Глава вторая
ПРЕДЕЛЬНАЯ КОММУТАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ
2-1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Коммутационной способностью аппарата называется его способность производить включение и отключение цепи в требуемых условиях, после чего аппарат остается в исправном состоянии. В настоящем параграфе рассматриваются условия, возникающие при верхнем допустимом пределе коммутируемого тока.
При оценке результатов испытания и решении вопроса о пригодности испытанного аппарата для работы в тех или иных эксплуатационных условиях возникают значительные трудности. Они особенно велики при переменном токе из-за периодического изменения его мгновенного значения, вследствие чего расхождение контактов при испытании может быть при той фазе тока, при которой получаются особо легкие условия гашения дуги. Кроме того, ток переходного режима зависит от момента включения. Момент расхождения контактов связан с моментом включения. Иногда неясно при замыкании, в какой момент времени условия испытания будут наиболее тяжелыми. После включения всегда имеет место переходный режим, при котором действующее значение тока резко изменяется. Часто аппарат размыкает цепь, когда переходный режим еще не закончился. Если бы характер изменения тока при коротком замыкании был одинаков в эксплуатационных условиях и при испытании, то сравнение условий в этих двух случаях можно было бы производить по какому-нибудь одному параметру, например по значению наибольшего тока или по значению установившегося тока. Однако это далеко не всегда имеет место.
Вышеуказанное часто не учитывается как при испытании, так и при выборе аппаратуры. Иногда приводятся данные о ее коммутационной способности без указания, что под этим понимается.
2-4. ПРЕДЕЛЬНАЯ КОММУТАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ
Чтобы правильно испытывать аппаратуру и правильно выбирать ее по данным испытания при проектировании установок, предельная коммутационная способность должна быть выражена теми величинами, которые определяют трудность коммутации тока. Для обеспечения сохранности аппарата, подверженного действию тока короткого замыкания, и способности его включать и отключать ток существенными являются величины тока, проходящего по аппарату до появления дуги, тока в дуге, восстанавливающегося напряжения и постоянной времени цепи. Согласно ГОСТ 2774-44 [Л. 2-5] предельная коммутационная способность определяется предельной способностью включения (наибольшим допустимым током включения) и предельной разрывной способностью (наибольшим допустимым током отключения).
Предельная способность включения определяется условиями, имеющими место до расхождения контактов при отключении выключателя. При замкнутых контактах или в процессе их замыкания наибольшую опасность представляет их преждевременный отброс из-за электродинамических сил, возникающих главным образом в контактной точке. Вслед за отбросом может наступить повторное замыкание. Это ведет к привариванию и интенсивному обгоранию контактов. Возможность отброса контактов определяется соотношением максимальной величины электродинамической силы, отбрасывающей контакты, и силы механизма, прижимающей подвижный контакт к неподвижному. Поэтому ГОСТ 2933-45 [Л. 2-6] на методы испытания аппаратов низкого напряжения и проект норм МЭК на автоматы рекомендуют выражать предёльную способность включения наибольшим пиком тока короткого замыкания, который аппарат способен включить, не повреждаясь. Если аппарат не включает тока, т. е. если короткое замыкание создается при уже включенном аппарате, то условия его работы легче, и максимально допустимый пик тока при замкнутых контактах в этом случае обычно выше предельной способности включения; он называется предельным сквозным током.
Предельная разрывная способность определяется условиями, имеющими место после расхождения контактов. ГОСТ 2933-45 и проект норм МЭК на автоматы рекомендуют выражать предельную разрывную способность действующим значением периодической составляющей тока. При этом ГОСТ- рекомендует указывать ток в последний период [«посредственно перед размыканием контактов, а МЭК — в момент размыкания контактов. Это последнее различие не является существенным. Такое выражение разрывной способности (без учета апериодической составляющей) допустимо, если при испытании и в эксплуатации имеются примерно одинаковые источники энергии и одинаковые постоянные времени цепи. Рекомендации, указанные в ГОСТ, могут, Например, применяться для аппаратуры, устанавливаемой в сетях промышленных предприятий, питаемых от трансформаторных подстанций, при условии, что испытание этой аппаратуры производится в цепи трансформаторов, питаемых от весьма мощных генераторов (порядка 10 000 та). Благодаря своей простоте эти рекомендации в некоторой мере оправданы. Однако при данной величине периодических составляющих апериодические составляющие при испытании и в эксплуатации могут быть разными, во-первых, из-за разной постоянной времени спадания и, во-вторых, из-за разной начальной величины апериодической составляющей. Дело в том, что при дайной величине периодической составляющей в момент появления дуги вследствие интенсивного спадания периодической составляющей ее начальная величина у генератора должна быть больше, чем у трансформатора, а следовательно, должна быть больше и начальная величина апериодической составляющей. Пусть, например, собственное время отключения равно около 0,05 сек (рис. 2-1). Тогда при одинаковом значении периодических составляющих в случае а амплитуда тока будет вдвое больше, чем в случае б. Одна и та же разрывная способность (выраженная действующим значением) может быть зафиксирована, когда фактически отключаемый ток в одном случае вдвое больше, чем в другом. Условия в случае а могут быть и легче, чем в случае б (§ 2-3). Путем жесткого регламентирования постоянных времени при испытании и выборе аппаратуры можно было бы устранить первую из вышеуказанных причин, вызывающих различные величины апериодических слагающих, но вторую устранить нельзя.
