Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка научных основ нового быстродействующего управляемого выключателя с временем включения менее 0,1мс и защиты от перенапряжений трансформаторов, коммутируемых этим выключателем

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0403
Организация
ФГУП ВЭИ
Руководитель работ
Белкин Герман Сергеевич

Информация отсутствует

Соисполнители

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Лоханин Андрей Константинович

Этапы проекта

1
30.09.2009 - 30.11.2009
На основании анализа научно-технической литературы выбрана и обоснована схема быстродействующего управляемого выключателя (БУВ), содержащего вакуумный выключатель и управляемый вакуумный разрядник (РВУ). Построена модель БУВ и проведено математическое моделирование переходных процессов при коммутации тока. Исследована возможность повышения электрической прочности РВУ.
Разработаны рабочие чертежи на экспериментальный образец РВУ и на оснастку для его изготовления. Проведен анализ отечественного и мирового опыта по исследованию перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями.
Проработаны инструкции по технологическим требованиям для обеспечения изготовления образца. Проработаны требований по приемке и испытаниям образца изделия в производственных условиях, изготовлены оснастки. Изготовлены экспериментальный образец РВУ и блок запуска.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 2
«Исследование коммутационных характеристик выключателя в однофазном режиме. Разработка математических моделей переходных процессов, возникающих при коммутации вакуумными выключателями трансформаторов»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 30 сентября 2009 г. № 02.740.11.0403.

Шифр: «2009-1.1-000-078-117»
Период выполнения этапа 30.09.2009 –30.11.2009
Исполнитель: Федеральное Государственное унитарное предприятие
“Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина” (ФГУП ВЭИ), г. Москва
Цель работы - Исследование и разработка научных основ нового быстродействующего управляемого выключателя с временем включения менее 0,1мс. Создание научно-обоснованной методики для расчетов режимов работы и оптимизации конструкции нового быстродействующего управляемого выключателя с улучшенными технико-экономическими характеристиками, предназначенного для коммутации реактивных нагрузок с целью устранения бросков тока и перенапряжений в электросетях и уменьшения стоимости сопровождаемого оборудования.
- Исследование и разработка инженерных методов расчета перенапряжений и рекомендации по защите от них трансформаторов, коммутируемых вакуумными выключателями. Создание методики определения оптимальных параметров резисторно – емкостных устройств, защищающих силовые трансформаторы от перенапряжений, возникающих при коммутации вакуумными выключателями, установка их в системе электроснабжения и разработка программного обеспечения.
Наименование разрабатываемой продукции
Исследование и разработка научных основ нового быстродействующего управляемого выключателя с временем включения менее 0,1мс и защиты от перенапряжений трансформаторов, коммутируемых этим выключателем.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. На первом этапе в результате исследования инициации и развития сильноточного дугового разряда в вакуумном промежутке были определены требования к параметрам инициирующего разряда, обеспечивающие надежное включение РВУ в режиме поджига на катоде: амплитуда тока поджига более 300 А, а его длительность более 0,1 мс. Найдено минимальное напряжение на разряднике Uмин ≥ 70 В, при котором обеспечивается его стабильное включение. Для надежного включения РВУ при любой полярности напряжения предложена и апробирована оригинальная схема включения БУВ, в которой используются два встречно-параллельно включенных РВУ с одним блоком управления. Из вольтамперной характеристики РВУ, измеренной в режиме коммутации тока промышленной частоты, следует, что при изменении амплитуды тока до 9 кА падение напряжения на РВУ не превышает 70 В.
