Дуговые процессы при коммутации - Мгновенное значение возвращающегося напряжения на полюсе выключателя

6-6. МГНОВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВОЗВРАЩАЮЩЕГОСЯ (ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ) НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЮСЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ И ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СЛУЧАЕВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЕТИ

При определении восстанавливающегося напряжения в различных случаях отключения цепей переменного тока мы пользовались величиной u0, т. е. значением напряжения промышленной частоты в момент перехода тока через нуль. Это напряжение часто называют возвращающимся напряжением; оно представляет собой напряжение, которое в переходном процессе стремится появиться на разомкнутом полюсе выключателя, находящемся в наиболее тяжелых условиях. В начальной стадии этого переходного процесса (первые периоды собственной частоты) обычно полагают U0, как было видно ранее, величиной постоянной.
Величина U0 для однофазных цепей зависит прежде всего от угла сдвига фаз между током и напряжением. При чисто реактивном сопротивлении цепи этот угол близок к 90°, поэтому U0 определяется в основном амплитудой фазового напряжения. При значительной величине активного сопротивления в цепи угол сдвига фаз φ<90°, следовательно, и U0 составит величину, меньшую амплитуды фазового напряжения. Влияние сдвига фаз может быть учтено синусом угла согласно (6-39).
Значение восстанавливающегося напряжения U0 на полюсе трехфазного выключателя зависит в сильной степени от рода короткого замыкания. Эта зависимость может быть учтена так называемым коэффициентом схемы Кс. Коэффициент схемы теоретически лежит в широких пределах. Он характеризует род короткого замыкания (однофазное, двухфазное, трехфазное), состояние нейтрали системы (заземлена или нет), возможность образования двойных коротких замыканий, возможность работы выключателя в условиях противофазы. Общий диапазон изменения величины Кс при всех теоретически возможных случаях составляет 0,86—3.
Низший предел Кс=0,86 соответствует случаю, когда выключатель отключает двухполюсное короткое замыкание без земли. Этот случай не имеет самостоятельного значения для трехфазных выключателей. Наивысшее значение коэффициента Кс=3 относится к случаю работы выключателя в режиме противофазы. Практически наибольшее значение Кс нет оснований принимать равным 3 и обычно принимают Кс=2, при учете работы выключателя в режиме противофазы.

Напряжение U0 может также зависеть от величины магнитного потока в генераторе в момент размыкания цепи. Во время короткого замыкания за счет реакции якоря генератора магнитный поток в генераторе может уменьшиться и в момент разрыва цепи э. д. с. генератора стать значительно меньше номинального напряжения. При применении быстродействующих регуляторов напряжения имеет место форсировка возбуждения машины и практически уменьшения магнитного потока может не произойти. В общем случае изменение магнитного потока может быть учтено с помощью коэффициента т.
Таким образом, восстанавливающееся напряжение на фазе выключателя в момент перехода тока через нуль
(6-39)
При расчетах восстанавливающихся напряжений обычно исходят из условий достаточно типичных и в то же время достаточно жестких для выключателя.
Поэтому следует принимать угол сдвига между током и э.д с. источника равным 90°, a sinφ=l. Обычно считают, что для мощных генераторов снижения напряжения за счет размагничивания генераторов при коротких замыканиях не происходит. Для энергетических установок это весьма близко к действительности. В отдельных случаях размагничивающее действие реакции якоря может быть учтено по декрементным кривым. Для нормальных расчетов восстанавливающегося напряжения следует полагать m=1. В среднем такой подход обеспечивает некоторый запас надежности.
Коэффициент схемы Кс, как уже отмечалось, зависит от рода короткого замыкания, наличия заземления в схеме, места замыкания и т. п. На рис. 6-18 изображена трехфазная система с заземлением нейтрали и показаны три случая короткого замыкания: однополюсное замыкание на землю (рис. 6-18, а), двухполюсное без земли (рис. 6-18,б) и трехполюсное без земли (рис. 6-18,в), т. е. замыкания на землю в месте повреждения нет. В этих случаях мгновенное значение восстанавливающегося напряжения без учета прочих условий составит:
для однополюсного замыкания

для двухполюсного замыкания
для первой рвущей фазы трехполюсного замыкания

Рис. 6-18. Различные виды короткого замыкания за выключателем в трехфазной цепи.
Поясним, почему при трехфазном отключении на первой гасящей фазе восстанавливающееся напряжение


Рис. 6-19. Величина мгновенного значения возвращающегося напряжения на первой рвущей фазе выключателя.

