Глава восьмая
ОТКЛЮЧЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННЫХ ЛИНИЙ (МАЛЫХ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ)
8-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При отключении ненагруженных линий, т. е. при обрыве выключателем емкостного тока относительно небольшой величины (десятки или сотни ампер), в них могут возникнуть перенапряжения, вызванные повторными пробоями промежутка между контактами выключателя.
В первом приближении с достаточной точностью отключаемый провод линии можно рассматривать как сосредоточенную емкость провода линии по отношению к земле, так как эта емкость в несколько раз превосходит емкость между проводами.
На рис. 8-1 показана приведенная схема отключения емкости С (фаза — земля) выключателем В от источника питания ограниченной мощности, т. е. обладающего конечной индуктивностью и емкостью Стр (обычно трансформатор).
Рис. 8-1. Эквивалентная схема отключения емкостного тока холостой линии.
Рис. 8-2. Характер изменения напряжения на отключаемой емкости (а) и на выключателе (б) с учетом индуктивности цепи со стороны питания.
Рис. 8-2. Характер изменения напряжения на отключаемой емкости (а) и на выключателе (б) с учетом индуктивности цепи со стороны питания.
При протекании емкостного тока линии через индуктивность источника Lтр в цепи возникает заметное падение напряжения и1. Из рис. 8-2, а видно, что за счет этого падения, которое находится в противофазе по отношению к падению напряжения на емкости ис, при отключении емкостной нагрузки ic в точке А (рис. 8-1) происходит скачок напряжения, равный амплитуде падения напряжения на индуктивности ULm.
Этот скачок сопровождается колебаниями с частотой, определяемой индуктивностью Lтр и емкостью Ст источника питания, т. е. yа емкости С после ее отключения (в точке Б), таким образом, остается напряжение
Напряжение иА в точке А будет изменяться далее по синусоидальному закону и величина этого напряжения очевидно будет равна э.д.с. источника. Напряжение на выключателе определяется разностью напряжений в точке Б и точке А и может быть представлено кривой (рис. 8-2,б).
Начальная средняя скорость восстановления напряжения, В/мкс, (за 1/4 периода собственных колебаний) на выключателе составит:
(8-1) а амплитуда напряжения на выключателе
(8-2)
Процесс гашения дуги в выключателе, вызванный емкостным током промышленной частоты, может оказаться более затяжным, когда емкость (линия) отключается от трансформатора малой мощности, т. е. когда индуктивность рассеяния трансформатора Lтр более значительна.
Рис. 8-3. Изменение напряжения на выключателе, если емкость отключается от источника бесконечной мощности (Lтр=0).
Для мощных трансформаторов начальная скорость подъема восстанавливающегося напряжения и амплитуда первого пика напряжения будут малы и отключение емкостного тока поэтому не вызывает трудностей. При очень мощных источниках можно полагать UL=0, так как падение напряжения в индуктивности Lтр от емкостного тока будет небольшим. В этом случае кривая восстанавливающегося напряжения на выключателе будет иметь вид, показанный на рис. 8-3, т. с. начальный скачок напряжения отсутствует, а амплитуда напряжения составит двойную амплитуду фазового напряжения (2Um). Для этого случая напряжение на зажимах выключателя во времени изменяется по закону
(8-3)
где ω — рабочая угловая частота.
Средняя скорость подъема восстанавливающегося напряжения на выключателе при нормальной рабочей частоте f=50 Гц будет равна:
(8-4)
Допустим, что промежуток выключателя не выдерживает этого напряжения и пробивается, когда напряжение на выключателе со стороны питания достигнет амплитудного значения, обратного по знаку. В промежутке выключателя возникает дуговой разряд, от которого емкость С начнет перезаряжаться на напряжение обратного знака с частотой
если пренеоречь влиянием емкости со стороны источника питания (Стр).
Рис. 8-4. Изменение напряжения на отключаемой емкости (линии) при повторном пробое промежутка выключателя.
Через половину периода свободных колебаний ток перезарядки будет проходить через нуль, и дуга в выключателе может быть погашена. Но в момент перехода тока перезарядки через пуль напряжение на емкости С будет проходить через максимум. На линии может остаться напряжение, равное — 3Um, как это можно видеть из рис. 8-4. Если предположить, что следующий пробой промежутка выключателя случится опять в наиболее тяжелый момент, когда напряжение источника на выключателе достигнет снова +Um, тогда напряжение на емкости может достигнуть величины, равной +5Um и т. д. При повторных пробоях промежутка выключателя в момент наибольшей разности потенциалов на нем на отключаемой емкости могут возникнуть весьма высокие перенапряжения, опасные для изоляции (трех-, пяти-, семикратные и т. д.).
