P13-06

ТРЕТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид 3–6 октомври 2001

Drage Golaboski, el.in`. ad.EMO - Ohrid

ISKLU^UVAWE NA MALI INDUKTIVNI STRUI SO SF6 I VAKUUMSKI PREKINUVA^I

SODR@INA Vo trudot e opi{an procesot na povtorno palewe na elektri~niot lak vo

me|ukontaktniot prostor pri isklu~uvawe na mali induktivni strui, koe nastanuva kako posledica na interaktivnoto dejstvuvawe na prekinuva~ot i mre`ata posle {to mo`at da se pojavat prenaponi.

SUMMARY The work includes the process of arc re-ignition between the contacts during switching of the small inductive currents, that appears a consequence of the interactive action of the circuit breaker and the network, which produce specific overvoltages. VOVED

Prekinuvaweto na mali induktivni strui pretstavuva eden od po

interesnite fenomeni pri procesite na prekinuvawe na strujnite krugovi vo mre`ata. Pokraj prekinuvaweto na kapacitivnite strui, toa se smeta za eden od najte{kite re`imi na rabota kako vo pogled na naponskoto napregawe na me|ukontaktniot prostor, taka i vo pogled na prenaponite koi gi napregaat ostanatite elementi na mre`ata.

Od tie pri~ini ovoj fenomen se prou~uva od porano i se u{te ne se definrani soodvetni propisi za ispituvawe na prekinuva~ite pri isklu~uvawe na mali induktivni strui, dadeni se samo preporaki vo IEC-57 od 1987 godina.

Prekinuvawe na mali induktivni strui vo praksa naj~esto se javuvaat vo slednite pogonski slu~ai:

- prekinuvawe na struja na transformator vo prazen ôd, - prekinuvawe na struja na pridu{nica za kompenzacija i - prekinuvawe na struja na v.n. motor vo prazen ôd ili vo zalet.

P13-06 2/8

Prenaponite koi {to nastanuvaat pri prekinuvaweto na mali induktivni strui, po svojot karakter i na~inot na koj nastanuvaat mo`at da se podelat vo tri grupi:

- prenaponi poradi otse~uvawe na strujata, - prenaponi poradi ednovremeno trifazno prekinuvawe i - prenaponi poradi povtorni palewa na elektri~niot lak.

Pri sekoe prekinuvawe na naizmeni~nata struja, neposredno pred nejzinoto

pominuvawe niz nulata, doa|a do nestabilnost na elektri~niot lak i do otse~uvawe na strujata. Poradi toa kako i poradi relativno golemata induktivnost i mala kapacitivnost na tovarot, {to zna~i golema branova impedansa ({to e redoven slu~aj pri prekinuvawe na mali induktivni strui), doa|a do relativno visoki prenaponi.

Vrednosta na tie prenaponi aproksimativno mo`e da se izrazi so sledniot izraz:

Umax = k io Zv (1)

kade {to e:

io - otse~ena struja Zv - branova impedansa na tovarot k - faktor na prigu{uvawe. Od gorniot izraz se gleda deka veli~inata na prenaponot e pravo

proporcionalna so otse~enata struja i taa zavisi od konstrukcijata na prekinuva~ot. Ovde e interesno da odbele`ime deka SF6 prekinuva~ite elektri~niot lak go gasnat skoro vo prirodnata nula t.e. koga strujata pominuva niz nulata i predizvikuvaat pomali prenaponi za razlika od onie prenaponi koi se javuvaat pri prekinuvawe so vakuumski ili pak so postarite tipovi na prekinuva~i kako malkumaslenite, vozdu{nite i drugite tipovi na prekinuva~i. Na spomenatite SF6 prekinuva~i toa im go ovozmo`uva konstrukcijata na prekinuva~ot, odnosno principot na gasnewe na elektri~niot lak so rotacija, {to zna~i lakot se gasi so rotirawe vo magnetno pole {to toj samiot go sozdava.

Fenomenot na trifazno istovremeno prekinuvawe se tolkuva so vlijanieto na visokofrekfentnata struja na fazata koja prva prekinuva vrz strujata so industriska frekvencija koi te~at niz neizgasnatite lakovi na drugite dve fazi. Poradi toa imame pojava sli~na kako kaj otse~enata struja.

