Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО КОММУТАЦИОННОГО РЕСУРСА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрооборудованию, установленному в распределительных устройствах, и может быть использовано на электрических станциях, подстанциях и в других электроустановках.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - С.97], так как позволяет увеличить срок службы высоковольтных выключателей за счет учета реальных токов коммутации.

Известны различные способы для фиксации величины коммутационного износа выключателей и устройства для системы диагностики выключателей высокого напряжения, которые требуют установку разнообразных датчиков, например Михеев Г.М. Цифровая диагностика высоковольтного электрооборудования. Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. - 304 с. Установка датчиков (контактная, то есть на корпус выключателя, или бесконтактная - рядом с корпусом выключателя), монтаж оборудования (проводное или беспроводное) для передачи-приема измерительного сигнала, последующая эксплуатация датчиков - все это имеет свои недостатки, а именно:

- необходимость автономных источников питания или оригинальных устройств для преобразования энергии;

- внесение изменений в конструкцию выключателей, что может потребовать полного цикла опытно-конструкторских работ их производителей;

- установка оборудования средств связи и передачи данных, работающего в условиях высоких электрических, магнитных и электромагнитных полей;

- безотказность и надежность любой технической системы имеет обратно пропорциональную зависимость от числа входящих в эту систему элементов, то есть уменьшается по мере усложнения системы;

- наконец, установка датчиков на весь парк выключателей и их последующее обслуживание связано с разовыми и постоянными затратами, объем которых может сравниться или даже превысит стоимость самого выключателя.

Известны способы определения коммутационных ресурсов выключателей, которые также требуют специальных установок и могут применяться у производителей выключателей, тем более что они рассматривают цикл «включение-отключение», который в эксплуатации не является тяжелым в отличие от цикла «отключение-включение» при коротких замыканиях.

Например, известен способ фиксации коммутационного износа выключателей, реализованный при эксплуатации устройства по патенту РФ №2303271, МПК G01R 31/327, Устройство для фиксации коммутационного износа выключателей. / Герман Л.А., Шаров А.В., опубл. 20.07.2007.

Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является возможность фиксации коммутационного износа (согласно ГОСТ Р 52565-2006 "Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия", далее по тексту просто ГОСТ Р 52565-2006, вместо термина "коммутационный износ" предпочтительней использовать термины "ресурс по коммутационной стойкости" или "остаточный ресурс по коммутационной стойкости") выключателей, в котором у аналога "временной интервал разряда конденсаторов преобразуется в число импульсов, пропорциональное коммутационному износу выключателя".

Недостатки способа-аналога, с точки зрения технического результата, в том, что он не позволяет оценить реальный остаточный коммутационный ресурс выключателя по следующим причинам:

- во-первых, потому что не показано, как ресурс связан с числом импульсов;

- во-вторых, не описано, как получить значение остаточного коммутационного ресурса выключателя в эксплуатации;

- наконец, отключение выключателя при коротком замыкании с последующим его включением (цикл «отключение-включение», который возможен в эксплуатации при действии аппаратуры повторного включения) приводит к более существенному срабатыванию ресурса выключателя, чем при цикле «включении-отключении» тока короткого замыкания. Однако способ-аналог не учитывает это, что приводит к погрешности оценки коммутационной стойкости выключателей.

Известна система диагностики масляного выключателя высокого напряжения, реализованная при эксплуатации устройства по патенту РФ №2327179, МКИ G01R 31/327, H01H 33/68, Система диагностики масляного выключателя высокого напряжения. / Башкирцев Г.П. и др., опубл. 20.06.2008.

В способе-аналоге "система … повышает надежность работы масляного выключателя высокого напряжения и увеличивает ресурс его работы", в заявляемом способе учет остаточного ресурса высоковольтных выключателей позволяет более точно определять и увеличивать "ресурс его работы", а точнее - срок его службы.

