Вакуумные выключатели для коммутации конденсаторных батарей

Компенсация реактивной мощности и переключение конденсаторов в энергетических системах

Компенсация реактивной мощности является эффективным средством для повышения рабочего напряжения системы, снижения потерь в сети и улучшения устойчивости системы.

Традиционные нагрузки в энергетических системах (типы сопротивлений):

• Сопротивление

• Индуктивное сопротивление

• Емкостное сопротивление

Начальный ток при включении конденсатора

В процессе эксплуатации энергетической системы конденсаторы подключаются для улучшения коэффициента мощности. В момент закрытия возникает большой начальный ток. Это происходит потому, что при первом включении конденсатор не заряжен, и ток, протекающий через него, ограничен только петлевым сопротивлением. Поскольку состояние цепи близко к короткому замыканию, а петлевое сопротивление очень мало, через конденсатор протекает большой переходный начальный ток. Пик начального тока достигается в момент закрытия.

Если конденсатор повторно включается вскоре после отключения без достаточного разряда, начальный ток может быть до двух раз больше, чем при первом включении. Это происходит, когда конденсатор сохраняет остаточный заряд, и повторное включение происходит в момент, когда напряжение системы по величине равно, но противоположно по фазе остаточному напряжению конденсатора, что приводит к большому разности напряжений и, следовательно, к высокому начальному току.

Основные проблемы при переключении конденсаторов

• Перевозбуждение

• Перезажигание

• NSDD (нестабильный деструктивный разряд)

Перевозбуждение допускается во время испытаний на переключение емкостных токов. Выключатели классифицируются на две категории по их характеристикам перезажигания:

• Класс C1: Подтверждается специальными типовыми испытаниями (6.111.9.2), демонстрируя низкую вероятность перезажигания при переключении емкостных токов.

• Класс C2: Подтверждается специальными типовыми испытаниями (6.111.9.1), демонстрируя очень низкую вероятность перезажигания, подходящую для частого и высокоскоростного переключения конденсаторных батарей.

Улучшение успешности выключателей вакуумного типа для переключения конденсаторов

1. Усиление диэлектрической прочности вакуумных прерывателей

Вакуумный прерыватель является сердцем вакуумного выключателя и играет ключевую роль в успешном переключении конденсаторов. Производители должны оптимизировать конструкцию и материалы, чтобы достичь:

• Равномерное распределение электрического поля

• Высокую устойчивость к сварке

• Низкий уровень обрезания тока

Структурные и материальные улучшения необходимы для обеспечения надежного прерывания.

2. Контроль процесса производства вакуумных прерывателей

• Минимизация и удаление заусенцев при механической обработке металлических деталей; улучшение качества поверхности и чистоты.

• Проведение ультразвуковой очистки компонентов перед сборкой для удаления микрочастиц.

• Контроль влажности и воздушных частиц в сборочном помещении.

• Снижение времени хранения контактных компонентов и своевременная сборка для минимизации окисления и загрязнения.

3. Улучшение конструкции и качества сборки выключателя

Обеспечить, чтобы механические характеристики находились в оптимальных пределах:

• Выравнивание проводящих стержней и вертикальная установка для избегания напряжений.

• Правильная выходная энергия механизма управления.

• Скорости закрытия и открытия в допустимых пределах.

• Минимизация отскока при закрытии и отскока при открытии.

• Строгий контроль качества компонентов и точности сборки.

4. Безнагрузочная работа и обработка (обкатка)

После сборки выполните 300 операций без нагрузки для стабилизации механических характеристик. Проведите обработку напряжением и высоким током на полном выключателе, чтобы устранить микроскопические выступы и снизить частоту перевозбуждения при переключении конденсаторов.

Параллельная обработка конденсаторов может быстро повысить диэлектрическую прочность продукта.

5. Оптимизация скорости открытия

После прерывания контактный зазор вакуумного выключателя должен выдерживать двойное напряжение системы (2×Um) в течение до 13 мс. Контакты должны достичь безопасного открытого расстояния в это время. Поэтому скорость открытия должна быть достаточной — особенно для выключателей на 40.5 кВ.

6. Обработка (старение) вакуумных прерывателей

• Методы с низким эффектом: обработка высоким напряжением и низким током, низким напряжением и высоким током или импульсным напряжением имеют ограниченный эффект в снижении перевозбуждения при переключении конденсаторов.

• Эффективный метод: одиночная однофазная обработка высоким напряжением и высоким током может значительно улучшить производительность.

• Обработка с использованием синтетической испытательной схемы также используется для моделирования реальных условий переключения конденсаторов.

Для общих применений применяется стандартная обработка. Однако для задач переключения конденсаторов требуется специальная обработка для улучшения электрической производительности и начальной способности прерывания.

Параметры обработки:

• Обработка током:
  3 кА до 10 кА, полуволна 200 мс, 12 выстрелов на каждую полярность (положительную и отрицательную).

• Обработка давлением:

• Статическое давление (для контактов с осевым магнитным полем): применить 15–30 кН в течение 10 секунд.

• Обработка включения-выключения (для контактов с поперечным магнитным полем): выполнить операции включения и выключения на стенде, моделирующем движение реального выключателя.

• Обработка напряжением:
  Применить переменное напряжение 50 Гц, значительно превышающее номинальное напряжение (например, 110 кВ для прерывателя на 12 кВ) в течение 1 минуты.

Параметры испытаний для переключения конденсаторов

• GB/T 1984: Конденсаторные батареи параллельно, начальный ток 20 кА, частота 4250 Гц.

• IEC 62271-100 / ANSI Standards:

• Переключение конденсаторных батарей: ток 600 А, начальный ток 15 кА, частота 2000 Гц

• Переключение тока 1000 А, начальный ток 15 кА, частота 1270 Гц

• ANSI позволяет до 1600 А для переключения конденсаторов.

После правильной обработки 12 кВ вакуумный выключатель обычно может пройти:

• Переключение конденсаторных батарей параллельно 400 А

• Переключение одной конденсаторной батареи 630 А

Однако для систем 40.5 кВ это крайне сложно. Общие решения включают:

• Использование выключателей SF₆ с более мягкими характеристиками прерывания

• Использование двойных вакуумных выключателей, где два прерывателя соединены последовательно. Это значительно улучшает восстановление диэлектрической прочности, позволяя превзойти скорость роста переходного перенапряжения при переключении конденсаторов, тем самым обеспечивая успешное гашение дуги.