СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО КОММУТАЦИОННОГО РЕСУРСА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК G01R31/327 

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 устройства для фиксации величины коммутационного износа выключателей и устройства для системы диагностики выключателей высокого напряжения, которые требуют установку разнообразных датчиков или конструктивных изменений выключателей. 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 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.

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., опубликованному 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".

Недостатком устройства аналога, с точки зрения технического результата, в том, что оно (устройство) не позволяет оценить реальный остаточный коммутационный ресурс выключателя. 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 ОВ, который возможен в эксплуатации при действии аппаратуры повторного включения) приводит к более существенному срабатыванию ресурса выключателя, чем при включении-отключении тока короткого замыкания (цикл ВО). Однако устройство по прототипу 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., опубликованному 20.06.2008.

Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа в том, что в аналоге "система … повышает надежность работы масляного выключателя высокого напряжения и увеличивает ресурс его работы", в заявляемом способе учет остаточного ресурса высоковольтных выключателей также 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. Этот аналог, как и первый, требуют дополнительных затрат на установку вспомогательного оборудования.

Известен способ определения коммутационных ресурсов выключателей по патенту РФ №2249828, МКИ G01R 31/327, Способ определения коммутационных ресурсов выключателей. / Максимов Ю.Я., опубликованному 10.04.2005.

Нет признаков аналога, совпадающих с существенными признаками заявляемого способа кроме названия "способ определения коммутационных ресурсов выключателей"

По очень сложной технологии, в способе аналога может быть, и удается определить ресурс по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя, но при этом требуется: "испытуемый выключатель определенного типа с конкретными техническими характеристиками устанавливают на испытательном стенде в нормальном монтажном положении …". Далее описывается технология испытания высоковольтного выключателя, приводящая к его разрушению. Это ни как не подходит для использования в эксплуатации. В эксплуатации нет ни лишнего высоковольтного выключателя для выполнения работ по способу аналога, ни испытательного стенда.

Из уровня-техники не найдено аналога, решающего задачу определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей в процессе их эксплуатации.

Задачей изобретения является создание доступной, простой технологи определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей на основе получения данных аварийных регистраторов и релейных (диспетчерских) служб без использования дополнительного энергозатратного и дорогостоящего оборудования. Что 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 в эксплуатации.

Технический результат заявляемого способа достигается тем, что осуществляют фиксацию текущего значения тока коммутации I_t для каждой фазы, вычисляют величину текущего сработанного ресурса каждой фазы высоковольтного выключателя P_t при этой коммутации по следующий формуле:

$$P_t={\left(I_t/I_{oном}\right)}^2,$$

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

I_t - текущее значение тока коммутации, А;

I_{o 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 Р_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 Р_к для каждой из фаз данного высоковольтного выключателя и, в случае равенства или превышения полученного значения сработанного ресурса Р_с высоковольтного выключателя, по меньшей мере, для одной из фаз, над установленным ресурсом Р_к по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя принимают решение о замене высоковольтного выключателя, а если накопленное значение сработанного ресурса Р_c высоковольтного выключателя меньше установленного ресурса Р_к по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя, определяют остаточный ресурс Р_о высоковольтного выключателя по следующему выражению:

P_о=P_к-P_с,

где Р_о - остаточный ресурс высоковольтного выключателя;

Р_к - установленный ресурс по коммутационной стойкости;

Р_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:

$${\Delta }_1=I_{ном}^2\cdot \left(I_{оном}-I_t\right)/I_{оном}^3$$ ,

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_{о ном} - номинального тока отключения), соответствующий типу выключателя, А;

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

I_t - текущее 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

$${\Delta }_2=I_{кр}^2\cdot \left(I_{оном}-I_t\right)/I_{оном}^3$$ ,

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 значение тока коммутации, А.

Другими словами, технический результат заявляемого изобретения достигается путем учета конкретных эксплуатационных данных (количество коммутаций, коммутируемые 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. Всех 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 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 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 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 выключателей 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 ВВ, определяется выражением

$$W_t=U_t\cdot I_t\cdot t_{д},\left(1\right)$$

где U_t - напряжение в момент отключения; I_t - величина 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 ВВ.

Используя, вытекающее из закона Ома, соотношение $$U_t=I_t\cdot R$$ , преобразуем выражение (1) к виду,

$$W_t=R\cdot I_t^2\cdot t_{д},\left(2\right)$$

где R - сопротивление контактов и дуги, R также является характеристикой данного вида ВВ.

При номинальном токе отключения I_{о ном} согласно (1) выделится следующее количество активной энергии:

$$W_{оном}=R\cdot I_{{}_{оном}}^2\cdot t_{д}.\left(3\right)$$

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

$$n\cdot I_t=I_{{}_{оном}}\left(4\right)$$

то подставив в выражение (3) значение 1о ном из выражения (4) получим

$$W_{оном}=R\cdot n^2\cdot I_t^2\cdot t_{д}.\left(5\right)$$

Поделив обе части равенства (5) на n² с учетом формулы (2) получим

$$W_{оном}/n^2=W_t\left(6\right)$$

Аналогичные выкладки можно сделать и для выделяемой энергии при включении ВВ. Полученный результат опишется выражением (6). Различие будет только в текущих обозначениях формул (1)-(5).