Недостатком аналога, с точки зрения технического результата, в том, что хотя в преимуществах аналога указывается о возможности увеличения ресурса работы выключателя высокого напряжения, ни в описании, ни в формуле не показано, как это сделать. В аналоге справедливо утверждается, что "в замкнутом состоянии высоковольтных контактов выключателя высокого напряжения на них рассеивается тепловая мощность, величина которой согласно закону Ома пропорциональна переходному сопротивлению и квадрату рабочего тока. Ухудшение технического состояния высоковольтных контактов приводит к увеличению их переходного сопротивления, к увеличению тепловой мощности и разогреву контактов". Это так, однако ресурс выключателя высокого напряжения определяет его коммутационная стойкость, а не температура контактов. Кроме того, аналог, как и первый, требуют установку дополнительного вспомогательного оборудования, затраты на установку и эксплуатация которого ложатся на энергосетевые компании.

За прототип принят способ определения остаточного коммутационного ресурса выключателей по патенту РФ №2489726, МКИ G01R 31/327, Способ определения остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя. / Муссонов Г.П., опубл. 10.08.2013.

Признаком прототипа, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является назначение, так как в прототипе решается задача определения остаточного ресурса высоковольтного выключателя путем фиксации текущего значения тока коммутации для каждой фазы при каждой коммутации, вычисление величины текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя, вычисление величины остаточного ресурса высоковольтного выключателя.

Недостаток прототипа, с точки зрения технического результата, в том, что при аварийных режимах не учитывается текущее значение напряжения коммутации при определении остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя. При аварийных режимах напряжение в момент коммутации U_ком может быть как больше, так и меньше номинального напряжения U_ном, на которое рассчитан используемый высоковольтный выключатель. То есть мощность P_ком, коммутируемая в момент срабатывания высоковольтного выключателя, а следовательно, и его ресурс зависят не только от текущего значения тока коммутации I_ком, но и от напряжения в момент коммутации. Не учет текущего значения напряжения приводит к увеличению погрешности определения коммутационных ресурсов выключателей.

Выражение для определения коммутируемой мощности имеет вид

P_ком=U_ком·I_ком,

где I_ком - значение тока коммутации при отличающихся от номинального значениях напряжения.

Значения напряжения в момент коммутации U_ком, как и текущие значения тока коммутации I_ком, на практике фиксируются по данным аварийных регистраторов и релейных (диспетчерских) служб.

Учитывая, что ресурс высоковольтного выключателя рассчитывается на коммутируемые токи при номинальном напряжении, необходимо текущее значение тока коммутации пересчитать (привести) к тому значению, которое было бы при номинальном напряжении

P_ном=U_ном·I_tн,

где I_tн - значение тока коммутации при номинальном напряжении.

Приравняем выражение для коммутируемой мощности P_ком и выражение для номинальной мощности P_ном, то есть U_ком·I_ком=U_ном·I_tн. Отсюда найдем приведенное к номинальному напряжению текущее значение тока коммутации

Из (1) видно, что текущее значение тока коммутации I_ком будет корректироваться в зависимости от величины напряжения в момент коммутации, и расчет остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя будет осуществляться по величине I_t - приведенному значению тока коммутации к номинальному напряжению. Это позволит избежать погрешности определения коммутационных ресурсов выключателей по сравнению с прототипом.

Задачей изобретения является создание доступной простой технологии определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей на основе получения данных аварийных регистраторов и релейных (диспетчерских) служб без использования дополнительного энергозатратного и дорогостоящего оборудования. Это позволяет в эксплуатации получить следующие результаты:

- сократить затраты на определение сработанного и остаточного коммутационного ресурса выключателей в эксплуатации,

- осуществить перевод высоковольтных выключателей на систему технического обслуживания, основанную на оценке их фактического состояния, как более экономичную по сравнению с системой планово предупредительных ремонтов,

- корректировать межремонтные сроки выключателей на основе более точного определения сработанного и остаточного ресурсов высоковольтных выключателей.

Технический результат заявляемого способа заключается в повышении оперативности и качества определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей, что позволяет более точно определять срок его службы. Кроме того, дополнительным техническим результатом является получение сработанного коммутационного ресурса высоковольтных выключателей именно в процессе эксплуатации без установки дополнительного оборудования.

