Annotation:
Increasing electrical safety in electrical grids through controlled switching technology in vacuum circuit breakers is considered. The relevance of the study is caused by the need to address the issue of hazardous switching overvoltages occurring during the operation of vacuum circuit breakers. Currently, no universal solution has been found to resolve the problem fully. For each case, an individual approach to selecting protective measures, taking into account switching load parameters and operational conditions, is required. One of the methods to reduce the overvoltage level can be the use of special devices for controlled switching. Determining optimal operational algorithms for these devices is a complex task, impossible to address without specialized computer tools.
Using a developed simulation model of a controlled switching circuit breaker, simulation modeling of control and uncontrolled switching processes by vacuum circuit breakers of an unloaded power transformer has been conducted. As established, the value of overvoltage during switching depends on the load power, whereas the difference between current values across the phases is explained by the impact of the input parameters of the transformer and non-simultaneous current disconnection in damaged phases. The most optimal algorithms of controlled switching required for the disconnection (connection) of an unloaded power transformer have been determined.
References:
1. Wong S.M., Snider L.A., Lo E.W. Overvoltages and reignition behavior of vacuum circuit breaker. 6th International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management (APSCOM 2003). 2003. № 497. Vol. 2. pp. 653–658.
2. Abdulahovic T., Thiringer T., Reza M., Breder H. Vacuum Circuit Breaker Parameter Calculation and Modelling for Power System Transient Studies. IEEE Transactions on Power Delivery. 2014. № 32 (99). pp. 1165–1172. DOI: 10.1109/TPWRD.2014.2357993
3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей: приказ Министерства энергетики Рос. Федерации от 13 янв. 2003 г. № 6. URL: https://docs.cntd.ru/document/901839683/titles/64U0IK (дата обращения: 20.02.2026).
Rules of technical operation of electrical installations of consumers: Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation of January 13, 2003 № 6. Available at: https://docs.cntd.ru/document/901839683/titles/64U0IK (accessed: February 20, 2026). (In Russ.).
4. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ. URL: https://docs.cntd.ru/document/902111644 (дата обращения: 20.02.2026).
Technical Regulations on fire safety requirements: Federal Law of July 22, 2008 № 123-FZ. Available at: https://docs.cntd.ru/document/902111644 (accessed: February 20, 2026). (In Russ.).
5. Влияние резонансных явлений на технический ресурс асинхронных электродвигателей при импульсных перенапряжениях / А.В. Сидоров, В.В. Сушков, С.В. Сидоров, И.С. Сухачев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19. № 1. С. 5–13.
Sidorov A.V., Sushkov V.V., Sidorov S.V., Sukhachev I.S. The influence of resonance phenomena on the technical lifetime of asynchronous electric motors under pulsed overvoltages // Electrotechnical and information complexes and systems. 2023. Vol. 19. № 1. pp. 5–13. (In Russ.).
6. Анализ надежности электродвигателей, используемых в современных электроприводах / А.Ф. Бурков, Е.В. Катаев, Г.Е. Кувшинов, К.В. Чупина // Электроника и электротехника. 2017. № 1. С. 1–6.
Burkov A.F., Kataev E.V., Kuvshinov G.E., Chupina K.V. Reliability analysis of electric motors used in modern electric drives // Electronics and Electrical Engineering. 2017. № 1. pp. 1-6. (In Russ.).
7. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная техника для сетей среднего напряжения. СПб: Изд-во Сизова М.П., 2000. 114 с.
Evdokunin G.A., Tiler G. Modern vacuum technology for medium-voltage net-works. Saint Petersburg: Publishing House. 2000. 114 p. (In Russ.).
8. Кадомская К.П., Копылов Р.В. Требования к вакуумной дугогасительной камере и специальным мерам для надежного отключения заторможенных двигателей // Электрические станции. 2002. №. 9. С. 56–60.
Kadomskaya K.P., Kopylov R.V. Requirements for a vacuum arc extinguishing chamber and special measures for reliable shutdown of braked motors. Electric stations. 2002. №. 9. pp. 56-60. (In Russ.).
9. Кадомская К.П. Системный подход к обеспечению надежной эксплуатации изоляции электрооборудования в электрических сетях среднего и высокого напряжения // Главный энергетик. 2006. № 1. С. 54–60.
Kadomskaya K.P. A systematic approach to ensuring reliable operation of electri-cal equipment insulation in medium and high voltage electrical networks. Chief Power Engineer. 2006. № 1. pp. 54–60. (In Russ.).
10. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35кВ. СПб: Изд-во «Терция», 2004. 188 с.
Evdokunin G.A., Titenkov S.S. Internal overvoltages in 6-35kV networks. Saint Petersburg: Publishing House. 2004. 188 p. (In Russ.).
