Глава первая
РАЗЛИЧНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИ
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ РАЗМЫКАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
1-1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Под размыканием электрических цепей обычно понимается переходный процесс, при котором ток цепи изменяется от какого-то определенного его значения до нуля. В конечной стадии размыкания цепи между контактами отключающего устройства возникает промежуток, который кроме нулевой проводимости должен также получить достаточно высокую электрическую прочность, чтобы противостоять действию восстанавливающегося на нем напряжения цепи.
Обычно стремятся к тому, чтобы процесс размыкания цепи совершался по возможности быстро. Для этой цели служат специальные коммутационные аппараты (выключатели, автоматы, контакторы, предохранители, выключатели нагрузки и др.). Сложность устройств этих аппаратов зависит от требований, предъявляемых к ним в отношении уровней рабочих напряжений, величин номинальных токов и токов короткого замыкания, уровней возникающих перенапряжений, "жесткости» цепей", атмосферных условий, степени быстродействия и пр.
Принципиально возможны следующие способы размыкания электрических цепей постоянного и переменного тока.
1. Простое дуговое размыкание электрических цепей
К этой группе мы относим такие способы размыкания электрических цепей постоянного и переменного тока, при которых не принимаются какие-либо специальные дополнительные меры для ограничения величины тока в цепи перед размыканием контактов или специальные меры для уменьшения энергии дуги в дуговом промежутке выключателя.
При таком способе размыкания условия разрыва цепи обеспечиваются самой дугогасительной камерой отключающего аппарата за счет создания необходимой электрической прочности промежутка при переходе тока через нуль (переменный ток) или достижения достаточного значения напряжения на дуге (постоянный ток).
* Сочетание постоянных цепей L, С и R, от которых зависит скорость восстановления напряжения.
При дуговом отключении контакты аппарата могут размыкаться при любой фазе тока, протекающего в цепи, поэтому контакты и элементы дугогасительной камеры должны быть рассчитаны на воздействие дуга относительно большой мощности и энергии.
2. Ограниченно-дуговые размыкания электрических цепей
К такого рола способам отключения можно отнести такие, при которых до начала размыкания цепи в нее вводится относительно большое активное иля реактивное сопротивление, благодаря чему ток в цепи снижается довольно значительно по сравнению с его значением, существовавшим до начала ограничения.
Коммутационный аппарат размыкает остающийся в цепи ограниченный ток. При этом на контактах возникает дуга ограниченной мощности и гашение дуги остающегося тока представляет собой более простую задачу, чем если бы ток не был ограничен.
Условно к этой же группе мы относим и такие способы отключения, при которых фаза размыкания тока строго фиксируется или время горения дуги на контактах ограничивается какими-либо специальными мерами, например вентильными приборами и пр.
3. Бездуговое размыкание электрических цепей
Процесс размыкания электрических цепей в данном случае характеризуется тем, что дуговой разряд на главных контактах не возникает совсем или возникает в виде весьма кратковременной неустойчивой дуги за счет влияния индуктивности и взаимной индуктивности контуров, Такого типа размыкание цепей обычно достигается с помощью мощных вентилей (игнитронов, кремниевых диодов или тиристоров), применяемых в качестве шунтирующих элементов главных контактов выключателя.
Ниже рассмотрим более подробно перечисленные способы размыкания электрических цепей. Постараемся оценить преимущества и недостатки этих способов с точки зрения современных представлений о процессах коммутации и возможности использования тех или других технических средств и достижений науки, Некоторые виды воздействий на электрическую цепь, вызывающие ее разрыв (эти виды приведены ниже), могут показаться относящимися к области фантастики, но то, что теперь кажется нереальным, может получить широкое применение в будущем. Некоторые забытые идеи, не нашедшие применения во время их возникновения, могут также приобретать иную оценку в настоящем и будущем в связи с изменением условий их реализации и использования. Наука и техника развиваются быстрыми темпами, и это необходимо всегда учитывать при прогнозировании путей технического развития отдельных областей техники.
1-2. ПРОСТОЕ ДУГОВОЕ РАЗМЫКАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Если напряжение и ток источника цепи превосходят определенные критические величины, то на контактах электрического отключающего аппарата при их размыкании возникает устойчивый дуговой разряд (рис. 1-1). При дальнейшем расхождении контактов
или выдувании дуги в дугогасительной камере отключающего аппарата создаются условия неустойчивого горения дуги и она может быть погашена. С ростом напряжения и тока цепи трудности создания условий неустойчивого горения дуги быстро возрастают. При напряжениях, достигающих тысяч и десятков тысяч вольт, и относительно больших токах (тысячи ампер) па контактах отключающего аппарата возникает очень мощная дуга, для гашения которой, а следовательно, и разрыва цепи должны приниматься меры, ведущие к использованию более или менее сложных дугогасительных устройств. Особенно значительные трудности возникают при отключении цепей постоянного тока высокого напряжения. Значительные трудности также приходится преодолевать при обрыве токов короткого замыкания в цепях переменного тока за короткие отрезки времени (сотые и тысячные доли секунды), оборудования от термических воздействий токов короткого замыкания, защиты контактов и дугогасительных камер отключающих аппаратов от разрушительного действия мощной дуги.
Рис. 1-1. Простое дуговое размыкание электрической цепи.
Быстрый обрыв цепи и ликвидация возникающих коротких замыканий в электрических установках диктуются рядом обстоятельств и в первую очередь необходимостью сохранения устойчивости работы систем, защиты проводов и быстрая ликвидация дуги при размыкании цепи имеет также большое значение и в аппаратах цепей управления низкого напряжения, которые обычно предназначаются для очень больших чисел коммутационных процессов. Сокращение длительности горения дуги ведет к уменьшению обгорания контактов я других элементов аппарата, а следовательно, к увеличению его срока службы.
Однако очень быстрая ликвидация дуги может привести к возникновению очень больших перенапряжений в цепи, так как дуга при размыкании цепи поглощает электромагнитную энергию, запасенную в контуре, которая могла бы перейти в электростатическую энергию перенапряжений.
Таким образом, дуговой разряд в отдельных случаях может играть и положительную роль. С этим необходимо считаться.
Проблема создания надежных быстродействующих отключающих аппаратов высокого и низкого напряжения прежде всего упирается в правильное решение вопроса гашения дуги в них. Отключение электрических цепей низкого и высокого напряжения с образованием мощной дуги на контактах аппаратов представляет собой сложный процесс, изучению которого посвящено огромное количество теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок. Существует большое число методов гашения электрических дуг переменного и постоянного тока, которые находят применение на практике в зависимости от уровней рабочих напряжений, величин токов, жесткостей цепей, требуемых времен действия отключающих устройств, условий безопасности и пр. В настоящее время простые дуговые отключения представляют собой пока еще основной путь, по которому продолжает идти техника коммутационных аппаратов переменного и постоянного тока высокого и низкого напряжения.
Другие пути размыкания электрических цепей, направленные на ограничение токов и времени горения дуг, возникающих на контактах аппаратов, или даже полную ликвидацию дуги при размыкании цепи, несомненно представляют существенный интерес с точки зрения развития энергосистем. Некоторые из указанных ниже направлений ограниченно-дуговой и бездуговой коммутации находятся в стадии изучения и разработок, и их массовое применение пока еще нельзя считать очевидным и оправданным с точки зрения технико-экономических показателей.
Ниже кратко освещены принципиально возможные пути размыкания электрических цепей переменного и постоянного тока с эффектом сильного ограничения тока и энергии дуги и практически, совсем без дуги на контактах отключающих аппаратов.