Однако случай трехфазного короткого замыкания без земли представляет собой явление чрезвычайно редкое и почти невероятное. Обычно в воздушных линиях перекрытие фаз наиболее вероятно на опорах и возникающая при этом дуга, как правило, замкнет провода линии на землю. Таким образом, трехфазное замыкание распадается на три однофазных с восстанавливающимся напряжением в каждом полюсе, равном.
Для оценки U0 при трехфазных замыканиях для систем с заземленной нейтралью берут Кс=1,3 вместо Кс=1,5, так как при трехфазном замыкании в месте замыкания возникает земля, а отсутствие заземления у части трансформаторов приводит к смещению нейтрали.
В электрических сетях имеют место случаи, когда В системе с незаземленной нейтралью при двойном замыкании на землю (на одной фазе после выключателя, а на другой до выключателя) Кс=1,73 (рис. 6-20), т. е. выключатель фазы 7 будет отключать короткое замыкание с восстанавливающимся напряжением, равным линейному. Однако этот режим обычно не учитывают, так как он весьма маловероятен и относится к сетям с изолированной нейтралью, которые в СССР в настоящее время почти не применяются (при 110 кВ и выше). В СССР для глухозаземленных систем рекомендуется принимать наибольшее восстанавливающееся напряжениепри нормальном испытании одного полюса, трехфазного выключателя, т. е. при номинальном токе отключения, приписанном выключателю. При этом под Uф следует понимать действующее значение наибольшего рабочего фазового напряжения системы.
Для более низких напряжений (35 кВ и ниже) нейтрали трансформаторов и генераторов или не заземляются вовсе или если и заземляются, то через относительно высокое сопротивление (не глухо). Очевидно, что выключатели, предназначенные для таких сетей, должны испытываться при более высоком значении мгновенного восстанавливающегося напряжения U0. Для таких систем обычно принимается для испытания одного полюса выключателя, а трехполюсный выключатель должен испытываться в трехфазном режиме с максимальным возвращающимся линейным напряжением, равным

Рис. 6-20. Двойное короткое замыкание в цепи, отключаемое одним полюсом выключателя.

Рассмотрим процесс восстановления напряжения на первой рвущей фазе выключателя при отключении коротких замыкании в режиме противофазы.

Некоторые высоковольтные выключатели, установленные на линиях связи систем, по условиям своей работы могут попадать в режим отключения противофазы, т. е. когда векторы напряжения одной системы повернуты относительно векторов другой системы приблизительно на 180° и в цепи возникают сверхтоки, определяемые результирующим напряжением и суммарным индуктивным сопротивлением обеих систем X1 и Х2 (рис. 6-21). Если выключатель отключает режим полной противофазы, т. е. когда векторы напряжений систем разойдутся на 180°, то, очевидно, восстанавливающееся напряжение на зажимах первой рвущей фазы выключателя может составить двойную величину по отношению к нормальному трехфазному режиму короткого замыкания, т. е. для систем, не имеющих заземленных нейтралей:

а для систем с эффективно заземленными нейтралями напряжение на первой рвущей фазе в режиме противофазы
Эти соотношения имеют теоретический интерес и в реальных условиях возникают редко, так как для удвоения напряжения необходимо, чтобы системы имели полную противофазу, а также, чтобы мощности систем или их индуктивные сопротивления были равны между собой. Для систем с эффективно заземленными нейтралями при испытании выключателей в режиме противофазы следует принимать Кс=2, т. е.

где Uфm — фазовое максимальное рабочее напряжение.
Следует учитывать, что в режиме противофазы отключаемый ток оказывается существенно меньшим, чем 
Предельный отключаемый ток выключателя. Не трудно показать, что при равенстве индуктивных сопротивлений систем Χ1=Χ2 и при полной противофазе ток в режиме противофазы составит 50% тока короткого замыкания двух систем при параллельном их соединении. Это следует из следующих рассуждений.
При параллельном соединении систем, имеющих равные реактивные сопротивления X=Χ1= Χ2

В режиме противофазы (последовательное соединение)
(6-40)
В действительности ток в режиме противофазы получается значительно меньшим, так как индуктивные сопротивления систем никогда не бывают равными, а полная противофаза обычно не возникает. Практика показывает, что вполне достаточно производить проверку выключателя применительно к условиям его работы в режиме противофазы при токе, равном 0,25 номинального отключаемого тока, т. е.(6-41)
При этом может возникнуть вопрос, следует ли выбирать выключатель, стоящий на линии связи двух систем, на суммарную мощность короткого замыкания двух систем или достаточно выбрать его на наибольшую мощность одной из систем. Последний случай возникает только при одноцепной связи. При двухцепной связи систем выключатели, находящиеся по концам линии в каждой цепи, могут попадать в режим отключения и полной мощности двух систем при их параллельном соединении и в режим их противофазы (рис. 6-22). Например, когда одна из двух линий отключена (выключатель разомкнут), выключатель В3 может отключать суммарную мощность двух систем при коротком замыкании за ним, а выключатели B1 и В2 могут работать в режиме противофазы. 

Может возникнуть и другая комбинация, когда другая линия будет отключена. В этом случае суммарная мощность двух систем будет отключаться выключателями B1 или В2, а режим противофазы — выключателями В3 или В4.

Рис. 6-22. Двухцепная связь систем, в которой каждый из выключателей должен быть способен отключать и режим противофазы (а), и суммарный ток короткого замыкания двух систем (б).

