Analiza procesu załączania wybranych obwodów elektroenergetycznych wysokiego napięcia

Transkrypt

1 STANISŁAW JAN KULAS HENRYK SUPRONOWICZ Analiza procesu załączania wybranych obwodów elekroenergeycznych wysokiego napięcia Zjawiska fizyczne zachodzące w wielkoprądowych układach sykowych łączników elekrycznych podczas załączania ransformaorów nieobciążonych oraz baerii kondensaorów są o wiele groźniejsze w skukach niż zjawiska wysępujące w układach sykowych łączników zainsalowanych w innych układach elekroenergeycznych. Załączaniu ransformaorów nieobciążonych owarzyszyć mogą znaczne przeężenia, przekraczające isonie warości prądów znamionowych ransformaora. Łączenie pojemności baerii kondensaorów wywołuje sany przejściowe w danym obwodzie, prowadzące do znacznych, szybkozmiennych przeężeń prądowych i przepięć. Prądy wysokiej częsoliwości mogą się przenosić przez sprzężenia elekromagneyczne na obwody serownicze i inne obwody niskiego napięcia. Analiza procesów przejściowych podczas załączania ransformaorów nieobciążonych oraz pojemności baerii kondensaorów, a akże ocena wpływu fazy załączania prądu w poszczególnych obwodach na powsające am przeężenia są przedmioem arykułu. Słowa kluczowe: załączanie ransformaorów nieobciążonych oraz baerii kondensaorów, faza załączania prądu, łączenia synchronizowane. 1. WPROWADZENIE Załączanie lub wyłączanie prądów w obwodach elekroenergeycznych zarówno wysokiego, jak i niskiego napięcia odbywa się na ogół przy użyciu wyłączników elekrycznych mechanizmowych zesykowych. Procesowi łączenia obwodu elekrycznego owarzyszy san przejściowy napięcia i prądu, związany z isnieniem w obwodzie indukcyjności i pojemności [1, 5, 1]. Powsające wówczas przepięcia i przeężenia o znacznych warościach i sromościach mogą być niebezpieczne ak dla łączonych odbiorników, jak i dla samego wyłącznika. Zjawiska e są przyczyną szybszego zużywania się układów i łączników oraz erozji i sczepiania się syków. Proces erozji syków jes ym inensywniejszy, im wyższa jes emperaura łuku i czas jego palenia [6, 8, 9]. Nie bez znaczenia jes akże wpływ ych zjawisk na bezpieczeńswo prowadzenia robó górniczych [11]. Podczas zamykania syków w dowolnym środowisku sanowiącym izolację międzysykową łącznika nasępuje przebicie warswy izolacji i pojawia się łuk elekryczny między zbliżającymi się sykami. Załączanie prądu w obwodzie elekrycznym nasępuje zaem najczęściej nie w wyniku uzyskania syczności syków, a w związku z przebiciem izolacji danego środowiska. Czas palenia się łuku elekrycznego jes zależny od warości naężenia pola elekrycznego w obszarze sykowym oraz od prędkości schodzenia się syków [7, 9]. Podczas wyłączania prądów zmiennych, zwłaszcza prądów zwarciowych, łuk elekryczny, kóry pojawia się z chwilą rozdzielenia syków, gaśnie przy przejściu prądu przez zero. Bezpośrednio po przejściu prądu przez zero wzrasa wyrzymałość międzysykowa, zwana również wyrzymałością zapłonową. Szybkość wzrosu ej wyrzymałości zależy od szybkości neuralizacji ładunków, kóre znajdują się w obszarze międzysykowym. Liczba ych ładunków zależy od prądu płynącego uprzednio w łuku. Jednocześnie san nieusalony, wywołany w obwodzie wyłączeniem prądu wyłączeniowego, prowadzi do pojawienia się między rozchodzącymi się sykami łącznika napięcia zwanego napięciem powronym. Napięcie powrone zawiera składową podsawową o pulsacji źródła zasilania i swobodną o pulsacji znacznie większej. Na jego przebieg wpływ mają