11. Воркунов О.В., Афанасьева Т.И. Физические процессы в вакуумных выключателях при возникновении коммутационных перенапряжений // Международный технический журнал. 2021. № 5. С. 7–17. DOI: 10.34286/1995-4646-2021-80-5-7-17
Vorkunov O.V., Afanasyeva T.I. Physical processes in vacuum circuit breakers during the occurrence of switching overvoltages. International Technical and Economic Journal. 2021.№ 5. pp. 7–17. (In Russ.).
12. CIGRE W.G. Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers: Planning, Specification and Testing of Controlled Switching Systems. Electra. 2001. Vol. 197. pp. 733.
13. Moradi A., Mohammadi H.D., Foroud A.A. Evaluation of factors affecting transient overvoltages caused by vacuum circuit breaker switching in the distribution network and solutions to reduce their severity. Journal of Modeling in Engineering. 2025. Vol. 23. №. 80. pp. 269–287. DOI:10.22075/jme.2024.33256.2621
14. Разработка имитационной модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ с учетом реальных характеристик аппарата / Д.Е. Шевцов, Д.А. Павлюченко, В.А. Лавринович, В.Г. Шальнев // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. 2017. № 1. С. 38–44.
Shevtsov D.A., Pavlyuchenko D.A., Lavrinovich V.A., Shalnev V.G. Development of a simulation model of a 6 (10) kV synchronous vacuum circuit breaker taking into account the real characteristics of the apparatus. Electro. Electrical Engineering, Electrical Power, and Electrical Industry. 2017. Vol. 1. pp. 38–44. (In Russ.).
15. Гандулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А. Перенапряжения в сетях напряжением 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с.
Gandulin F.A., Goldstein V.G., Dulzon A.A. Overvoltages in 6-35 kV networks. Moscow: Ener-goatomizdat. 1989. 192 p. (In Russ.).
16. Chistyakov G.N. Simulation of impulse overvoltages during vacuum circuit breaker trip in Matlab environment for electromagnetic evaluation. Electro. 2012. Vol. 6. pp. 46–50.
17. Баумштейн И.А., Бажанов С.А. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1989. 768 с.
Baumstein I.A., Bazhanov S.A. Handbook of high voltage electrical installations. Moscow: Energoatomizdat. 1989. 768 p. (In Russ.).
18. Снижение тока включения трансформаторов / В.А. Кузьменко, А.И. Лурье, А.П. Панибратец, В.С. Чуприков // Электротехника. 1997. № 2. С. 22–27.
Kuzmenko V.A., Lurie A.I., Panibratets A.P., Chuprikov V.S. Reducing the switching current of transformers. Electrical Engineering. 1997. № 2. pp. 22–27. (In Russ.).
19. Павлюченко Д.А., Шевцов Д.Е. Особенности управляемой коммутации при нормальных и аварийных режимах в электрических сетях среднего напряжения // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. №. 5. С. 41–44.
Pavlyuchenko D.A., Shevtsov D.E. Features of controlled switching in normal and emergency modes in medium voltage electrical networks. Electrical engineering, electric power industry, electrical industry. 2015. №. 5. pp. 41–44. (In Russ.).
2. Abdulahovic T., Thiringer T., Reza M., Breder H. Vacuum Circuit Breaker Parameter Calculation and Modelling for Power System Transient Studies. IEEE Transactions on Power Delivery. 2014. № 32 (99). pp. 1165–1172. DOI: 10.1109/TPWRD.2014.2357993
3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей: приказ Министерства энергетики Рос. Федерации от 13 янв. 2003 г. № 6. URL: https://docs.cntd.ru/document/901839683/titles/64U0IK (дата обращения: 20.02.2026).
Rules of technical operation of electrical installations of consumers: Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation of January 13, 2003 № 6. Available at: https://docs.cntd.ru/document/901839683/titles/64U0IK (accessed: February 20, 2026). (In Russ.).
4. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ. URL: https://docs.cntd.ru/document/902111644 (дата обращения: 20.02.2026).
Technical Regulations on fire safety requirements: Federal Law of July 22, 2008 № 123-FZ. Available at: https://docs.cntd.ru/document/902111644 (accessed: February 20, 2026). (In Russ.).
5. Влияние резонансных явлений на технический ресурс асинхронных электродвигателей при импульсных перенапряжениях / А.В. Сидоров, В.В. Сушков, С.В. Сидоров, И.С. Сухачев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19. № 1. С. 5–13.
Sidorov A.V., Sushkov V.V., Sidorov S.V., Sukhachev I.S. The influence of resonance phenomena on the technical lifetime of asynchronous electric motors under pulsed overvoltages // Electrotechnical and information complexes and systems. 2023. Vol. 19. № 1. pp. 5–13. (In Russ.).
6. Анализ надежности электродвигателей, используемых в современных электроприводах / А.Ф. Бурков, Е.В. Катаев, Г.Е. Кувшинов, К.В. Чупина // Электроника и электротехника. 2017. № 1. С. 1–6.