Таким образом, каждый из приведенных на рис. 6-22 выключателей может оказаться в режиме отключения суммарной мощности и в режиме противофазы, т. е. выключатели, устанавливаемые на линиях связи систем, принципиально могут работать в режиме противофазы. В этом режиме, однако, выключатель должен отключать сравнительно небольшой ток (порядка 25% его номинального тока отключения), но на его контактах может восстанавливаться более высокое напряжение, чем при отключении обычных трехфазных коротких замыканий (может быть равнои более и теоретически может достигать 2,6 при эффективно заземленных ипри изолированных нейтралях систем).
В СССР нет установленных нормативов на испытание выключателей в режиме противофазы, поэтому необходимо установить определенные требования для выключателей, которые могут попасть в режим отключения противофазы.
Все больший интерес приобретает вероятностный (статистический) подход к оценке и выбору условий испытания выключателей на отключающую способность. 

Инициаторами такого подхода к проблеме испытаний выключателей являются советские ученые В. В. Каплан и В. М. Нашатырь [Л. 52]. Как было показано ими на примере маломасляных выключателей, если на основе большого количества опытов отключения построить кривую вероятности негашеная (отказов в гашении) р в функции напряжения для полюса выключателя, то эта функция практически будет иметь нормальный закон распределения. Вероятность негашения р представляет собой отношение числа отказов полюса выключателя к общему числу опытов при постоянном восстанавливающемся напряжении yа полюсе выключателя и при сохранении постоянными всех прочих условий работы аппарата.

Рис. 6-23. Характер функции вероятности негашения дуга в выключателе от напряжения.

На рис. 6-23 показана функция вероятности погашения от напряжения. В области I дуга гасится устойчиво. В области III, наоборот, возникает устойчивое негашение дуги. В области II имеет место неустойчивый процесс, т. е. налицо и гашения, и отказы в гашении. Например, в точке А только половина опытов даст удовлетворительный результат, а вторая половина — неудовлетворительный, т. е. негашение. С повышением напряжения от U0,5 вероятность негашения будет повышаться, достигая практически 1.
Имея такие функции для отдельных типов выключателей, можно получить весьма важные заключения при установлении так называемых эквивалентных режимов для испытания выключателей.
Рассмотрим пример, наглядно иллюстрирующий выводы, вытекающие из условий эквивалентности испытания одного полюса (фазы) трехфазного выключателя при вероятностном подходе.
Ранее было показано, что один полюс трехфазного трехполюсного выключателя при незаземленной нейтрали должен подвергаться испытанию на отключающую способность при восстанавливающемся напряжении, равном 1,5 Uф, так как в трехфазном режиме первый рвущий полюс воспринимает именно такое восстанавливающееся напряжение.

Однако, если обратиться к функции вероятностного распределения, можно убедиться, что при таком напряжении па полюс (1,5 Uф) вероятность негашения дуги в одном полюсе равна р1.
В трехфазном режиме, когда работают три фазы выключателя, вероятность негашения всего трехполюсного выключателя, очевидно, будет равна произведению вероятностей отдельных полюсов, т. е.. Так как, то, следовательно, р3 тем более меньше единицы, т. е.Физическая сущность этого явления заключается в том, что при отключении трехфазного короткого замыкания трехполюсным выключателем все три фазы взаимно резервируют друг друга. Если одна из них не обеспечивает гашения дуги при 1,5 Uф, то это может сделать другая, следующая по порядку чередования фаза или третья. В результате общая вероятность негашения существенно снижается при участии всех трех фаз в процессе отключения.
Таким образом, если мы желаем поставить один плюс выключателя при его испытании в условия равновероятных негашений, то он должен испытываться не при 1,5 Uф, как показывает формальная логика, а при напряжении ниже Uф.

Рис. 6-24. Функция вероятности негашения дуги в элементе масляного выключателя от напряжения, рассчитанного на номинальное напряжение 10 кВ.

В [Л. 52] дан численный пример, основанный на интегральной функции распределения дугогасящей способности маломасляного выключателя (одного элемента) по напряжению (рис. 6-24). Для этого элемента выключателя Uф=10 кВ. Для U=1,5Uф=15 кВ вероятность негашения составляет p1=0,27, а для трехполюсного p3=—0,273—0,02. Если по кривой на рис. 6-24 определить вероятность негашения для фазового напряжения Uф=10 кВ, то она оказывается равной 0,11, т. е. в 5 раз выше вероятности негашения полюсов трехполюсного выключателя в трехфазном режиме. Отсюда вытекает вывод, что испытание на отключающую способность одного полюса трехфазного выключателя при напряжении 1,5 Uф или даже 1,3 Uф является чрезмерно тяжелым и не отражающим истинную картину работы полюсов выключателя в трехфазном режиме.
Таким образом, вероятностный подход дает возможность понять и объяснить те наблюдающиеся явления, которые ранее казались аномальными.
Вероятностный подход к оценке эквивалентности условий испытания выключателей и их элементов на отключающую способность еще не получил широкого распространения на практике, но несомненно, что он будет завоевывать все более широкое признание по мере накопления опыта исследования различных типов дугогасящих систем высоковольтных выключателей.