Приведенные рассуждения носят, однако, теоретический характер, так как повторные пробои в дугогасительном промежутке выключателя происходят не обязательно на максимуме напряжения, а в большинстве случаев при промежуточных, более низких значениях напряжения. Кроме того, гашение дуги тока перезарядки очень редко происходит при первом же переходе этого тока через нуль вследствие большой крутизны кривой подхода тока к нулю при высоких частотах. Так как процесс перезарядки носит быстрозатухающий характер, то обрыв тока перезарядки на последующих полуволнах существенно снижает возможные перенапряжения.
Некоторые типы выключателей дают если не предельные, вытекающие из теоретических положений, то все же довольно значительные перенапряжения при отключении ненагруженных линий, доходящие до (3-3,5) Uфm.
Радикальной мерой борьбы с перенапряжениями, возникающими при отключении емкостных токов ненагруженных линий, является создание выключателей с такими дугогасящими разрывами, которые способны выдерживать восстанавливающееся напряжение на выключателе при отключении им емкостного тока без повторных зажиганий дуги. Это может быть достигнуто, когда электрическая прочность промежутка между расходящимися контактами в течение всего времени остается выше нарастающего напряжения. Здесь идет речь о так называемой холодной (бездуговой) прочности дугогасительной камеры выключателя.
Обычно дуга емкостного тока гасится легко, если линия отключается от мощного источника, так как последуговая скорость восстановления напряжения на выключателе при этом очень мала.
Рис. 8-5. Связь между характером нарастания холодной прочности и возможностью появления повторных пробоев.
При наличии высокочастотного «скачка» напряжения в начальной стадии восстановления напряжения, вызванного падением напряжения от емкостной нагрузки в питающем трансформаторе (рис. 8-2), могут иметь место негашения емкостного тока (рис. 8-5,а), если контакты выключателя начинают расходиться непосредственно перед переходом емкостного тока через нуль (точка 3 и отрезок времени t3). При этом возникнет затяжка дуги емкостного тока еще на один полупериод (50 Гц), которая не представляет каких-либо неприятностей для самого выключателя и элементов сети, наоборот, это обеспечит падежное гашение дуги в следующий переход тока через нуль в связи с образованием к этому моменту времени значительной величины холодной прочности (отрезок cd через 1/2 периода, рис, 8-5,а).
Как видно из рис. 8-5,а, надежное отключение при первом же переходе тока через нуль и отсутствие повторных пробоев обеспечиваются при начале размыкания контактов выключателя в точке 1 при времени упреждения размыкания контактов t1. В данном случае к моменту первого перехода тока через пуль в промежутке набирается значительная холодная прочность. После перехода отключаемого емкостного тока через пуль дуга гаснет, а последуговая прочность 0е промежутка быстро восстанавливается и достигает холодной прочности в точке е.
Таким образом, при размыкании контактов в точке 1 кривая восстановления прочности (0ef) на всем ее протяжении оказывается выше восстанавливающегося напряжения на выключателе, повторных пробоев не возникает, а следовательно, не возникает и перенапряжений.
Опасным является процесс восстановления прочности при моменте расхождении контактов в точке 2 с временем упреждения нуля тока t2. При этом не возникает повторного зажигания дуги емкостного тока, но в точке b возникает повторный пробой промежутка.
Пробой в точке b , находящейся вблизи максимума восстанавливающегося напряжения на выключателе, как было показано выше, может дать существенное перенапряжение на изоляции линии и оборудования, связанного с ней.
На рис. 8-5,б показан процесс отключения емкостного тока при более интенсивном нарастании холодной прочности промежутка для различных значений времени упреждения размыкания контактов. Как видно, ни один из процессов не дает повторных пробоев при восстановлении напряжения во второй четверти периода промышленной частоты. Имеется только вероятность повторного зажигания дуги в начальной стадии восстановления напряжения при размыкании контактов в точке 3, во это, как уже было показано, не дает каких-либо осложнений в процессе отключения. Таким образом, выключатель, работающий в режиме, указанном на рис. 8-5, б, не дает повторных пробоев, ведущих к появлению опасных перенапряжений при любых временах упреждения размыкания контактов.
При анализе явлений перенапряжений при отключении емкостных токов следует оперировать с нижней огибающей холодной прочности промежутка выключателя, поскольку необходимо учитывать наиболее вероятные условия возникновения повторных пробоев. В противоположность этому при отключении намагничивающих токов трансформаторов приходится считаться, как было показано ранее, с верхней огибающей холодной прочности, учитывая условия возникновения максимальных пиков перенапряжений при рассмотрении ограничивающего действия выключателя на уровень возможных перенапряжений.
