Глава девятая
ДЕИОНИЗАЦИЯ ОТКРЫТОГО ДУГОВОГО ПРОМЕЖУТКА ПОСЛЕ ЕГО ОТКЛЮЧЕНИЯ
9-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При перекрытии воздушной изоляции в электротехнических установках за счет коммутационных или атмосферных перенапряжений образуется короткое замыкание через дугу на землю. Если ток короткого замыкания велик, то самоугасание открытой дуги маловероятно, поэтому приходится производить отсоединение поврежденного участка сети выключателем. В подавляющем числе случаев такие перекрытия, сопровождаемые мощными дугами, носят проходящий характер, т. е. они не связаны с органическим повреждением изоляции. Достаточно прервать на небольшое время подачу напряжения после отключения такой дуги, как происходит деионизация остаточного столба дуги (перекрытого промежутка) и появляется возможность снова включить установку или участок сети на полное рабочее напряжение. Опыт показывает, что для деионизации остаточного столба дуги достаточно отключить его от источника питания всего на 0,2—0,4 с, т. е. на столь малый промежуток времени, при котором может быть сохранена бесперебойная работа большинства потребителей с электродвигательным приводом.
Отключение поврежденного участка и его повторное введение в работу осуществляются автоматически. Этот процесс носит название автоматического повторного включения (АПВ). Оно может быть трехфазным или пофазным.
При трехфазном АПВ независимо от того, произошло ли перекрытие на одной, двух или трех фазах, все три фазы разрываются и поврежденный участок полностью отсоединяется от источника. В случае пофазного АПВ отключается только та фаза, на которой произошло повреждение (замыкание на землю). После некоторой паузы она снова включается, и работа системы полностью восстанавливается.
Однофазное отключение имеет некоторые преимущества перед трехфазным, так как после отключения поврежденной фазы питание потребителя может осуществляться по двум остающимся в работе фазам и для поддержания бесперебойной работы потребителя не требуется столь высокого быстродействия АПВ, как в случае полного трехфазного отключения. Однако необходимо учитывать, что при однофазном АПВ сохраняется подпитка отключенной дуги через емкостные связи от двух остающихся включенных фаз, это затрудняет деионизацию остаточного столба и сводит вопрос отключения к задаче самоугасания открытой дуги с сопровождающим током подпитки.
Рассмотрим деионизацию и гашение остаточной дуги для трехфазного и пофазного отключения, т. е. для случая, когда деионизация дугового канала происходит свободно, без какой-либо подпитки, и случая, когда имеет место подпитка через емкостные связи между проводами линии, остающимися под напряжением, и отключенным проводом.
9-2. ДЕИОНИЗАЦИЯ ОСТАТОЧНОГО КАНАЛА ДУГИ ПРИ ПОЛНОМ СНЯТИИ НАПРЯЖЕНИЯ (ТРЕХФАЗНОЕ АПВ)
Предположим, что какой-либо промежуток между фазой и землей перекрылся импульсом перенапряжения атмосферного происхождения, вслед за которым установился дуговой разряд промышленной частоты с током короткого замыкания на землю.
Возникшая дуга под влиянием электродинамических сил удлиняется и к моменту ее отключения достигает длины l.
Электрическое пробивное напряжение, кВ действ, промежутка с неравномерным электрическим полем при атмосферном давлении и нормальной температуре (300 К)
может быть приблизительно оценено по эмпирической формуле Панова:
Для температур Τ1 и Т2 можно принять конкретные числовые значения, т. е. положить начальную температуру газа в канале дуги Т1=6 000 К, а температуру окружающей среды Т0=300 К. Неопределенной величиной в условиях естественной конвекции является скорость υ проникновения газового потока окружающей среды в дуговой столб. Скорость движения нагретого воздуха околодугового канала составляет 100—150 см/с.
Рис. 9-1. Расчетные зависимости нарастания электрической прочности промежутка от времени после отключения различных токов.
Подсчеты показывают, что при естественной конвекции скорость проникновения воздуха (в среднем по всему сечению) может быть принята не более нескольких сантиметров в секунду. Если сопоставить результаты, полученные по формуле (9-8), с опытными данными, то для ориентировочных расчетов можно рекомендовать следующее выражение для напряжения, которое можно приложить к остаточному столбу спустя время i после его отключения без повторного зажигания дуги:
(9-10)
где l — длина дугового канала в момент отключения, см; t — время, протекшее с момента отключения, с; Iт — ток в дуге (амплитудное значение), А; и — выдерживаемое напряжение, кВ действ.
На рис. 9-1 приведены зависимости и от времени для различных токов отключаемой дуги и длины, равной 1 м. Построенные кривые хорошо отображают действительный характер восстановления прочности дугового промежутка после его отключения от сети.
Рис. 9-2. Сравнение зависимостей (опытных и расчетных) пробивной прочности промежутков от времени.