В заявляемом способе определения остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя, включающем фиксацию текущего значения тока коммутации для каждой фазы при каждой коммутации, вычисление величины текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя, вычисление величины остаточного ресурса высоковольтного выключателя, технический результат заявляемого способа достигается тем, что согласно изобретению одновременно с фиксацией текущего значения тока коммутации I_ком при каждой коммутации для каждой фазы осуществляют фиксацию текущего значения напряжения в момент коммутации U_ком для каждой фазы, осуществляют приведение текущего значения тока коммутации I_ком к номинальному напряжению высоковольтного выключателя для каждой фазы, по следующему математическому выражению:

I_t=I_ком·U_ком/U_ном,

где I_t - текущее приведенное значение тока коммутации, А;

I_ком - текущее значение тока коммутации, А;

U_ком - текущее значение напряжение коммутации, В;

U_ном - номинальное напряжение высоковольтного выключателя, В,

по полученному приведенному к номинальному напряжению текущему значению тока коммутации I_t для каждой фазы вычисляют величину текущего сработанного ресурса каждой фазы высоковольтного выключателя P_t при этой коммутации по следующему математическому выражению:

P_t=(I_t/I_{о ном})²,

где P_t - текущий сработанный ресурс высоковольтного выключателя при коммутации тока I_t;

I_t- текущее приведенное значение тока коммутации, А;

I_{о ном} - номинальный ток отключения (термин по ГОСТ Р 52565-2006), соответствующий типу выключателя, А.

Вычисленную величину текущего сработанного ресурса P_t суммируют к ранее накопленному сработанному ресурсу высоковольтного выключателя P_c для каждой из фаз, полученное значение сработанного ресурса высоковольтного выключателя сравнивают с ресурсом по коммутационной стойкости (термин по ГОСТ Р 52565-2006) высоковольтного выключателя P_к для каждой из фаз данного высоковольтного выключателя и, в случае равенства или превышения полученного значения сработанного ресурса P_c высоковольтного выключателя по меньшей мере для одной из фаз над установленным ресурсом P_к по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя принимают решение о замене высоковольтного выключателя, а если накопленное значение сработанного ресурса P_с высоковольтного выключателя меньше установленного ресурса P_к по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя, определяют остаточный ресурс P_о высоковольтного выключателя по следующему математическому выражению:

P_o=P_к-P_c,

где P_о - остаточный ресурс высоковольтного выключателя;

P_к - установленный ресурс по коммутационной стойкости;

P_с - сработанный ресурс высоковольтного выключателя.

Технический результат заявляемого способа достигается и тем, что для более качественного определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей дополнительно для каждой из фаз при коммутации выключателя, ток которой превышает I_ном, значение сработанного ресурса высоковольтного выключателя P_t уменьшают на величину Δ₁:

,

где Δ₁ - поправочный коэффициент на малые токи коммутации;

I_ном - номинальный ток выключателя (термин по ГОСТ Р 52565-2006; этот ток в десятки раз меньше I_{o ном} - номинального тока отключения), соответствующий типу выключателя, А;

I_{о ном} - номинальный ток отключения, соответствующий типу выключателя, А;

I_t - текущее приведенное значение тока коммутации, А.

Технический результат заявляемого способа достигается также и тем, что для более качественного определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей дополнительно для каждой из фаз при коммутации выключателя, ток которой превышает I_кр, значение сработанного ресурса P_t, вычисленное по формуле п.1, уменьшают на величину Δ₂

,

где Δ₂ - поправочный коэффициент на критические токи;

I_кр - критический ток - ток отключения, который больше, чем номинальный ток выключателя, но меньше, чем номинальный ток отключения, и при превышении которого время дуги значительно возрастает, А;

I_{о ном} - номинальный ток отключения, соответствующий типу выключателя, А;

I_t - текущее приведенное значение тока коммутации, А.

Другими словами, технический результат заявляемого изобретения достигается путем учета конкретных эксплуатационных данных (количество коммутаций, коммутируемые напряжения и токи в каждой из фаз), которые могут быть получены от релейных (диспетчерских) служб и/или от регистраторов аварийных событий, и заявленным в способе порядком оперирования указанными данными.

Новые существенные признаки доказывают новизну заявляемого способа.

Из уровня техники не выявлены признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого способа, что доказывает его соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ осуществляют следующим образом.