2 78 Mining Informaics, Auomaion and Elecrical Engineering przede wszyskim: napięcie łuku, kanał połukowy, układ gaszeniowy łącznika [1, 5]. Z analizy warunków pracy wyłączników wysokiego napięcia wynika, że w zwykłych warunkach ich pracy można przyjąć liczbę operacji łączeniowych w ciągu roku równą 8, czemu odpowiada rwałość mechaniczna wyłącznika określona na co najmniej 2 przesawień w czasie 25-leniej eksploaacji. W szczególnych przypadkach, jakie wysępują np. przy łączeniu baerii równoległych, dławików, filrów w elekrowniach pompowych i wiarowych, liczba łączeń w ciągu roku może być znacznie większa, sąd rwałość łączeniową określa się na co najmniej równą 1 ys. przesawień. W arykule zosały przedsawione zagadnienia doyczące analizy przebiegu załączania ransformaorów nieobciążonych oraz baerii kondensaorów, oceny właściwości procesów przejściowych owarzyszących załączaniu prądów oraz wyboru odpowiedniej fazy załączenia prądu w rozparywanych obwodach w celu ograniczania negaywnych właściwości procesów przejściowych. 2. WYBRANE PROBLEMY ZWIĄZANE Z ZAŁĄCZANIEM PRĄDÓW PRZEMIENNYCH W zakresie analizy przejściowych przebiegów łączeniowych związanych z załączaniem prądów przemiennych należy wyróżnić: załączanie nieobciążonych ransformaorów, załączanie baerii kondensaorów Załączanie ransformaorów nieobciążonych Załączaniu ransformaorów nieobciążonych do sieci owarzyszy san przejściowy, podczas kórego wysępują przeężenia prądowe, kóre mogą osiągać znaczne warości [3, 4, 9]. Zależą one od paramerów ransformaora, ale również od cech wyłącznika. Przebieg procesów przejściowych owarzyszący załączeniu prądu w obwodzie jes związany przede wszyskim z nieliniowością obwodu magneycznego ransformaora oraz z możliwością wysępowania w rdzeniu magneyzmu szcząkowego, będącego pozosałością po wcześniejszej eksploaacji ransformaora. Oznacza o, że kolejne załączenie ransformaora może nasąpić przy warości srumienia w rdzeniu różnej od zera. Należy przy ym dodać, że zbliżone przebiegi łączeniowe wysępują akże przy łączeniu dławików równoległych [1, 9]. Przedmioem analizy są zjawiska fizyczne zachodzące przy załączaniu jednofazowego ransformaora nieobciążonego, kórego schema zasępczy przedsawiono na rys. 1. Rys. 1. Schema zasępczy układu Przebieg czasowy prądu dla sanu przejściowego załączania obwodu zasępczego ransformaora (rys. 1) oraz przy pominięciu indukcyjności rozproszenia uzwojenia pierwonego (L z = ) wyznaczamy z równania [9]: dψ e( ) = Ri + = cos( (1) d e() warość chwilowa SEM źródła zasilania; pulsacja źródła zasilania; Ψ warość chwilowa skojarzenia magneycznego uzwojenia pierwonego w czasie załączania ransformaora; φ faza SEM w chwili załączania; i warość chwilowa prądu załączania ransformaora; R rezysancja załączanego obwodu. Po scałkowaniu równania (1) orzymamy: E m ψ ( ) = sin( R id + C1 (2) Sała całkowania C 1 dla warunków brzegowych =, i =, Ψ = Ψ (skojarzenie wynikające z magneyzmu szcząkowego) wynosi: C1 = ψ sinϕ (3) Sąd rozwiązanie równania ma posać: ψ ( ) = ψ + [ sin( sinϕ] R id (4) Największe warości chwilowe skojarzenia magneycznego orzymamy, jeśli: Ψ() > i jes duże, zn. jeśli magneyzm szcząkowy jes duży; φ = π/2 faza począkowa SEM w chwili załączania odpowiada przejściu SEM przez zero.