На рис. 9-2 сопоставлен характер роста электрической прочности открытой дуги для токов 10; 50 и 100 А в процентах от полной конечной прочности (принятой за 100%) и опытная кривая по данным Г. Эдельса [Л. 37], полученная на открытой дуге длиной в 5 мм. На рис. 9-2 видим хорошее совпадение характеров изменения прочности промежутка во времени, полученной расчетным и опытным путями.
Экспериментальные исследования времени деионизации дуги после ее отключения были проведены в лабораториях и сетях при напряжениях 220, 138 и 69 кВ.
Рис. 9-3. Схема установки для лабораторного определения времени деионизации открытого промежутка после его отключения.
На рис. 9-3 показана лабораторная схема, которая использовалась при исследовании восстановления электрической прочности дугового промежутка после его отключения. Перед началом опыта выключатель 2 замкнут, а промежуток или гирлянда изоляторов 4, на которых возбуждается дуга, перемыкается тонкой проволокой. При включении выключателя 5 на промежутке возникает открытая дуга, которая после нескольких полупериодов горения отключается выключателем 2. Спустя некоторое время выключатель 1 подает напряжение от трансформатора 3 на промежуток 4. При этом можно наблюдать повторное дуговое перекрытие или отсутствие его. Регулируя напряжение трансформатора 3 и время паузы между отключением выключателя 2 и включением выключателя 1, можно определить время бестоковой паузы, после истечения которого повторное включение рабочего напряжения сети не приведет к возобновлению дуги на гирлянде изоляторов.
Применительно к сетям напряжением 110—132 кВ было установлено, что повторное дуговое перекрытие не возникает при бестоковой паузе более 0,2 с при токах в дуге около 6 000 А и более 0,1 с при токах 800 А и ниже.
В процессе опытов длина дуги достигала, по данным фотографии, около 2,5—3,0 м.
Рис. 9-4. Время, необходимое для деионизации дугового промежутка после снятия напряжения при различных условиях горения дуги (по Томмену).
На диаграмме (рис. 9-4), полученной Г. Томменом [Л. 38], доказано время деионизации столба дуги при различных токах и напряжениях, а также при различных видах короткого замыкания и расположениях дуги по отношению к шинам подстанции. Ломаная кривая изображает границу допустимых минимальных значений времени паузы, ниже которых зажигание дуги возможно при повторной подаче напряжения. При значениях времени, превышающих указанную границу, повторные зажигания дуги исключаются полностью.
Интересно, что время деионизации заметно снижается, когда дуга возникает на концах подстанционных шип, т. е. когда ее опорные точки оказываются неподвижными. В этом случае к моменту отключения дуга способна достигнуть значительно большей длины, чем на параллельных шинах, вследствие этого напряженность электрического поля уменьшается и время, необходимое для деионизации, также уменьшается (рис. 9-4). Все данные рис. 9-4 получены при отсутствии ветра.
Результаты исследования показывают отсутствие роста времени деионизации остаточного канала дуги с возрастанием тока при напряжении 10 кВ. Это может быть объяснено тем, что с увеличением тока в дуге она успевает за время горения сильно вытягиваться за счет электродинамических сил, что приводит к уменьшению действительной напряженности электрического поля в дуговом столбе при повторной подаче напряжения.
При более высоком напряжении (50 кВ), но меньших токах, зависимость времени деионизации от тока находится в большем согласии с теорией, чем при 10 кВ.
Более поздними опытами [Л. 39] было установлено, что в ряде случаев существует зависимость между временем деионизации открытой дуги и длительностью ее горения перед отключением. Это имеет место в тех случаях, когда дуга не может свободно перемещаться в пространстве. По-видимому, с увеличением времени горения дуги образуется значительная зона раскаленного воздуха, окружающего дуговой столб, который затрудняет его деионизацию. По данным опыта при мощности короткого замыкания в 2 000 МВ-А и рабочем напряжении 230 кВ наблюдалось возрастание времени деионизации с 4 до 12 периодов (при 60 Гц) при увеличении времени горения дуги с 2 до 5 периодов соответственно.
Опыт эксплуатации сетей напряжением 110 и 220 кВ в Советском Союзе показал, что при трехфазном АПВ в 70—80% всех случаев короткого замыкания линии после повторного включения продолжают нормально работать.
Минимальные паузы времени после отключения и повторного включения, по данным мировой практики, лежат в пределах 0,05—0,3 с для рабочих напряжений соответственно 20—230 кВ. Такое увеличение времени бестоковой паузы с напряжением можно объяснить тем, что с ростом рабочего напряжения растет и длина канала дуги, который при больших длинах приобретает весьма сложные формы. Вследствие этого отдельные участки дуги охлаждаются неодинаково и распределение напряжения вдоль остаточного капала после его повторного включения оказывается неравномерным. Это приводит к уменьшению средней напряженности электрического поля, выдерживаемой дуговым столбом при прочих равных условиях. При рабочем напряжении 420—500 кВ время, необходимое для деионизации открытой дуги, увеличивается до 0,4—0,6 с.
