9-3. ДЕИОНИЗАЦИЯ ОСТАТОЧНОГО КАНАЛА ДУГИ ПРИ ПОФАЗНОМ (ОДНОПОЛЮСНОМ) ОТКЛЮЧЕНИИ
При появлении однофазных коротких замыканий возможно пофазное отключение системы или части ее. При этом необходимо учитывать, что остаточный дуговой столб после отключения одной фазы (рис. 9-5) будет получать подпитку через емкостные связи, существующие между отключенным проводом и двумя включенными.
2
Рис. 9-5. Схема для расчета восстанавливающегося напряжения на отключаемом проводе.
Остаточные токи подпитки могут существенно увеличить время деионизации ио сравнению с тем, что имеет место при трехфазном отключении (при отсутствии подпитки). Так, по данным [Л. 38], при токе подпитки 4,3 А время деионизации увеличивается на 40—50%; при токе подпитки 8,6 А время деионизации возрастает более чем в 3, а при 23 А — более чем в 6 раз по сравнению с тем, когда ток подпитки полностью отсутствует.
Эти опыты проводились при напряжениях 10 и 50 кВ в однофазном режиме, когда подпитка осуществлялась за счет шунтирующей емкости на выключателе (рис. 9-6).
Рис. 9-6. Лабораторная схема для определения влияния подпитывающего емкостного тока на время деионизации дуги перекрытия.
Рис. 9-7. Время, необходимое для деионизации дуги между проводами, измеренное с помощью схемы по рис. 9-6 (по Томмену).
На рис. 9-7 приведены результаты опытов с такого рода схемой при 10 и 50 кВ в сравнении с режимом, когда ток подпитки отсутствует. Однако они не отражают полностью условий, возникающих при отключении одной фазы реальной трехфазной системы в отношении величины восстанавливающегося напряжения на отключенном проводе. При использовании схемы по рис. 9-6 на промежутке при самоугасании дуги подпитывающего тока будет появляться почти полное напряжение источника, если не учитывать емкость между проводами. В реальных трехфазных схемах при отключении дуги однофазного короткого замыкания на землю восстанавливающееся напряжение составляет всего лишь 14—15% фазового напряжения системы, т. е. если напряжение источника принять равным 10 кВ, то это будет соответствовать условиям, близким к тем, которые возникнут в реальной трехфазной системе (110 кВ) для восстанавливающегося напряжения на отключенной фазе (фаза — земля).
Ток подпитки может быть оценен при заданной длине линии. Если допустить, что сопротивление дугового столба равно нулю но сравнению с емкостным междуфазовым сопротивлением, то результирующий ток, текущий через остаточный дуговой столб, будет равен геометрической сумме токов от двух других фаз. Эти токи, так же как и напряжения, сдвинуты на угол 120° относительно друг друга, поэтому результирующий ток при сопротивлении дуги, равном нулю, будет численно равен фазовым токам:
где C12 — емкость между фазовыми проводами на 1 км линии для различных рабочих напряжений,
Емкость между проводами на 1 км длины линии мало зависит от рабочего напряжения, так как с ростом напряжения увеличивается, с одной стороны, расстояние между проводами, но, с другой стороны, растет и диаметр проводов.
Для ориентировочной оценки можно полагать, что емкостный ток подпитки, определяемый соотношением (9-11) и отнесенный к 100 км длины линии, составит: для 110 кВ примерно 2 А; для 220 кВ 4 А; для 500 кВ 10 А.
Такие токи обычно образуют остаточную дугу, которая должна ликвидироваться при однофазном отключении только за счет явления самоугасания. Таким образом, если условия самоугасания существуют, то дуга перекрытия на линии может быть отключена одним полюсом выключателя, в противном случае отключение может не состояться.
При рабочих напряжениях 110—220 кВ условия самоугасания остаточной дуги довольно благоприятны, так как канал дуги при токе короткого замыкания (до отключения одной фазы) под действием электродинамических сил успевает растянуться на такую длину, которая ио отношению к току подпитки (2—5 А) оказывается больше, чем критическая длина. Следовательно, дуга при этих токах подпитки устойчиво гореть не может. Угасанию дуги остаточного тока подпитки в значительной мере способствует то обстоятельство, что напряжение, восстанавливающееся на отключенной аварийной фазе, обычно бывает значительно меньше фазового напряжения сети.
Действительно, когда дуга перекрытия на землю угаснет (рис. 9-5), напряжение на отключенном проводе фазы 1 будет определяться соотношением емкостей между проводами С13 и С12 и между проводами и землей С3.
Восстанавливающееся напряжение на отключенном проводе фазы 1 может быть определено из совместного решений уравнений напряжения двух связанных между собой контуров:
для фазы 2: емкости —Сз — земля;
для фазы 3: емкости C12—Сз — земля.
т. е. только 15% фазового напряжения может восстановиться на отключенной фазе после угасания дуги между проводом и землей.
Интересно оценить, какова должна быть критическая длина дуги при токе подпитки 2 А в линии 110 кВ для самоугасания этой дуги при однофазном отключении замыкания провод — земля. Обратимся к уравнению (4-4), т. е,
Очевидно, что такая длина дуги легко обеспечивается при перекрытии, например, гирлянды изоляторов и, следовательно, дуга тока подпитки будет угасать без дополнительных вмешательств. Таким образом, как показывает этот анализ, условия самоугасания остаточной дуги за счет токов подпитки в реальных условиях обычно обеспечиваются, если длина линии не чрезмерно велика.
Интересны данные сетевых испытаний по однофазным отключениям коротких замыканий линий передачи 220 кВ, проведенных во Франции [Л. 40] (табл. 9-1).
Таблица 9-1
По данным табл. 9-1 при длине линии 347 км дуга с остаточным током 16—18 А сама угасает с трудом и длительность дуги остаточного тока увеличивается до 1—2 с. Величина восстанавливающегося напряжения получилась близкой к результатам, вытекающим из формул (9-13) и (9-14).
Время горения (самоугасания) остаточной дуги с током подпитки может существенно увеличить допустимое время обратного включения отключенной фазы (время паузы) по сравнению с трехфазным АПВ. Однако, как показывает опыт эксплуатации, это увеличение времени допустимо в связи с тем, что частичное питание потребителя по двум остающимся включенным фазам сохраняется и снижение частоты вращения электродвигателей за время паузы получается существенно меньшим, чем при полном отключении (трехфазном). При времени разрыва одной фазы 1—2 с большинство электродвигателей может продолжать нормально работать, так как асинхронные двигатели, как правило, эксплуатируются с запасом по мощности и легко переносят кратковременный разрыв одной фазы. Только небольшая часть потребителей с сильно перегруженным синхронными двигателями мо жет выпасть из синхронизма и отключиться. Таким образом, однофазное АПВ представляет собой средство, позволяющее сохранять устойчивость работы систем и потребителей при использовании более простых и дешевых коммутационных устройств, не требующих сверхбыстродействующих выключателей и приводных механизмов, например обычных масляных выключателей с пофазным управлением.