Od interes e fenomenot koj se javuva kaj povtornoto palewe na elektri~niot lak pri procesot na prekinuvawe na mali induktivni strui. Procesot na povtorno palewe se objasnuva so me|usebnoto vlijanie pome|u prekinuva~ot i ostanatite elementi od mre`ata. So ogled na stati~kite i dinami~kite karakteristiki na poedinite elementi od mre`ata (izvorot, prekinuva~ot, kabelot i dr.), pojavata e stohasti~ka i ne mo`e precizno da se opi{e, nitu pak mo`e da se napravi egzakten matemati~ki model za istata. Pribli`noto fizi~ko tolkuvawe e slednoto:

Nestabilnosta na elektri~niot lak i negovo gasnewe pred strujata da pomine niz nulata, e posledica na intenzivnoto odveduvawe na toplinata od povr{inata na elektri~niot lak, koe pak e proporcionalno so plo{tinata na

P13-06 3/8

obvivkata na lakot odnosno na radiusot na lakot. Ako naponot na lakot e pribli`no konstanten, toga{ proizvedenata toplina e proporcionalna na povr{inata na popre~niot presek na elektri~niot lak. Vo nekoj moment, obi~no vo opa|a~kiot del od poluperiodata na strujata {to se prekinuva, koli~estvoto na toplina {to se odveduva e pogolemo od koli~estvoto na toplina {to proizleguva od elektri~niot lak i lakot se ladi. Dijametarot mu se namaluva i disproporcijata na toplotniot bilans raste. Toga{ nastanuva ili napolno prekinuvawe na strujata (so odsekuvawe, pred taa da pomine niz prirodnata nula) ili povtoren proboj vo me|ukontaktniot prostor.

Matemati~ki gledano, opa|a~kata stati~ka volt-amperska karakteristika na elektri~niot lak mo`e da se nabquduva kako negativna dinami~ka aktivna otpornost .

dddin IUR ∂∂= / (2) Ako pri toa aktivnata otpornost na strujniot krug e negativna, toga{ vo

nego se javuvaat visokofrekventni (avto)oscilacii i pri pominuvawe na strujata niz nulata predizvikuva nejzino otse~uvawe. Pri toa vo konturata se javuvaat prenaponi predizvikani od elektromotornata sila na samoindukcija )/(1 dtdiLu = ili me|uindukcija )/(2 dtdiMu = .

1. PRENAPONI PORADI POVTORNI PALEWA NA LAKOT

PREDIZVIKANI OD OTSE^ENATA STRUJA Na slikata e prika`ana poednostavena ednopolna {ema na strujniot krug

za analiza na preodnite pojavi pri isklu~uvawe na mali induktivni strui. Izvor Vrski Prek. Tovar

Slika 1. Poednostavena zamenska {ema na ednofazen struen krug so prete`no induktiven tovar

Posle prekinuvaweto na strujata so industriska frekvencija, a so

zanemaruvawe na rabotniot otpor na tovarot, naponot na kapacitivnosta S2, zaradi otse~enata struja i magnetnata energija vo induktivnosta L2, kako i po~etnata vrednost na naponot Uc20 na kapacitivnosta C2, odnosno elektrostati~kata energija go dobiva sledniot oblik:

~

L1 L R A

L2 C2 C1

Uc1 Uc2

P13-06 4/8

)sin( 0220

20

2

22 ϕω ++= tUiC

LU cc (3)

kade {to e:

20cU - momentalna vrednost na naponot vo momentot na odse~uvawe na kapacitivnosta C2;

L2 i C2 - induktivnost i kapacitivnost na tovarot i0 - vrednost na otse~enata struja

ω0 - sopstvena kru`na frekvencija na koloto 22

01CL

=ω

ϕ - fazno pomestuvawe me|u strujata i naponot

2

2

0

20

CL

iU

arctg c=ϕ .

Istovremeno naponot na stranata na izvorot Uc1 ostanuva nepromenet. Povratniot napon koj se javuva kako posledica na razlikata na naponitena kapacitetite C1 i C2, 21 ccs Uue −= ja naprega dielektri~nata cvrstina vo me|ukontaktniot prostor na perkinuva~ot, koja se vospostavuva posle gaseweto na elektri~niot lak.

Ova napregawe na dielektri~nata cvrstina na me|ukontaktniot prostor vo dinami~kiot proces posle prekinuvaweto mo`e da dovede do povtorno palewe i vospostavuvawe na eketri~niot lak.