Burkov A.F., Kataev E.V., Kuvshinov G.E., Chupina K.V. Reliability analysis of electric motors used in modern electric drives // Electronics and Electrical Engineering. 2017. № 1. pp. 1-6. (In Russ.).
7. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная техника для сетей среднего напряжения. СПб: Изд-во Сизова М.П., 2000. 114 с.
Evdokunin G.A., Tiler G. Modern vacuum technology for medium-voltage net-works. Saint Petersburg: Publishing House. 2000. 114 p. (In Russ.).
8. Кадомская К.П., Копылов Р.В. Требования к вакуумной дугогасительной камере и специальным мерам для надежного отключения заторможенных двигателей // Электрические станции. 2002. №. 9. С. 56–60.
Kadomskaya K.P., Kopylov R.V. Requirements for a vacuum arc extinguishing chamber and special measures for reliable shutdown of braked motors. Electric stations. 2002. №. 9. pp. 56-60. (In Russ.).
9. Кадомская К.П. Системный подход к обеспечению надежной эксплуатации изоляции электрооборудования в электрических сетях среднего и высокого напряжения // Главный энергетик. 2006. № 1. С. 54–60.
Kadomskaya K.P. A systematic approach to ensuring reliable operation of electri-cal equipment insulation in medium and high voltage electrical networks. Chief Power Engineer. 2006. № 1. pp. 54–60. (In Russ.).
10. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35кВ. СПб: Изд-во «Терция», 2004. 188 с.
Evdokunin G.A., Titenkov S.S. Internal overvoltages in 6-35kV networks. Saint Petersburg: Publishing House. 2004. 188 p. (In Russ.).
11. Воркунов О.В., Афанасьева Т.И. Физические процессы в вакуумных выключателях при возникновении коммутационных перенапряжений // Международный технический журнал. 2021. № 5. С. 7–17. DOI: 10.34286/1995-4646-2021-80-5-7-17
Vorkunov O.V., Afanasyeva T.I. Physical processes in vacuum circuit breakers during the occurrence of switching overvoltages. International Technical and Economic Journal. 2021.№ 5. pp. 7–17. (In Russ.).
12. CIGRE W.G. Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers: Planning, Specification and Testing of Controlled Switching Systems. Electra. 2001. Vol. 197. pp. 733.
13. Moradi A., Mohammadi H.D., Foroud A.A. Evaluation of factors affecting transient overvoltages caused by vacuum circuit breaker switching in the distribution network and solutions to reduce their severity. Journal of Modeling in Engineering. 2025. Vol. 23. №. 80. pp. 269–287. DOI:10.22075/jme.2024.33256.2621
14. Разработка имитационной модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ с учетом реальных характеристик аппарата / Д.Е. Шевцов, Д.А. Павлюченко, В.А. Лавринович, В.Г. Шальнев // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. 2017. № 1. С. 38–44.
Shevtsov D.A., Pavlyuchenko D.A., Lavrinovich V.A., Shalnev V.G. Development of a simulation model of a 6 (10) kV synchronous vacuum circuit breaker taking into account the real characteristics of the apparatus. Electro. Electrical Engineering, Electrical Power, and Electrical Industry. 2017. Vol. 1. pp. 38–44. (In Russ.).
15. Гандулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А. Перенапряжения в сетях напряжением 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с.
Gandulin F.A., Goldstein V.G., Dulzon A.A. Overvoltages in 6-35 kV networks. Moscow: Ener-goatomizdat. 1989. 192 p. (In Russ.).
16. Chistyakov G.N. Simulation of impulse overvoltages during vacuum circuit breaker trip in Matlab environment for electromagnetic evaluation. Electro. 2012. Vol. 6. pp. 46–50.
17. Баумштейн И.А., Бажанов С.А. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1989. 768 с.
Baumstein I.A., Bazhanov S.A. Handbook of high voltage electrical installations. Moscow: Energoatomizdat. 1989. 768 p. (In Russ.).
18. Снижение тока включения трансформаторов / В.А. Кузьменко, А.И. Лурье, А.П. Панибратец, В.С. Чуприков // Электротехника. 1997. № 2. С. 22–27.
Kuzmenko V.A., Lurie A.I., Panibratets A.P., Chuprikov V.S. Reducing the switching current of transformers. Electrical Engineering. 1997. № 2. pp. 22–27. (In Russ.).
19. Павлюченко Д.А., Шевцов Д.Е. Особенности управляемой коммутации при нормальных и аварийных режимах в электрических сетях среднего напряжения // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. №. 5. С. 41–44.
Pavlyuchenko D.A., Shevtsov D.E. Features of controlled switching in normal and emergency modes in medium voltage electrical networks. Electrical engineering, electric power industry, electrical industry. 2015. №. 5. pp. 41–44. (In Russ.).