеры RMU. Для успешного прохождения теста должны быть выполнены следующие критерии:
Панели и двери коммутационного оборудования должны оставаться закрытыми; допускается ограниченная деформация.
Корпус не должен разрушаться, и не должно быть выброшено фрагментов весом более 60 г.
На доступных поверхностях коммутационного оборудования до высоты 2 м не должно образовываться отверстий.
Горизонтальные и вертикальные индикаторы, используемые во время испытания, не должны воспламеняться горячими газами.
Корпус должен оставаться подключенным к точке заземления на протяжении всего испытания.
2.1 Номинальный ток отключения короткого замыкания
Номинальный ток отключения короткого замыкания комбинированного устройства определяется выбранным предохранителем. Применяются следующие соображения:
Номинальный ток отключения короткого замыкания предохранителя должен быть больше или равен максимальному возможному току короткого замыкания в точке установки в системе распределения.
Номинальный ток отключения короткого замыкания предохранителя должен быть разумно согласован с номинальным током кратковременной выдержки нагрузочного выключателя в комбинированном устройстве.
Должны быть установлены три предохранителя одной модели и спецификации; в противном случае, производительность прерывания может быть негативно затронута.
Предохранители должны быть правильно и полностью установлены, чтобы гарантировать, что ударник активируется в нужное время и надежно запускает механизм отключения нагрузочного выключателя.
После работы одного или двух предохранителей следует заменить все три, если не известно, что невышедшие предохранители не проводили ток.
2.2 Работа на большой высоте
Проектирование герметичных газовых камер в RMU обычно основано на работе на высотах ниже 1000 м. На больших высотах воздух становится разреженным, а атмосферное давление уменьшается. Поскольку плотность внутреннего газа остается постоянной, относительное давление внутри герметичной камеры увеличивается. Это может привести к увеличению механического напряжения на корпус, что приводит к деформации и большему риску утечки газа. В таких случаях прочность корпуса должна быть соответственно усиленной и проверенной испытаниями. Уменьшение давления заполнения газа (или плотности) не является научно обоснованным или рекомендованным решением.
2.3 Контроль влажности
Пункт 6.5.1 стандарта DL/T 791-2001, "Руководство по выбору внутренних коммутационных аппаратов с газовой изоляцией переменного тока", указывает на содержание влаги в газовых камерах: "Когда номинальное давление заполнения не превышает 0,05 МПа, содержание влаги не должно превышать 2000 мкл/л (по объему)". Другие стандарты не предоставляют конкретных руководств. В производстве RMU контроль влажности на уровне 1000 мкл/л (при 20°C) считается разумным, исходя из следующего:
Нагрузочный выключатель прерывает относительно малые токи (630 А), с максимальным током передачи (примерно 1500-2200 А).
Давление заполнения низкое (номинальное 0,03-0,05 МПа), значительно ниже, чем у высоковольтных GIS (около 0,5 МПа).
Плотность герметизации отличная, что приводит к очень медленному проникновению влаги из внешней среды.
Результаты испытаний показывают минимальное количество продуктов разложения SF6 после прерывания.
Во время испытаний образцы не контролировались по влажности намеренно, однако не было зафиксировано отказов из-за избыточной влажности.
Таким образом, полное игнорирование контроля влажности в процессе производства необоснованно, как и строгое соблюдение ограничений по изоляции без учета требований к гашению дуги. На основе многолетнего практического опыта производства и эксплуатации, поддержание влажности на уровне 1000 мкл/л (при 20°C) в процессе производства является технически обоснованным и разумным.
3. Заключение
RMU производятся и эксплуатируются в Китае уже много лет, демонстрируя зрелую технологию, стабильную работу и сильное рыночное принятие. Надеемся, что больше производителей войдут в эту область и продолжат исследовать, обсуждать и делиться знаниями о технических проблемах, возникающих в ходе исследований, производства и эксплуатации, что позволит коллективно продвигать технологии RMU и способствовать их непрерывному совершенствованию.