Для учета апериодической составляющей при испытании высоковольтных выключателей ГОСТ 687-41 {Л. 2-7], а также стандарты США на низковольтные и высоковольтные автоматы рекомендуют в качестве отключаемого тока принимать величину, определяемую по формуле
(2-17)
где /п—действующее значение периодической составляющей за первый период после расхождения контактов; /с а — среднее значение апериодической составляющей за первый период после расхождения контактов.
При этом в США принято, что для автоматов /е=1,25 /п.
Ток 1е довольно точно равен действующему (среднеквадратичному) значению полного тока короткого замыкания в течение одного периода после расхождения контактов. Так как в высоковольтных выключателях дуга может погаснуть не при первом прохождении тока через нулевое значение, то трудность гашения, обгорание контактов и т. п. в достаточной степени определяются действующим значением тока в течение целого периода. Совершенно иное положение имеет место при низком напряжении. Здесь дуга почти всегда гаснет при первом прохождении тока через нулевое значение или до этого момента, т. е. в течение первого полупериода после момента расхождения контактов. Действующее значение тока в течение полупериода не мо?кет определяться по (2-17). При малых значениях апериодической слагающей изменение ее очень мало сказывается на действующем значении полного тока, взятого для целого периода, и очень сильно влияет на действующее значение полного тока, взятого для одной полуволны. Поэтому определение разрывной способности, принятое для аппаратуры высокого напряжения, непригодно для аппаратуры низкого напряжения.
Большинство заводов низковольтной аппаратуры в настоящее время выражает разрывную способность максимальным мгновенным значением тока в той цепи, которую способен разомкнуть аппарат, начиная с момента времени, когда может появиться дуга Это значение лучше всего характеризует опасность отказа в работе из-за недопустимого оплавления контактов, появления затяжной дуги и чрезмерного увеличения объема ионизированных газов, которое может "вызвать перекрытие между частями, находящимися под напряжением.
При токах короткого замыкания обгорание контактов (выплавление и испарение отдельных значительных участков электродов, в особенности анода) происходит главным образом при максимальном значении тока. Небольшого снижения тока достаточно для резкого уменьшения обгорания (§ 3-7). Объем ионизированных газов в значительной степени определяется количеством металлических паров, наличие которых затрудняет гашение дуги. Возможность появления затяжной дуги, а также объем ионизированных газов существенно зависят от энергии, выделившейся в стволе дуги. Ее величина зависит от интенсивности гашения дуги. В случае интенсивного гашения дуга переменного тока гаснет до естественного прохождения тока через нулевое значение (как при постоянном токе, § 3-4). Энергия, выделившаяся в дуге, в данном случае определяется главным образом максимальным значением тока в дуге, так как ее главная составляющая часть является электромагнитной энергией контура.
В случае неинтенсивного гашения дуги падение напряжения на дуговом промежутке составляет небольшую долю напряжения сети; ток в дуге имеет лишь немногим меньшую величину, чем ток в цепи без дуги. Дуга в этом случае гаснет приблизительно при первом естественном прохождении тока через нулевое значение. Величина энергии, выделившейся в дуге, здесь зависит не только от максимального мгновенного значения тока, но также и от величины апериодической составляющей, поскольку последняя влияет на время между моментом появления дуги и естественным прохождением тока через нулевое значение. Поэтому при неинтенсивном гашении максимальное мгновенное значение тока не вполне определяет величину энергии, выделившейся в дуге. Однако какое-либо другое значение тока (например, действующее за полуволну) также не более точно определит эту энергию. Более точный учет влияния апериодической слагающей был бы очень сложен и недостаточно оправдан.
Ввиду изложенного лучше всего выражать разрывную способность максимальным мгновенным значением тока. Такое определение, помимо того, что оно наиболее правильно, еще и удобно, так как разрывная способность и v способность включения определяются однородными параметрами, легко получаемыми из осциллограмм.
1 Это же предусматривается и новым ГОСТ на методику испытания низковольтных аппаратов, который будет издан в 1962 г.
Вышеуказанное не исключает того, что иногда более точным может оказаться выражение разрывной способности действующим значением полного тока за целый период, как это практикуется для высоковольтных выключателей. Это справедливо для случаев, когда дуга не гаснет при первом прохождении тока через нулевое значение. Такое явление наблюдается в некоторых аппаратах. Так как в различных случаях разные факторы определяют трудность гашения дуги, то, вообще говоря, нельзя требовать, чтобы во всех случаях разрывная способность определялась одними и теми же величинами. Однако совершенно необходимо, говоря о разрывной способности, точно указывать, каким значением тока она выражается.
Для полной характеристики предельной коммутационной способности должно быть определено и время от начала короткого замыкания до появления дуги. Это надо для определения тока, который будет в установке к моменту появления дуги. Последнее нужно знать при выборе аппаратуры по ее разрывной способности и для оценки величины токов, которые вообще возможны в установке (в случае, если аппарат ограничивает величину тока благодаря быстродействию).