3 Nr 1(525) Największa warość srumienia skojarzonego Ψ m wysąpi po czasie = π / i wyniesie: ψ m = ψ + 2 R id ψ + 2ψ um R id (5) Ψ um warość maksymalna skojarzenia magneycznego w sanie usalonym. Zakładając z kolei w równaniu (1) warość rezysancji uzwojenia R =, orzymujemy: dψ u e( ) = cos( = (6) d Sąd skojarzenie magneyczne w sanie usalonym określa zależność: ψ u = sin( = ψ um sin ( (7) Przykładowy przebieg wyznaczonego graficznie prądu załączeniowego ransformaora dla zadanej charakerysyki magnesowania przedsawiono na rys. 2. Jak wynika z rys. 2, z uwagi na płaski przebieg charakerysyki Ψ(i) osiągane warości szczyowe prądu mogą być znaczne. Są one ym wyższe, im większa jes warość skojarzenia Ψ() wskuek magneyzmu szcząkowego oraz im większe jes nasycenie sanu usalonego odpowiadające skojarzeniu magneycznemu Ψ um. Rys. 2. Wyznaczanie przebiegu prądu podczas załączania ransformaora nieobciążonego dla założonej krzywej magnesowania; R = (linia ciągła) i R > (linia przerywana) [9] Przy załączeniu nieserowanym ransformaora, zwłaszcza wielkiej mocy, należy się liczyć z prądami załączeniowymi dochodzącymi do od 8- do 15-kronej warości ich prądu znamionowego, a więc zbliżonego do warości prądu zwarciowego. Takie warości prądu oddziałują już mechanicznie na uzwojenia ransformaora, a ponado mogą pobudzać obwody zabezpieczeń i powodować niezamierzone wyłączenia. Również należy się liczyć z możliwością indukowania dodakowych prądów i napięć w obwodach serowania i obwodach niskiego napięcia. Mogą być one niedopuszczalne zwłaszcza dla urządzeń elekronicznych. Uważa się zaem, że dla ransformaorów, zwłaszcza wielkich mocy, isnieje pełne uzasadnienie sosowania załączeń synchronizowanych (serowanych) w syuacji, gdy obniżają się magneyzm szcząkowy rdzenia oraz dokonuje załączania ransformaora w maksimum napięcia [2, 4, 9, 12, 13]. Isnieje zaem pełne uzasadnienie sosowania załączeń synchronizowanych ransformaorów nieobciążonych i załączanie ich w maksimum napięcia zasilania w celu ograniczania wysępujących w obwodzie przeężeń prądowych [2, 4, 9, 12, 13] Załączanie baerii kondensaorów Łączenie pojemności baerii kondensaorów wywołuje ważne w echnice łączeniowej sany przejściowe, prowadzące do znacznych przeężeń oraz przepięć. Zbliżone problemy łączeniowe wysępują akże przy łączeniu nieobciążonych linii długich [2, 5, 9, 1]. Baerie kondensaorów najczęściej insaluje się jako rójfazowe, połączone w gwiazdę nieuziemioną z uwagi na prosoę zabezpieczeń od zwarć wewnęrznych w baerii. Przy założeniu jednoczesnego załączania rzech faz, wobec symerii układu, punky gwiazdowe można połączyć bezoporowo i układ rójfazowy można sprowadzić do układu jednofazowego [2, 6, 9]. Charakerysycznymi dla załączania baerii kondensaorów są nasępujące graniczne momeny załączania [6, 7]: gdy chwilowa warość napięcia sieci zasilającej równa się maksimum, gdy chwilowa warość napięcia sieci zasilającej równa się zeru. Przebiegi łączeniowe dla innych chwil czasowych są zaware między ymi przypadkami granicznymi. Przypadek załączenia do sieci kondensaora przy maksimum napięcia zasilania wysępuje najczęściej. W wyniku przebicia przerwy międzysykowej ma miejsce zapalenie się łuku elekrycznego między sykami wyłącznika. Wysępuje wówczas przepływ prądu przejściowego, kóry charakeryzuje największe przeężenie prądowe w obwodzie.