Povratniot napon koj se vospostavuva na kontaktite na prekinuva~ot vo slu~aj na naglo odsekuvawe na strujata go ima sledniot oblik:

tCL

itUtUe cms 02

20020 sincoscos)(cos ωωωττω +−+= (4)

kade {to e: −mU amplituda na napojniot napon;

−20cU momentalna vrednost na naponot vo momentot na odse~uvawe na kapacitivnosta C2;

τ - vreme od pominuvawe na strujata niz prirodnata nula do odse~uvawe na strujata.

Ako povratniot napon predizvika povtorno palewe na elektri~niot lak,

toga{ naponot na kapacitivnosta C2 }e bide:

( ) ( )

++−

+

−+= − 101201

2

1

2

2110202 sin4

111

ϕωωαα te

CCUUUU tcccc (5)

kade {to e:

−10cU po~etna vrednost na naponot na kapacitivnosta C1;

P13-06 5/8

α - faktor na pridu{uvawe L

R2

;

01ω - kru`na frekvencija, 22

21

2101 4L

RCLCCC −+=ω ;

1ϕ - fazna razlika me|u strujata i naponot, 01

2

1 2ωαϕ arctg= ;

21cU - napon na kapacitivnosta C2 vo momentot na probojot.

O~igledno e deka presudno vlijanie na naponot −21cU imaat parametrite na krugot C1-L-R-A-C2.

Zaradi malata vrednost na induktivnosta L, frekvencijata na ovoj napon }e bide mnogu pogolema od sopstvenata frekvencija koja se javuva vo izrazot (3). Spored [1] sopstvenata frekvencija na tovarot f0 se dvi`i okolu 5 kHz, dodeka frekvencijata na koloto pri povtorno palewe na elektri~niot lak f01 dostignuva vrednost do 500 kHz. Ponataka pretpostavuvame deka povtorno palewe nastapilo pri maksimalen napon Uc2 na stranata na tovarot, koj e pogolem od vrednosta na Um. Obete veli~ni, povi{eniot napon i povi{enata frekvencija nepovolno vlijaat na izolacijata na tovarot. Izrazito visokite frekvencii na koloto (II paralelna oscilacija) i davaat na ovaa pojava branov karakter, pa raspredelbata na vaka nastanatite strmni naponi e tesno povrzana so izvedbata na namotkite na transformatorot ili na drug induktiven tovar.

2. VEROJATNOST NA POVTORNO PALEWE NA LAKOT VO ME\UKON-TAKTNIOT PROSTOR POSLE PREKINUVAWETO

Amplitudnata vrednost na preodno povratniot napon koj se vospostavuva

neposredno posle gasneweto na lakot spored izrazot (2) glasi:

20

2200 izUUes ++= (6)

kade {to: mcc UUUU ≈≈≈ 20100 Vaka izvedenata vrednost na amplitudata e statisti~ka golemina bidej}i i

otse~enata struja e statisti~ka golemina. Vejbulovata (Weibullova) funkcija na gustinata na verojatnost najdobro go opi{uva statisti~kiot karakter na otse~enata struja.

( )α

β

αβ 0

0

0i

i eif

−⋅= (7)

kade {to: α i β se parametri na Vejbulovata raspredelba. Funkcijata na verojatnost na nastanuvawe na povratniot napon so

amplituda es dadena e so izrazot:

P13-06 6/8

( ) ( )s

ii dediff 0

00⋅= (8)

Ova e funkcija na gustinata na verojatnosta na povratniot napon koj se

javuva poradi otse~enata struja i0, branovata impedansa na tovarot Z i po~etniot napon U0.

Od dosega ka`anoto proizleguva deka vo mre`ite koi se karakteriziraat so visoki sopstveni frekvencii, kako {to e slu~aj pri prekinuvawe na mali induktivni strui, podobro e da se primeni prekinuva~ kaj kogo brzo se vospostavuva dielektri~nata cvrstina, a istovremeno da ima mala otse~ena struja. Ako napravime sporedba na prekinuva~ite PGRL so SF6 gas i VP - vakuumski prekinuva~ mo`e da konstatirame deka popovolni za isklu~uvawe na mali induktivni strui se prekinuva~ite so SF6 gas, pred se poradi konstruktivnata izvedba. Kaj niv elektri~niot lak se gasi so rotirwe pod dejstvo na sopstveno magnetno pole vo SF6 okolina.

Na slikite {to sledat se dadeni dijagrami od realni ispituvawa na isku~uvawe na mali induktivni strui so PGRL so SF6 gas i VP-12 vakuumski prekinuva~, obata tipa proizvod na EMO-Ohrid. Ispituvawata se vr{eni za prviot tip vo IRCE-Saraevo, dodeka za vtoriot tip vo IPH-Berlin.