Таким образом, если выключатель не дает повторных пробоев промежутка во время отключения емкостных токов, наибольшее напряжение на нем может достигать приблизительно двойной амплитуды фазового, а на отключаемой емкости около амплитуды фазового напряжения. При возникновении повторных пробоев в отключаемых цепях с емкостной нагрузкой могут возникать высокие, опасные для изоляции перенапряжения, которые представляют опасность также и для самого выключателя. Действительно, предположим, что во время отключения ненагруженной линии возникли значительные перенапряжения, приводящие к перекрытию гирлянд или вызывающие срабатывание трубчатых разрядников. Это означает, что в цени происходит короткое замыкание на землю, т. е. внезапно появляются ток короткого замыкания и мощная дуга, которая накладывается на маломощную дугу в выключателе при более или менее значительном расстоянии между дугогасительными контактами. Для некоторых типов выключателей, особенно масляных, такое наложение может привести к возникновению в выключателе чрезвычайно высоких импульсных давлений и к разрушению дугогасительных камер.
При наложении мощной дуги на маломощную (при значительном ее предварительном растяжении) создается эффект взрыва. При таких налагающихся процессах на практике имели место случаи, когда выключатели разрушались, производя операцию отключения малого емкостного тока, т. е. ненагруженной линии [Л. 57].
Рассмотрим, в чем заключается различие между нормальным отключением короткого замыкания и режимом накладывающегося короткого замыкания. Это различие, как было указано, особенно проявляется в масляных выключателях (жидкостных).
Когда выключатель нормально отключает короткое замыкание, то в его дугогасительных камерах с самого начала расхождения контактов возникает дуга с большим током. Дуга, разлагая масло, выделяет пары и газы, интенсивность образования которых увеличивается постепенно по мере роста ее длины. При этом, однако, необходимо иметь в виду, что дуговой столб теперь оказывается среди тазового пузыря, который изолирует жидкость (масло) от дугового столба и тем самым ограничивает разложение масла и выделение газов и паров. Кроме того, во время процесса гашения дуги часть масла вытесняется из дугогасящей камеры и освобождает объем для развития газового пузыря. При таких условиях давление в камере нарастает спокойно и конструкция не испытывает резких динамических нагрузок с высокими амплитудами.
Иначе обстоит дело, когда дуга с током короткого замыкания накладывается на дуговой процесс с малым током. Перекрытие изоляции и образование короткого замыкания происходят обычно, когда расстояние между контактами в выключателе достигает значительной величины (нескольких сантиметров и более).
Рис. 8-6. Давление в дугогасительной камере масляного выключателя при накладывающемся коротком замыкании в зависимости от тока короткого замыкания при различных расстояниях между контактами (по Акопяну).
Маломощная дуга из-за незначительной мощности, выделяемой ею, нс способна создать газовый пузырь большого объема, поэтому масло продолжает держаться вблизи дугового капала. Если теперь в зоне канала маломощной дуги возникает мощный разряд с током короткого замыкания в несколько тысяч или десятков тысяч ампер, то произойдет эффект, равносильный взрыву, так как близко примыкающее к дуговому каналу масло начнет бурно разлагаться и выделять газы при отсутствии достаточного объема для приема этих газов. Таким образом, неизбежно возникает импульс большого давления, который через несжимаемую жидкость передается на стенки дугогасительной камеры. Так, например, дугогасительная камера масляного выключателя (МКП), надежно отключавшая ток короткого замыкания около 13 000 А, разрушилась при накладывающемся токе короткого замыкания всего в 3 500 А.
На рис. 8-6 приведена зависимость давления в камере масляного выключателя 110 кВ (МКН-160) от величины амплитуды накладывающегося тока короткого замыкания для различных зазоров между контактами и S2.
Первичная дуга малого тока заменялась в этих лабораторных опытах тонкой плавкой проволокой. Испытательное давление такого рода камер составляет 6·106 Па. При номинальном значении отключаемого тока 13 000 А в процессе отключения обычного короткого замыкания давление в камере получается значительно ниже 6·106 Па.
При накладывающемся токе короткого замыкания 3 500 А давление превосходит испытательное, и уже при этом токе наблюдаются случаи разрушения дугогасительных камер. Совершенно очевидно, что не все типы выключателей так болезненно переносят накладывающиеся режимы коротких замыканий.
Рис. 8-7. Накладывающееся короткое замыкание при отключении трансформатора п режиме холостого хода.
Например, воздушные выключатели значительно легче переносят накладывающиеся токи коротких замыканий, чем масляные, по тем не менее все типы выключателей желательно проверять на работоспособность их в режиме накладывающегося короткого замыкания, так как в разрабатываемых конструкциях дугогасительных камер могут возникать непредвиденные явления, связанные с движением среды (волновые движения, закупорка сопл и пр.), которые не вызывают разрушения дугогасительных устройств, но могут снижать уровень отключающей способности выключателя. Явления накладывающихся коротких замыканий могут иметь место не только при отключении малых емкостных токов, но и при отключении малых индуктивных токов (токов холостого хода трансформаторов), как это показано на рис. 8-7.