4 8 Mining Informaics, Auomaion and Elecrical Engineering Analizując przebiegi przejściowe wysępujące przy załączaniu skupionej pojemności baerii kondensaorów, należy rozparzyć przypadek załączania pojedynczych kondensaorów do sieci, w kórej nie ma innych równolegle już dołączonych kondensaorów (rys. 3) oraz przypadek znacznie groźniejszy z punku widzenia wysępujących przeężeń prądowych w obwodzie, polegający na przyłączaniu dodakowych kondensaorów do obwodu z kondensaorami znajdującymi się już pod napięciem. a) b) Rys. 3. Załączanie baerii o pojemności C oraz o indukcyjności połączeń L 1 w obwodzie zasilania o indukcyjności L z (L z» L 1 ) oraz rezysancji R z ; a) schema zasępczy obwodu, b) przebiegi prądu załączeniowego i z oraz jego składowych [6] Przy założeniu sinusoidalnego napięcia zasilającego s(), pomijalnie małej rezysancji obwodu zasilającego R z oraz nieuwzględniania indukcyjności L 1 połączeń łącznika z baerią kondensaorową, gdyż jes znacznie mniejsza od indukcyjności zasilania L z, warość prądu załączeniowego i z () obliczamy z zależności: α iz = I m (sin e sin) (8) I m warość maksymalna prądu usalonego i u, I m = C ; pulsacja źródła zasilania; pulsacja drgań własnych, = 1. LzC Ampliuda prądu załączeniowego w najbardziej niekorzysnej chwili, a mianowicie gdy napięcie źródła osiąga warość maksymalną, j. e ( ) =, wyznaczana jes z zależności: Sk i z max = I m(1 + ) = I m(1 + ) (9) Qk S k moc zwarciowa obliczeniowa w miejscu dołączanej baerii kondensaorów; Q k moc baerii kondensaorów. Przy załączaniu pojedynczych baerii niskiego lub średniego napięcia ampliuda prądu załączeniowego może osiągnąć kroność (5-2) warości szczyowej prądu w sanie usalonym, naomias napięcie na kondensaorze może osiągnąć najwyżej podwójną maksymalną warość napięcia źródła. W obwodach rzeczywisych przebiegi przejściowe prądów i napięć są łumione w wyniku wysępowania rezysancji obwodu oraz powiększonego efeku zjawiska naskórkowości. Dołączanie dodakowej baerii kondensaorów do baerii wcześniej już załączonej, w celu lepszego dopasowania całkowiej pojemności do danej mocy biernej, może swarzać poważne problemy łączeniowe. Podczas przyłączania poszczególnych sekcji kondensaorów do sekcji znajdujących się pod napięciem o warości przeężenia prądowego w obwodzie decydują pojemności poszczególnych sekcji (grup) kondensaorów (rys. 4.). Z uwagi na małe warości indukcyjności w gałęziach (połączeniach) danej baerii w chwili załączania wyłącznikiem baerii C 2 baeria C 1 jes prakycznie zwierana [2, 5, 9]. Wówczas przebieg przejściowy prądu jes w znikomym sopniu łumiony. Rys. 4. Schema zasępczy układu do analizy dołączania pojemności C 2 do układu grupy kondensaorów o pojemności C 1 ; L 1, L 2, L C indukcyjności połączeń [6]

5 Nr 1(525) Jeśli w czasie załączania baerii C 2 nasąpi przeskok wsępny pomiędzy sykami a a wyłącznika przy maksymalnej warości napięcia zasilania, o prąd przejściowy będzie miał wedy największą sromość począkową oraz ampliudę. Jego warość możemy określić z zależności: 1 i2( ) = uaa' () sin2 (1) 1 1 ( L1 + L2 + Lc )( + ) C1 C = ( + ) (11) L1 + L2 + Lc C1 C2 Największa warość ampliudy prądu i 2 () może nawe niekiedy przekroczyć warość prądu zwarciowego udarowego w danym miejscu sieci. Przy ym sromości pojemnościowych prądów załączeniowych są znacznie większe od sromości prądów zwarciowych. Ponado prądy o wysokiej