7-3. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ОТКЛЮЧАЕМОЙ ЦЕПИ С УЧЕТОМ ОГРАНИЧИВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
При рассмотрении процесса отключения малых токов предполагалось, что промежуток выключателя после среза тока достигает сразу же бесконечно высокой прочности. В связи с этим вся энергия, освобождаемая при срезе тока, за вычетом потерь в сердечнике и обмотке переходит в электростатическую энергию заряда емкости C1, параллельной отключаемой обмотке. При этом наибольший пик перенапряжения мог бы стать равным наибольшему возможному или так называемому ожидаемому перенапряжению.
В реальных условиях ожидаемые перенапряжения обычно никогда не достигаются ввиду того, что межконтактный промежуток выключателя обладает ограниченной холодной прочностью, которая в реальных типах выключателей существенно ниже, чем пики ожидаемых перенапряжений. Процесс отключения индуктивности с малым током будет реально протекать следующим образом: после среза тока электромагнитная энергия начинает переходить в электростатическую энергию заряда емкости C1 (рис. 7-2). Если предположить, что срез произошел на максимуме тока, т. е. при нуле напряжения на источнике, то напряжение на емкости C1 будет то же, что и напряжение на промежутке выключателя.
Последуговая прочность промежутка непосредственно после среза тока очень быстро восстанавливается до уровня холодной прочности, т. е. прочности, которая определяется расстоянием между расходящимися контактами и неионизированной средой, заполняющей межконтактный промежуток. Когда напряжение на емкости C1 достигнет холодной прочности, произойдет пробой промежутка дугогасительной камеры выключателя и емкость C1 начнет разряжаться на емкость С2. Процесс будет носить колебательный характер такого же вида, какой мы видели при анализе явления среза тока в выключателе. При одном из переходов высокочастотного тока через нуль процесс обрывается. Емкость C1 практически теряет свой заряд, но энергия в отключаемой индуктивности еще сохраняется на довольно высоком уровне, поэтому емкость C1 начинает снова заряжаться, стремясь достигнуть ожидаемого пика напряжения уже несколько меньшей величины, чем первый пик, так как часть энергии была израсходована после первого пробоя. Однако холодная прочность и в этот раз ограничивает напряжение на емкости С1, поэтому снова произойдет пробой, но уже при более высоком напряжении, чем в первый раз, так как за время, прошедшее между первым и вторым пробоями, холодная прочность успеет несколько возрасти за счет увеличения расстояния между контактами. Таким образом, процесс будет повторяться неоднократно, иногда десятки раз до тех пор, пока холодная прочность не превысит амплитуды ожидаемого напряжения на отключаемой индуктивности. Далее следуют свободные колебания напряжения в контуре с затуханием, определяемым потерями в сердечнике и активном сопротивлении обмотки и цепи.
На рис. 7-7 графически показана последовательность описанных явлений. Пунктирной заштрихованной кривой в данном случае показана верхняя огибающая нарастающей холодной прочности, поскольку она определяет наивысшие значения перенапряжений. Дело в том, что холодная прочность имеет некоторый, а иногда и довольно значительный разброс, следовательно, во времени ее можно характеризовать верхней и нижней огибающими.
Уровень возникающих па трансформаторе максимальных перенапряжений в этом процессе будет характеризовать верхняя огибающая величии холодной прочности промежутка выключателя.
Чтобы перенапряжения в отключаемом контуре лежали в приемлемых пределах, необходимо возможно низкое расположение кривой холодной прочности. Стремление ее поднять может привести к опасным воздействиям на изоляцию при отключении индуктивных токов.
Снижение уровня холодной прочности ниже известного предела невозможно из-за того, что выключатель должен выполнять и другие функции, которые требуют, наоборот, повышения уровня холодной прочности промежутка. Например, требование отключения зарядных токов холостых линий без повторных пробоев промежутка выключателя (см. ниже) приводит к необходимости повышения холодной прочности и скорости ее нарастания, особенно в течение первого полупериода, т. е. за 0,01 с.
Рис. 7-7. Изменение напряжения на индуктивности (выключателе) при различных характерах нарастания холодной прочности разрыва выключателя.
Если противоречивые требования к уровню холодной прочности в выключателе не удается согласовать, то возможен еще путь шунтирования выключателя активным сопротивлением или установки на отключаемом трансформаторе защитного вентильного разрядника. И то и другое приводит к дополнительным затратам на оборудование. Так, установка шунта на выключатель требует, во-первых, изготовления самого шунта, во-вторых, в этом случае необходимо предусматривать дополнительный разрыв ДР (на выключателе), отключающий ток шунта (рис. 7-8).
Рис. 7-8. Схема отключения индуктивного тока при наличии шунтирующего сопротивления.
На рис. 7-8 показана схема выключателя с шунтирующим сопротивлением на его разрыве, которая в принципе получается той же самой, что и приведенная ранее схема с учетом потерь в трансформаторе (рис. 7-2). Если считать, что срез происходит на максимуме тока, г. е. при Uq—Q согласно (7-8), то напряжение на выключателе
Интересно сравнить это значение максимума напряжения на выключателе (и па обмотке трансформатора) с тем значением, которое возникает при условии, если пренебречь в схеме емкостью, т. с. положить C1=0. В этом случае ток, текущий через шунт, в первый момент после среза будет согласно закону Ленца равен току среза, а напряжение на индуктивности поднимается до уровня, необходимого для поддержания неизменного тока в цепи с шунтом.
Рис. 7-9. Изменение напряжения на выключателе при шунтировании его критическим сопротивлением с учетом и без учета емкости на отключаемом объекте.
где Uн — номинальное линейное напряжение сети, кВ.
Хорошей мерой борьбы с перенапряжениями, возникающими при отключении трансформаторов, является применение вентильных разрядников (рис. 7-10). Современные разрядники имеют высокое защитное действие, обладают сравнительно низким пробивным напряжением искровых промежутков и значительной теплоемкостью рабочих сопротивлений, в результате чего энергия, запасенная в трансформаторе, при срезе тока может быть поглощена разрядником без всяких опасных последствий для него. Однако надежная защита трансформаторов при помощи разрядников от коммутационных перенапряжений может быть осуществлена только при помощи установки на каждом трансформаторе индивидуальных разрядников. Такова практика, получившая за последние годы широкое распространение в США.
Рис. 7-10. Схема отключения малого индуктивного тока при защите отключаемого объекта вентильным разрядником.
Таким образом, как было показано, при отключении малых индуктивных токов возникает ряд явлений, которые необходимо учитывать при проектировании выключателей. Если на отключаемых трансформаторах не предусмотрена установка защитных вентильных разрядников, которые представляют собой надежное средство защиты от перенапряжений, возникающих при отключении токов холостого хода трансформатора, то вновь разрабатываемый выключатель должен быть испытан в режиме отключения малых индуктивных токов и в случае необходимости снабжен шунтирующим защитным активным сопротивлением.
