Глава седьмая
ПРОЦЕССЫ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ МАЛЫХ ИНДУКТИВНЫХ ТОКОВ
7-1. ТОК «СРЕЗА»
При отключении выключателем переменных токов выше 100 А в зависимости от типа выключателя гашение дуги обычно происходит при переходе тока через его естественное нулевое значение, т. е. когда запас электромагнитной энергии в отключаемом контуре практически равен нулю. В таком режиме опасных перенапряжений в цепи обычно не возникает и восстанавливающееся напряжение на выключателе, как правило, не превосходит двойного амплитудного напряжения сети.
При отключении токов менее 25 А (действующее значение) выключателем с высокой отключающей способностью могут иметь место «срезы» тока, т. е. резкие спады его к нулю задолго до естественного прохода через нуль, как это показано на рис. 7-1.
Рис. 7-1. «Срез» переменного тока при i=i0.
По данным [Л. 53] при отключении токов холостого хода трансформаторов, величина которых не превышает 10 А (действующее значение), с помощью воздушного выключателя срез тока может иметь место при любом мгновенном значении тока вплоть до амплитудного (15 А). Вопрос о срезах малых токов обычно связывают с индуктивными цепями, поскольку срезы тока в этих случаях приводят к существенным перенапряжениям вследствие освобождения значительного количества энергии, запасенной в индуктивностях (обмотках трансформаторов, реакторов и пр.).
Рис. 7-2. Эквивалентная схема при отключении малого индуктивного тока.
Природа явления среза тока еще не изучена надлежащим образом, однако было показано, что срез тока появляется в результате наложения на синусоиду тока промышленной частоты, текущего через дугу, высокочастотных колебаний [Л. 54, 55], обусловленных емкостями цепи C1 и С2, расположенными по ту и другую стороны от выключателя, и индуктивностью локального контура Lк, связывающего между собой эти емкости (рис. 7-2).
Результирующая емкость рассматриваемого контура
Так как индуктивность Lк контура, связывающего между собой емкости C1 и С2, может быть величиной малой, то частота fθκ достигает значительных величин (тысяч и десятков тысяч герц). Амплитудные значения высокочастотных токов, как показывает анализ реальных условий, могут превосходить мгновенные значения токов промышленной частоты, поэтому при противоположных направлениях накладывающихся токов возможны образования нулевых значений тока и, следовательно, погасание дуги до естественного перехода тока через нуль.
Основной причиной возбуждения колебаний в контуре LкC является, по-видимому, резкое изменение напряжения на дуге (сопротивления дугового канала), вызываемое активной деионизацией дугового промежутка выключателя. Во многих типах выключателей деионизирующее действие среды сопровождается импульсными воздействиями, т. е. носит неоднородный характер, резко изменяющийся во времени. Резкие изменения напряжения на дуге являются причиной появления токов высокой частоты в контуре С1LкС2. В различных типах выключателей импульсные воздействия на дуговой столб, вызывающие резкие изменения напряжения на дуге, могут явиться следствием самых разнообразных причин. Например, в воздушных выключателях воздушный поток в дугогасительном сопле сопровождается появлением вихрей, проникающих в зону дугового столба и вызывающих колебание напряжения на дуге. В масляных выключателях дуговой столб может приходить то в более, то в менее тесное соприкосновение с маслом и вызывать тем самым резкие изменения напряжения на нем. Особенно эти воздействия проявляются при малых токах, когда диаметр дуги мал и, следовательно, дугогасящая среда (масло) может приходить в более активное взаимодействие с дуговым столбом.
Некоторые типы выключателей почти не имеют возбуждающих (резких) воздействий на дуговой столб, и это приводит к ограничению колебаний напряжений на нем и уменьшению величины тока среза, а следовательно, и к уменьшению перенапряжений в отключаемой цепи.
Возможно, что в некоторых случаях образованию высокочастотных колебаний, накладывающихся на ток дуги при отключении малых индуктивных токов, может способствовать отрицательная (падающая) вольт-амперная характеристика дуги [Л. 9].