częsoliwości mogą się przenosić przez sprzężenia elekromagneyczne na obwody serownicze i inne obwody niskiego napięcia, oddziałując przy ym szczególnie niekorzysnie na różne układy elekroniczne, w ym na kompuery i mikroprocesory układów serowania i auomayki [6, 1, 12]. Skuecznymi środkami ograniczającymi przeężenia przy łączeniu baerii kondensaorów [2, 9, 1] są: dwusopniowe załączanie baerii kondensaorów wyłącznikiem wyposażonym w rezysor, zwieranym z opóźnieniem wysarczającym do skuecznego wyłumienia procesu przejściowego prądu, załączanie synchronizowane w chwili przechodzenia napięcia zasilania przez zero. 3. WYBÓR FAZY ZAŁĄCZANIA PRĄDU Rys. 5. Graficzne wyznaczanie czasu przedłukowego p i łukowego az podczas załączania prądu [7] Zakładając, że napięcie przebicia jes proporcjonalne do odległości między sykami (rys. 6.) oraz nie zależy od biegunowości syków, można wyznaczyć chwilę p, w kórej nasępuje przebicie podczas załączania prądu, przy napięciu u = U m sin, z zależności: U m sin = Eknvs ( s p ) (12) E k warość naężenia pola elekrycznego, przy kórym nasępuje przebicie; v s warość prędkości schodzenia się syków (zmniejszania się odsępu międzysykowego) w chwili zapłonu łuku elekrycznego w przerwie sykowej; n liczba przerw w biegunie; p chwila przebicia przerwy; s chwila zeknięcia się syków. Ograniczona wyrzymałość dielekryczna środowiska, oaczająca syki zamykanego wyłącznika elekrycznego wysokiego napięcia, powoduje, że załączenie prądu w obwodzie elekrycznym nasępuje najczęściej nie w wyniku uzyskania syczności syków, a w wyniku przebicia elekrycznego danego środowiska, np. SF 6 [6, 7]. Przebicie przerwy międzysykowej wysępuje w chwili zrównania się warości wyrzymałości dielekrycznej przerwy międzysykowej u p () z chwilową warością przyłożonego do przerwy napięcia u() (rys. 5). Ogólnie rzecz biorąc, im większa jes warość prędkości v s schodzenia się syków łącznika elekrycznego, ym krószy jes czas własny łącznika. W rezulacie krószy czas palenia się łuku elekrycznego wpływa na większą rwałość łączników elekrycznych. Rys. 6. Przykład określania chwili zapłonu łuku podczas załączania prądu przemiennego [6] Załączenie prądu jes zaem możliwe przy dowolnym kącie fazowym napięcia, włącznie z kąem fazowym odpowiadającym chwili przejścia napięcia przez warość zerową, jeżeli spełniony jes warunek: nekvs k = 1 U m (13)

6 82 Mining Informaics, Auomaion and Elecrical Engineering Minimalną warość prędkości syków w chwili mechanicznego ich zeknięcia się, przy kórej nie nasąpi przebicie przerwy międzysykowej podczas załączania prądu w obwodzie elekrycznym, można więc określić z zależności: U m v = (14) nek Im większa jes warość prędkości v s schodzenia się syków wyłącznika elekrycznego, ym krószy jes czas własny łącznika ( s ), a więc i krószy jes czas palenia się łuku elekrycznego. W przypadku załączania synchronizowanego wymagane jes wyserowanie wyłącznika w aki sposób, by w zależności od charakeru obciążenia począek przepływu prądu w poszczególnych fazach nasępował w momencie, gdy warość chwilowa napięcia danej fazy jes najkorzysniejsza z punku widzenia przebiegów łączeniowych. Oznacza o, że w przypadku załączania obciążenia indukcyjnego wyłącznikiem idealnym wygenerowanie impulsu powinno dokonać się w akiej chwili, by zwarcie jego syków nasąpiło przy maksymalnej warości chwilowej napięcia, a przy załączaniu obciążenia pojemnościowego przy zerowej warości napięcia. Wyłączniki dla umożliwienia realizacji łączeń rójfazowych powinny w zasadzie dysponować osobnymi napędami dla poszczególnych biegunów. Wybór określonej fazy załączenia prądu wymaga zasosowania układu elekronicznego serującego procesem zamykania wyłącznika. 