Slika 2. Dijagram od isklu~uvawe na mali induktivni strui so SF6

prekinuva~ tip: PGRL 24/12/16

P13-06 7/8

Slika 3. Dijagram od isklu~uvawe na mali induktivni strui so vakuumski

prekinuva~ tip: VP 12/25/12 Od dijagramot na slika 2 (prviot oscilogram) mo`e da se zabele`i deka

najvisok prenapon se pojavil vo fazata "Y" 58 kV, koja prva prekinala, dodeka prenaponite vo ostanatite dve fazi iznesuvaat: vo fazata "R" 35 kV i vo fazata "T" 33 kV. Isklu~uvaweto e vr{eno so prekinuva~ tip: PGRL-24/16/12 so SF6 gas, za

P13-06 8/8

nominalen napon od 24 kV, nominalna struja od 1250 A i nominalna rasklopna struja na kusa vrska od 16 kA. Isklu~uvan e transformator vo prazen ôd so slednive karakteristiki: nominalen napon na primarna strana 35 kV, nomialen napon na sekundarna strana 10.5 kV, snaga na transformatorot 1000 MVA i spojot e Yd5. Strujata na magnetizirawe na transformatorot iznesuva 11 A.

Na vtoriot oscilogram od istata slika mo`e da se vidi deka prenaponite se: vo fazata "R" 32 kV, vo fazata "S" 29 kV i vo fazata "T" 25 kV. Koristen e istiot prekinuva~ kako vo prethodniot oscilogram, isto taka e koristena i istata {ema na strujniot krug.

Od dobienite prenaponi se potvrduva stohasti~kiot karakter na pojavata i toa e u{te eden dokaz deka pojavite pri isklu~uvawe na mali induktivni strui treba da se tretiraat statisti~ki.

Oscilogramot na slika 3. poka`uva isklu~uvawe na mali induktivni strui so vakuumski prekinuva~ tip VP-12/25/12, za nominalen napon od 12 kV, nominalna struja od 1250 A i nominalna rasklopna struja na kusa vrska od 25 kA. Isklu~uvana e struja na magnetizirawe (10 A) na transformator vo prazen ôd so napon na primarnata strana od 10 kV, snaga na transformatorot 320 MVA i spoj D/y. Veli~nata na prenaponite e: vo fazta "R" ,na oscilogramot ozna~ena so L1, 21 kV, vo fazta "S" ,na oscilogramot ozna~ena so L2, 35 kV i vo fazta "T" ,na osci-logramot ozna~ena so L3, 34 kV. 3. ZAKLU^OK

Poka`ana e kvalitativna analiza na mo`nosta za pojavata na povtorno

palewe na elektri~niot lak, posle prekinuvaweto na strujata so industriska frekvencija, so ogled na razli~nite dinami~ki karakteristiki na vospostavuvawe na dielektri~nata cvrstina vo me|ukontaktniot prostor i razli~nite funkcii na verojatnosta na otse~enite strui. Kvalitativnata analiza poka`uva deka za prekinuvawe na mali induktivni strui popogodni se prekinuva~i so golema brzina na vospostavuvawe na dielektri~nata cvrstina vo me|ukontaktniot prostor i nisko nivo na odsekuvawe na strujata.

Obi~no, analizite na "trkata" pome|u dielektri~nata cvrstina vo me|ukontaktniot prostor i povratniot napon, e statisti~ki, bidej}i karakterot na samata pojava e stohasti~ki. 4. LITERATURA

[1] M.E. Slamecka: “Interruption of small inductive currents chapters 1,2 and 3”, Electra, May

1980 [2] M.V. Kostenko: "TEHNIKA VÀISOKIH NAPRÂ@ENIÜ" Moskva 1973 [3] M. Popov: "Modelirawe na elektri~en lak kaj SF6 i vakuumski prekinuva~i

za analiza na preodnite pojavi pri isklu~uvawe na razli~ni optovaruvawa", magisterski trud, Elektrotehni~ki fakultet-Skopje, 1998 g.

[4] M. Popov, M. Zlatanoski, J Kosmac: AN analysis of transient phenomena due to switching off low inductive currents with a vacuum circuit breaker, UPEC 97, Manchester, United Kingdom, 1997.

[5] Ispitni protokoli od tipski ispituvawa na SF6 i vakuumski prekinuva~i, proizvod na EMO-Ohrid.