На заре развития радиотехники электрическая дуга в цепях, содержащих индуктивность и емкость, использовалась для получения генераторов незатухающих высокочастотных колебаний. В современных мощных выключателях с независимым от тока дутьем (воздушные, газовые) напряжение на дуге очень мало зависит от тока и за полупериод переменного тока остается практически постоянным. Вследствие этого эффект падающей характеристики в этих случаях может и не проявляться, хотя воздушные выключатели весьма склонны к образованию срезов тока.
Какой из рассмотренных выше причин принадлежит ведущая роль в образовании срезов токов дуги достаточно определенно сказать пока нельзя, но наиболее вероятной причиной являются высокочастотные накладывающиеся колебания тока в локальных контурах.
Способность вызывать срезы тока у выключателя наилучшим образом характеризуется зависимостью тока среза от действующего значения отключаемого тока. Зависимость тока среза от отключаемого тока индуктивной цепи (трансформатор с индуктивной вторичной нагрузкой) показана на рис. 7-3, на котором изображены две кривые: 1 — для цепи с собственной емкостью трансформатора С1=0,012 мкФ; 2 — для той же цепи, но с дополнительно подключенной емкостью 0,018 мкФ. Когда емкость, подключенная параллельно C1, растет (рис. 7-2), величина тока среза также увеличивается. Это может быть объяснено следующим образом. С ростом емкости C1 растет результирующая емкость С локального контура (С1LкС2) и уменьшается резонансная частота колебаний этого контура, а амплитуда тока при всех прочих равных условиях возрастает. С ростом амплитуды тока высокой частоты растет и ожидаемый ток среза. Диаграмма на рис. 7-3 показывает, что для данного типа воздушного выключателя ток среза в начале кривых 1 и 2 растет по прямой 3, а это значит, что срез может происходить при амплитудном значении отключаемого тока до некоторого предела (8—10 А). При дальнейшем увеличении отключаемого тока рост тока среза замедляется, а при последующем увеличении отключаемого тока ток среза должен уменьшаться и в конечном итоге стремиться к нулю (эта зона на рис. 7-3 не показана).
Рис. 7-3. Зависимость тока «среза» от действующего значения отключаемого тока (по Юнгу).
А. Юнг не показал уменьшения тока среза до 50 А (действ.). По его данным, в этой зоне ток среза еще продолжал нарастать, хотя, как известно, при токах отключения 150—200 А и выше срезы тока уже не возникают даже в области, непосредственно примыкающей к нулевой паузе тока.
Зависимость тока среза от емкости С1, шунтирующей выключатель, и результирующей емкости
была подтверждена исследованиями И. Н. Улиссовой [Л. 54, 55].
На рис. 7-4 показана зависимость тока среза от результирующей емкости С при отключении индуктивного тока 30—150 Λ воздушным выключателем.
Опытным путем было установлено, что при изменении результирующей емкости в пределах 0,01—0,3 мкФ ток среза описывается эмпирической формулой
где k — коэффициент, зависящей от конструкции дугогасительной камеры и действующего значения отключаемого тока. Для кривой, изображенной на рис. 7-4, k~100.
Рис. 7-4. Величина тока среза воздушного выключателя в зависимости от результирующей емкости С, см. рис. 7-2 (по Улиссовой).
При
мкФ токи среза с ростом результирующей емкости увеличиваются весьма незначительно.
На рис. 7-5 показаны полученные И. Н. Улиссовой зависимости тока среза от действующего значения тока отключения для воздушного выключателя ВВ-10. Эти данные находятся в некотором противоречии с данными А. Юнга за пределами начальной прямой роста тока
среза. Как было показано в [Л. 54], ток среза находится также в зависимости от давления воздуха в гасительной камере.
Рис. 7-5. Зависимость мгновенного значения тока среза воздушного выключателя от действующего значения отключаемого тока для различных емкостей С1.
При результирующей емкости С=0,011 мкФ ток среза изменяется от 10 до 20 А при изменении давления от 3-105 до 1,5·106 Па.