Из выражения (6) 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 значением тока I_t, связаны соотношением $$W_{оном}/n^2=W_t$$ , где $$n=I_{оном}/I_t.$$ Из предлагаемого в способе соотношения (6) видно, что энергия, выделяемая при коммутации различных 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 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 (6), и суммируют нарастающим итогом для каждой фазы. Этот нарастающий итог, по сути, является сработанным ресурсом Р_с для каждой фазы выключателя. При всех коммутациях вычисленное значение Р_c для каждой фазы сравнивается со значением Р_к, и если выполняется условие Р_с≥Р_к для какой-нибудь из фаз, то принимается решение о замене высоковольтного выключателя.

Остаточный ресурс Р_о определяют как разность между установленным ресурсом по коммутационной стойкости Р_к высоковольтного выключателя и полученным значением сработанного ресурса Р_с, то есть Р_о=Р_к-Р_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 [4] ресурс по коммутационной стойкости для указанных номинальных токов отключения должен быть не менее 15 отключений для каждой фазы, пусть Р_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, вычисленное значение сработанного ресурса одного отключения, по формуле предлагаемой в способе, равно P_t=(8/40)²=0,04, а суммарный расход сработанного ресурса за десять отключений составит Р_с=0,04·10=0,4, что равно расходу сработанного ресурса одной коммутации с током (0,4)^1/2·40=25,298 кА, а не 80 кА при простом арифметическом подсчете, что бы составило две единицы ресурса. Остаточный ресурс, вычисленный по предлагаемому способу, составит Р_к-Р_с=15-0,4=14,6 отключений по этой фазе.

При 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,

$${\Delta }_1=I_{ном}^2\cdot \left(I_{оном}-I_t\right)/I_{оном}^3$$ .

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

$$P_c=\{\begin{array}{c}{P}_c,I_t\le I_{ном};\\ P_c-{\Delta }_1,I_t>I_{ном}\end{array}$$

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 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, в качестве альтернативы предыдущему абзацу, значение ранее вычисленного сработанного ресурса нужно уменьшить на величину Δ₂, которую назовем поправочный коэффициент на критические токи,

$${\Delta }_2=I_{кр}^2\cdot \left(I_{оном}-I_t\right)/I_{оном}^3$$

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

$$P_c=\{\begin{array}{c}{P}_c,I_t\le I_{кр};\\ P_c-{\Delta }_2,I_t>I_{кр}.\end{array}$$

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрооборудованию, установленному в распределительных устройствах, и может быть использовано на электрических станциях, подстанциях и в других электроустановках. Техническим результатом заявленного изобретения является создание доступной, простой технологии определения остаточного ресурса высоковольтных выключателей, используемого в процессе эксплуатации. Технический результат достигается благодаря тому, что при каждом отключении или включении высоковольтного выключателя суммируют нарастающим итогом величину сработанного ресурса, вычисленную по математическим выражениям, приведенным в пп.1-3 формулы изобретения. Способ не требует установки дополнительного оборудования, а сводится к порядку оперирования с данными, которые могут быть получены от релейных (диспетчерских) служб и/или от регистраторов аварийных событий. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ определения остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя в процессе эксплуатации, заключающийся в том, что при каждой коммутации осуществляют фиксацию текущего значения тока коммутации I_t для каждой фазы, вычисляют величину текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя P_t при этой коммутации по следующей формуле:
P_t=(I_t/I_{о ном})²,
где P_t - текущий сработанный ресурс высоковольтного выключателя при коммутации тока I_t;
I_t - текущее значение тока коммутации, А;
I_{о ном} - номинальный ток отключения, 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 высоковольтного выключателя Р_к для каждой из фаз данного высоковольтного выключателя и, в случае равенства или превышения полученного значения сработанного ресурса Р_с 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_c высоковольтного выключателя меньше установленного ресурса Р_к по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя, определяют остаточный ресурс P_о высоковольтного выключателя по следующему выражению:
Р_о=Р_к-Р_с,
где P_о - остаточный ресурс высоковольтного выключателя;
Р_к - установленный ресурс по коммутационной стойкости;
Р_с - сработанный ресурс высоковольтного выключателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно для каждой из фаз при коммутации выключателя, ток которой превышает I_ном, значение сработанного ресурса высоковольтного выключателя P_t уменьшают на величину Δ₁:
$${\Delta }_1=I_{ном}^2\cdot \left(I_{оном}-I_t\right)/I_{оном}^3,$$
где Δ₁ - поправочный коэффициент на малые токи коммутации;
I_ном - номинальный ток выключателя, соответствующий типу выключателя, А;
I_{о ном} - номинальный ток отключения, соответствующий типу выключателя, А;
I_t - текущее значение тока коммутации, А.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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
$${\Delta }_2=I_{кр}^2\cdot \left(I_{оном}-I_t\right)/I_{оном}^3,$$
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 значение тока коммутации, А.