Высоковольтные выключатели бывают различных исполнений и типов (вакуумные, элегазовые, газовые, воздушные, масляные, электромагнитные), имеющие в своем составе дугогасительные устройства разной конструкции и вида. Все высоковольтные выключатели объединяют контакты, которые срабатываются в процессе коммутации, ограничивая срок службы выключателя. Поэтому ресурс по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя, согласно ГОСТ Р 52565-2006, п.6.6.4, устанавливается как Р_к - количество раз отключения максимального тока коммутации I_{о ном}, который называется номинальным током отключения. На практике I_t - текущие приведенные токи коммутации располагаются в диапазоне от номинального тока I_ном, при котором разрушение высоковольтных контактов не происходит, до номинального тока отключения I_{о ном}, при котором происходит интенсивное разрушение контактов. Все факты включения, выключения, а также все текущие значения приведенных токов коммутации I_t в эксплуатации зафиксируются релейными (диспетчерскими) службами и специальными устройствами - регистраторами аварийных событий.

Высоковольтные выключатели в эксплуатации коммутируют одновременно все три фазы (как бы соединяя три выключателя в одном исполнении), по каждой из фаз передаются своя энергия и, следовательно, свое значение текущего приведенного тока коммутации I_t. Способ позволяет определить значение сработанного ресурса и остаточный ресурс для каждой из фаз.

Основной причиной разрушения контактов выключателя является электрическая дуга как функция коммутируемой энергии. Поэтому учет сработанного ресурса и определение остаточного ресурса высоковольтного выключателя должен базироваться на определении энергии, выделяемой в выключателе в момент коммутации. Энергия W_t, выделяемая током на одной фазе или на одной паре контактов при отключении высоковольтного выключателя, определяется выражением

где U_ком - напряжение в момент отключения; I_ком - значение отключаемого тока; t_д - время дуги, согласно ГОСТ Р 52565-2006 - интервал времени между моментом начала возникновения дуги и моментом полного ее погасания во всех фазах при расхождении контактов ВВ, t_д является характеристикой данного вида высоковольтного выключателя.

Используя вытекающее из закона Ома соотношение U_ком=I_комR, а также переходя к приведенному значению отключаемого тока согласно формуле (1), преобразуем выражение (2) к виду,

где I_t - величина приведенного значения отключаемого тока;

R - сопротивление контактов и дуги, R также является характеристикой данного вида высоковольтного выключателя.

При номинальном токе отключения I_{о ном} согласно (2) выделится следующее количество активной энергии:

Если приведенный ток отключения меньше номинального тока отключения в n раз, то есть

то, подставив в выражение (4) значение I_{о ном} из выражения (5), получим

Поделив обе части равенства (6) на n², с учетом формулы (3), получим

Аналогичные выкладки можно сделать и для выделяемой энергии при включении высоковольтного выключателя. Полученный результат опишется выражением (7). Различие будет только в текущих обозначениях формул (2)-(7).

Из выражения (7) видим, что энергия W_{o ном}, выделяемая в высоковольтном выключателе при коммутации с током I_{о ном}, и энергия W_t, выделяемая в высоковольтном выключателе при коммутации с текущим приведенным значением тока I_t, связаны соотношением W_{o ном}/n²=W_t, где n=I_{о ном}/I_t. Из предлагаемого в способе соотношения (6) видно, что энергия, выделяемая при коммутации различных приведенных токов отключения I_t, в n² раз меньше, чем при коммутации номинального тока отключении I_{о ном}. Это означает, что ресурс выключателя расходуется в n² раз медленнее. На самом деле ресурс выключателя расходуется еще медленнее, так как проявление энергии не является аддитивным, например, миллион разрядов по 220 вольт (разряд при включении бытового выключателя) не приведет к таким разрушениям, как одна молния в 220 миллионов вольт.