Исследования коммутационных характеристик БУВ при подключении реактивной нагрузки (конденсаторной батареи и воздушного реактора) продемонстрировали правильность принятых технических решений. При подключении конденсаторной батареи выключатель обеспечивал требуемую точность включения Δt < 0,1 мс относительно нуля напряжения. После нуля тока сдвиг фазы последующего включения РВУ не превышал 1 мс. В этом случае относительные броски тока не превышали ток, установившийся в конденсаторе после его подключения.
Проведено математическое моделирование переходных процессов в экспериментальных условиях. Сопоставление данных измерений и результатов моделирования показало их удовлетворительное согласие.
Разработаны математические модели узла коммутации вакуумного выключателя с примыкающей сетью питания.
Экспериментальный образец одного полюса БУВ разработан и изготовлен за счет внебюджетных средств ООО «Вакуумные технологии».
2.2. Предложенная схема включения БУВ является оригинальной (оформляется заявка на патент) и обеспечивает надежное включение выключателя при любой полярности напряжения. Целью предложенного решения является снижения мощности (амплитуды тока запуска) блока управления РВУ и соответственно стоимости выключателя.
2.3. Математическое моделирование переходных процессов производилось с помощью программы Micro-Cap. Экспериментальные исследования проводились на высоковольтном импульсном стенде, оснащенном современной системой диагностики. При обработке результатов измерений использовалась программа WaveStar.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
Новое поколение быстродействующих управляемых выключателей предназначено для комплектации различных устройств компенсации реактивной мощности в линиях электропередачи, для подключения трансформаторов и ненагруженных линий электропередачи без опасных бросков тока и перенапряжений. Применение управляемых выключателей способствует снижению воздействия на оборудование, тем самым, увеличивая его срок службы.
В течение отчетного этапа достигнуты заданные показатели и индикаторы, опубликованы две статьи в журналах ПТЭ, 2010, № 1 и Электротехника, 2010, №3 и сделан доклад на VI Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в электроэнергетике и промышленности», 17-18 марта 2010 г., г. Москва.
4. Выводы
В результате выполнения работы определены требования к блоку управления, предложена и апробирована оригинальная схема быстродействующего управляемого включения выключателя, содержащая два встречно-параллельно соединенные РВУ и один блок управления. Предложенная схема позволяет существенно снизить мощность блока управления, уменьшить стоимость и массогабаритные характеристики выключателя.
Разработан и изготовлен экспериментальный образец быстродействующего управляемого выключателя. Выполненные на нем эксперименты по управляемому подключению реактивной нагрузки в однофазном режиме продемонстрировали правильность принятых технических решений и показали возможность значительного уменьшения амплитуды бросков тока по сравнению с неуправляемым включением. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с результатами математического моделирования переходных процессов. Результаты моделирования позволили уточнить допустимый разброс времен включения РВУ относительно нулей напряжения и тока.
Моделирование переходных процессов при коммутации конденсаторной батареи на сильноточном экспериментальном стенде в зависимости от момента включения РВУ продемонстрировало возможность существенного уменьшения амплитуды высокочастотной составляющей тока в КБ посредством включения РВУ во временном интервале менее 0,1 мс относительно нуля напряжения.
Разработанные математические модели узла коммутации вакуумного выключателя с примыкающей сетью питания будут использованы при разработке программы расчета перенапряжений и выработке рекомендаций по защите основного электрооборудования от перенапряжений, вызываемых работой вакуумных выключателе.