4. PODSUMOWANIE Na podsawie przeprowadzonej analizy i badań opisanych w niniejszym arykule można wyciągnąć nasępujące wnioski: 1. Podczas załączania ransformaora nieobciążonego w jego obwodzie pierwonym mogą wysąpić znaczne przeężenia, dochodzące do od 8- do 15- kronejwarości ich prądu znamionowego. Ich efekem są narażenia aparaury łączeniowej, a zwłaszcza serującej i zabezpieczeniowej. 2. Wysępujące podczas załączenia baerii kondensaorów znaczne przeężenia prądowe mogą prowadzić do uszkodzenia poszczególnych kondensaorów baerii, a akże powodować sczepianie się syków wyłącznika. 3. Prądy załączeniowe o wysokiej częsoliwości w obwodach pojemnościowych przenoszą się przez sprzężenia elekromagneyczne na obwody serownicze i na inne obwody niskiego napięcia. 4. Faza załączania prądu w obwodzie elekrycznym, prędkość schodzenia się syków wyłącznika oraz rozrzuy czasów własnych jego działania mają isony wpływ na przeężenia i przepięcia w załączanym obwodzie. 5. Sosowanie synchronizowanych załączeń i wyłączeń prądu umożliwia isone ograniczenie przepięć i przeężeń w układzie elekroenergeycznym. Lieraura 1. Brunke J.H.: Eliminaion of Transformer Inrush Currens by Conrolled Swiching, IEEE Transacions on Power Delivery, 21, No. 16(2). 2. Ciok Z., Maksymiuk J., Kulas S., Zgliński K.: Problemy analizy, badania oraz eksploaacji urządzeń rozdzielczych, Sympozjum Krajowe p. Elekryczna Aparaura Rozdzielcza, EAR 24, s. 9-18, Poznań Furgał J., Kuniewski M., Pająk P.: Symulacje kompuerowe i badania napięć i prądów podczas załączania ransformaorów energeycznych, Zeszyy Naukowe Wydziału EiA Poliechniki Gdańskiej, nr 3, Gdańsk Horiszny J.: Analiza prądu załączania ransformaora, PAK, 27, nr Królikowski Cz.: Technika łączenia obwodów elekroenergeycznych, PWN, Warszawa Kulas S.J., Supronowicz H.: Analiza procesu załączania prądu łącznikami elekrycznymi zesykowymi w układach kompensacji mocy biernej, Mechanizacja i Auomayzacja Górnicwa, 213, nr 12(514), s Kulas S.: Capacior Swiching Techniques, Inernaional Conference on Renewable Energies and Power Qualiy (ICREPQ 9), Valencia 29, Conference Proceedings. 8. Kulas S.: Tory prądowe i układy zesykowe, Posępy Techniki Wysokich Napięć,. 29, Oficyna Wydawnicza Poliechniki Warszawskiej, Warszawa Maksymiuk J.: Aparay elekryczne i podsawy doboru, SEP- COSiW, nr 33, Warszawa Markiewicz H., Wołkowiński K.: Urządzenia elekroenergeyczne, WNT, Warszawa Mnukhin A.G., Iordanow I.V.: Improved safey in he use of elecric energy in coal mines, Mining Informaics, Auomaion and Elecrical Engineering, 215, No. 3(523), pp Shoffa V.N., Miedzinski B.: Synchronous Swiching by REED Swiches of AC Circuis., Proc. 3rd In. Conf. on REED Swiches and Producs Ryazan, Russia 211, pp Ware B., Reckleff J., Mauhe G., Sche G.: Synchronous Swiching of Power Sysems, CIGRE Session 199, Repor No prof. dr hab. inż. STANISŁAW KULAS prof. dr hab. inż. HENRYK SUPRONOWICZ Insyu Sysemów Elekronicznych, Wojskowa Akademia Techniczna ul. gen. Sylwesra Kaliskiego 2, -98 Warszawa {sanislaw.kulas, supronowicz}@wa.edu.pl