Поскольку установленный ресурс по коммутационной стойкости Р_к высоковольтного выключателя задается количеством раз отключения максимального тока коммутации I_{о ном} и одно отключение такого тока приводит к срабатыванию (израсходованию) одной единице ресурса, то отключения с приведенным током I_t составляет P_t - долю (в интервале от нуля до единицы) срабатывания единицы ресурса высоковольтного выключателя или, другими словами, определяет величину текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя. В предлагаемом способе при любом отключении или включении для каждой фазы вычисляют P_t - величину текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя по формуле (I_t/I_{o ном})² (или по предварительно построенным графикам или таблицам согласно приведенной формуле (I_t/I_{o ном})²), вытекающей из упомянутого соотношения энергий (7), и суммируют нарастающим итогом для каждой фазы. Этот нарастающий итог, по сути, является сработанным ресурсом P_c для каждой фазы выключателя. При всех коммутациях вычисленное значение P_c для каждой фазы сравнивается со значением P_к, и если выполняется условие P_с≥P_к для какой-нибудь из фаз, то принимается решение о замене высоковольтного выключателя.

Остаточный ресурс P_о определяют как разность между установленным ресурсом по коммутационной стойкости P_к высоковольтного выключателя и полученным значением сработанного ресурса P_с, то есть P_о=P_к-P_с.

Пример использования способа.

Для примера приведем реальные данные трех высоковольтных выключателей на 220 кV различных типов ВВД-220Б-40/2000ХЛ1 (воздушный), ВМТ-220Б-40/2000УХ1 (масляный), ВЭК-220-40/2000У1 (элегазовый), для которых производители указали одинаковые параметры, а именно номинальный ток I_ном=2 кА, номинального тока отключения I_{о ном}=40 кА. Согласно п.6.6.4 ГОСТ Р 52565-2006 ресурс по коммутационной стойкости для указанных номинальных токов отключения должен быть не менее 15 отключений для каждой фазы, пусть P_к=15, то есть все выключатели новые. При десяти отключениях с током коммутации, равным 8 кА (в четыре раза больше номинального), для какой-нибудь из фаз и при текущем значении напряжения в момент коммутации U_ком=210 кV, приведенное значение тока I_t, вычисленное согласно выражению (1), составит I_t=8×210/220=7,4 кА, вычисленное значение сработанного ресурса одного отключения, по формуле предлагаемой в способе, равно P_t=(8/40)²=0,034, а суммарный расход сработанного ресурса за десять отключений составит P_с=0,034×10=0,34, что равно расходу сработанного ресурса одной коммутации с током (0,4)^1/2×40=23,32 кА, а не 80 кА при простом арифметическом подсчете, что бы составило две единицы ресурса. Остаточный ресурс, вычисленный по предлагаемому способу, составит P_к-P_с=15-0,34=14,66 отключений по этой фазе.

При приведенных токах коммутации I_t, меньших номинального тока I_ном, конструкция высоковольтного выключателя не позволяет возникнуть устойчивой дуге за время t_д, и ресурс выключателя не срабатывается. Однако, вычисляя по предлагаемой формуле (I_t/I_{o ном})² _, получим некоторую величину срабатывания ресурса Δ₁, которую назовем поправочным коэффициентом на малые токи коммутации,

.

Чтобы компенсировать полученную ошибку, нужно уменьшить значение ранее вычисленного сработанного ресурса P_с на величину Δ₁ для каждой фазы при любой коммутации, ток которой превышает I_ном. Математическая запись последнего предложения выглядит так:

Кроме того, согласно ГОСТ Р 52565-2006, конструкция высоковольтного выключателя не позволяет возникнуть устойчивой дуге при некоторых критических токах I_кр. Критический ток - это ток отключения больше, чем номинальный ток I_ном выключателя, но меньше, чем номинальный ток отключения I_{о ном}, при превышении которого время дуги значительно возрастает. При приведенных токах коммутации I_t, меньших критического тока I_кр, устойчивой дуги не возникает, и ресурс выключателя не срабатывается. В этом случае, если производители высоковольтного выключателя указали в паспорте значение I_кр, то вместо использования поправочного коэффициента Δ₁ значение ранее вычисленного сработанного ресурса нужно уменьшить на величину Δ₂, которую назовем поправочный коэффициент на критические токи,

для каждой фазы при любой коммутации, ток которой превышает I_кр, то есть

Остаточный ресурс P_о высоковольтного выключателя определяют по следующему выражению:

P_o=P_к-P_c,

где P_о - остаточный ресурс высоковольтного выключателя;

P_к - установленный ресурс по коммутационной стойкости;

P_c - сработанный ресурс высоковольтного выключателя.