Руководитель работ по проекту

Нач. отдела _________________ Г.С. Белкин
___ __________ 2009г.
М.П.
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 3
«Исследование коммутационных характеристик выключателя в однофазном режиме. Разработка математических моделей переходных процессов, возникающих при коммутации вакуумными выключателями трансформаторов»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 30 сентября 2009 г. № 02.740.11.0403.

Шифр: «2009-1.1-000-078-117»
Период выполнения этапа 1.07.2010 –15.12.2010
Исполнитель: Федеральное Государственное унитарное предприятие
“Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина” (ФГУП ВЭИ), г. Москва
Цель работы - Исследование и разработка научных основ нового быстродействующего управляемого выключателя с временем включения менее 0,1мс. Создание научно-обоснованной методики для расчетов режимов работы и оптимизации конструкции нового быстродействующего управляемого выключателя с улучшенными технико-экономическими характеристиками, предназначенного для коммутации реактивных нагрузок с целью устранения бросков тока и перенапряжений в электросетях и уменьшения стоимости сопровождаемого оборудования.
- Исследование и разработка инженерных методов расчета перенапряжений и рекомендации по защите от них трансформаторов, коммутируемых вакуумными выключателями. Создание методики определения оптимальных параметров резисторно – емкостных устройств, защищающих силовые трансформаторы от перенапряжений, возникающих при коммутации вакуумными выключателями, установка их в системе электроснабжения и разработка программного обеспечения.
Наименование разрабатываемой продукции
Исследование и разработка научных основ нового быстродействующего управляемого выключателя с временем включения менее 0,1мс и защиты от перенапряжений трансформаторов, коммутируемых этим выключателем.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. На третьем этапе разработан алгоритм и программа расчета переходных процессов, возникающих при коммутации вакуумными выключателями трансформаторов. Определено оптимальное время включения БУВ при подключении трансформаторов.
Разработаны рабочие чертежи на экспериментальный образец трехфазного быстродействующего управляемого выключателя (БУВ) с ожидаемым временем включения менее 0,1 мс. Изготовлен и подготовлен экспериментальный образец БУВ. Разработан и изготовлен макетный образец системы управления трехфазного выключателя.
Экспериментальный образец управляемого трехфазного выключателя изготовлен за счет внебюджетных средств ООО «Вакуумные технологии».
2.2. Разработанная конструкция основных элементов БУВ является оригинальной (оформляется заявка на патент) и обеспечивает надежность включения и высокий коммутационный ресурс.
2.3. В программе расчета переходных процессов выбран неявный метод центральной разности второго порядка точности аппроксимации. В соответствии с выбранным методом расчета разработан алгоритм программы и реализован на языке С++ в виде расчетной программы. В качестве итерационного метода решения нелинейных уравнений выбран метод Ньютона-Рафсона.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
Новое поколение быстродействующих управляемых выключателей предназначено для комплектации различных устройств компенсации реактивной мощности в линиях электропередачи, для подключения трансформаторов и ненагруженных линий электропередачи без опасных бросков тока и перенапряжений. Применение управляемых выключателей способствует снижению воздействия на оборудование, тем самым, увеличивая его срок службы.
В течение отчетного этапа достигнуты заданные показатели и индикаторы, опубликована статья в журнале Электротехника, 2010, №11 и сделан доклад на XXIV Международном симпозиуме ISDEIV-2010, Германия.
4. Выводы
В результате выполнения работы разработан и изготовлен экспериментальный образец трехфазного быстродействующего управляемого вакуумного выключателя. В конструкцию основных элементов выключателя заложены оригинальные технические решения с целью повышения надежности включения и коммутационного ресурса аппарата.
В соответствии с выбранным методом расчета разработан алгоритм и программа расчета переходных процессов, возникающих при коммутации вакуумными выключателями трансформаторов. Решения тестовых задач продемонстрировали устойчивость и высокую точность разработанной программы.

Руководитель работ по проекту

Нач. отдела _________________ Г.С. Белкин
___ __________ 2010 г.
М.П.
Развернуть
4
01.01.2011 - 15.09.2011
4.1. Разработка программы и методики испытаний. Проработка требований по приёмке и испытаниям экспериментального образца управляемого трёхфазного выключателя образца изделия в производственных условиях.
4.2. Проведение экспериментов и обработка данных измерений.
4.3. Проведение технико-экономической оценки полученных результатов.
4.4. Исследование влияния параметров схем защиты на уровень перенапряжений при коммутации вакуумными выключателями.
4.5. Разработка рекомендаций по защите от перенапряжений в трансформаторах, возникающих при коммутации вакуумными выключателями.
4.6. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
4.7. Проведение патентных исследований.
4.8. Разработка технических требований для технического задания на разработку БУВ.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Разработка и опытная апробация технических решений по созданию высоковольтных управляемых силовых трансформаторов с улучшенными показателями по потерям и массогабаритам
Продолжительность работ
2017 - 2019, 26 мес.
Бюджетные средства
225 млн
Количество заявок
0
Тема
Исследование квазистационарных, коммутационных и грозовых перенапряжений в сетях 6–750 кВ для определения требований к нелинейным ограничителям перенапряжений
Продолжительность работ
2013, 2 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Количество заявок
7
Тема
Разработка и программная реализация математических методов обеспечения защиты информации реального времени для высокотехнологичного машиностроительного оборудования.
Продолжительность работ
2016 - 2017, 18 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
4
Тема
Создание системы мониторинга управления и диагностики трансформаторов.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Количество заявок
0
Тема
Разработка технологий получения эпитаксиальных широкозонных гетероструктур для нового поколения СВЧ- и/или силовых приборов
Продолжительность работ
2014 - 2016, 26 мес.
Бюджетные средства
80 млн
Количество заявок
5