А. Введение в цепь отключаемого тока активного сопротивления
Рис. 1-2. Размыкание цепи с ограничением тока в цепи с помощью активного сопротивления.
Нетрудно видеть, что ограничения дуги, возникающей на контактах коммутирующего аппарата при размыкании цепи, можно достигнуть путем предварительного введения в эту цепь активного сопротивления. На рис. 1-2 показана принципиальная схема цепи с выключателем В. Этот выключатель представляет собой комбинацию переменного сопротивления Rв и промежутка П, служащего для размыкания остаточного тока после введения в цепь полного сопротивления. В размыкаемой цепи обычно есть сопротивление Rн (нагрузка или собственное сопротивление контура) и индуктивность цепи L. В замкнутом состоянии цепи промежуток П замкнут, а сопротивление Rв полностью выведено. При установившемся состоянии цепи постоянного тока величина тока в ней составляет:
Процесс размыкания цепи выключателем В происходит следующим образом. Сначала вводится в цепь сопротивление Rв до наибольшей его величины 
. Остаточный ток цепи при установившемся состоянии составляет:
В реальных цепях могут встречаться довольно значительные индуктивности, существенно замедляющие спад тока в цепи при быстром введении сопротивления выключателя Rв(t), а следовательно, ведущие к опасным повышениям падения напряжения на сопротивлении. Проиллюстрируем эту мысль на небольшом примере, когда в цепи постоянного тока 600 В отключается ток 1 000 А путем предварительного снижения тока до 10 А методом введения сопротивления. В цепи имеется большая индуктивность. Наибольшее сопротивление достигает приблизительно величины
Ом.
Допустим, что к концу времени введения сопротивления (60 Ом) ток в цепи за счет большой индуктивности уменьшился только на 20%, т.е. достиг 800 А. Таким образом, вблизи конечной стадии процесса напряжение на сопротивлении:
что несомненно приведет к перекрытию изоляции сопротивления, т, е. к аварийному режиму в работе выключателя.
При переменном токе система отключения с ограниченно-дуговой коммутацией с помощью введения в цепь активного сопротивления более реальна, если вводить это сопротивление вблизи нулевого значения тока (рис. 1-3), т. с. за время t0 до перехода тока через пулевое значение.
При таком способе введения сопротивления в цепь падение напряжения на сопротивлении даже при больших индуктивностях цепи может не быть чрезмерно большим и в следующий полупериод в цепи потечет ток iост, определяемый величиной вводимого сопротивления.
Рис. 1-3. Ограничение тока в цепи при введении сопротивления вблизи нуля тока.
Рис. 1-4. Выключатель с быстрым введением активного сопротивления в цепь при помощи шунтирующего разрыва.
Для осуществления столь малого времени упреждения нуля тока (t0 примерно равно 1 мс и менее) требуется применять синхронизирующую автоматику.
Быстрое введение активного сопротивления в цепь переменного тока может осуществляться различными путями. Самый простой путь — это размыкание шунтирующих контактов (рис. 1-4) разрывом 1 с последующим отключением остаточного тока разрывом 2. Разрыв 1 должен размыкаться от импульса синхронизирующей автоматики (см. п. В). При переменном токе введение большого сопротивления Rп может быть осуществлено одной ступенью. При плавном введении сопротивления упреждающее время to (рис. 1-3) может быть принято несколько большим, что снижает требования к приводному устройству контактов 1.
Синхронное отключение контактов 2 нс требуется. Эти контакты могут быть сблокированы с главными контактами 1, т. с. размыкаться автоматически после введения в цепь сопротивления Rв=Rв. макс.
Быстрое введение большого сопротивления в цепь может быть создано путем использования явления сверхпроводимости и ее распада. Известно, что некоторые металлы и сплавы способны терять полностью свое сопротивление при понижении их температуры до весьма низких значений, например до температуры сжижения гелия (4,2 К), и восстанавливать его немедленно, если магнитную индукцию в зоне сверхпроводника поднять до значения выше критического. Критическая индукция может складываться как за счет собственного поля проводника, так и постороннего поля. Этот очень интересный путь [Л. 24] получения быстроизменяющихся сопротивлений пока еще трудно осуществить на практике из-за необходимости применения сложной криогенной техники в условиях эксплуатации электротехнических установок.
Рис. 1-5. Характеристика области существования сверхпроводимости при совместном действии собственного и внешнего полей.
Использование явления сверхпроводимости и ее распада за счет воздействия магнитных нолей в цепях постоянного тока, вероятно, будет сопряжено с непреодолимыми трудностями из-за возникающих перенапряжений. В цепях переменного тока в принципе это возможно, но при условии, что восстановление сопротивления будет осуществляться в области перехода тока через нуль, т. с. в условиях синхронизированного отключения. Введение большого сопротивления при распаде сверхпроводимости в любой момент времени по отношению к полуволне переменного тока в условиях индуктивной нагрузки в цепи недопустимо из-за появления больших перенапряжений.
Известны 23 чистых металла, способных приобретать свойства сверхпроводимости при низких температурах (вблизи абсолютного нуля). Это так называемые «идеальные» сверхпроводники — к ним относятся, например, такие, как Al, Zn, Cd, Pb, Sn, Hg, Ga, Ti, и др. В состоянии сверхпроводимости в этих проводниках ток течет по поверхности. Применение на практике идеальных сверхпроводников нереально потому, что они легко теряют свойства сверхпроводимости при воздействии на них относительно небольших магнитных индукций.
Однако известны сплавы и соединения чистых металлов, при которых свойство сверхпроводимости сохраняется при внешних индукциях 15—20 Т (Т=1,5К).
К таким сплавам и соединениям следует отнести сплав 33% Zr (циркония) и 67% Nb (ниобия). Этот сплав обладает тягучестью и ковкостью и позволяет получать из него проводник в виде проволоки.
На рис. 1-5 показана граничная зависимость плотности тока в проводнике из этого сплава от внешней поперечной индукции. Эта зависимость (граничные значения) получена при Τ≈1,5 К. На рис. 1-5 видно, что сверхпроводимость сохраняется, например, при В=2 Т и при плотности тока в проводнике 35 000 А/см2. При более высоких значениях В сверхпроводимость обязательно распадается при сохранении той же плотности тока в проводнике.
Известно также соединение Nb3Sn, допускающее значительно более высокие индукции (до 20 Т). Однако этот материал весьма хрупок и изготовление из него проводников связано с очень большими трудностями.
Явление сверхпроводимости обещает очень много интересного в электротехнике (в области генераторов, трансформаторов, выключателей, преобразователей, линий передачи энергии и др.). Наиболее возможной охлаждающей средой следует считать жидкий гелий (Не), позволяющий иметь температуры при его кипении 4,2 К. Однако технология сжижения гелия сложна, так как количество гелия в составе воздуха очень мало.
Можно предполагать, что проблема применения явления сверхпроводимости могла бы разрешаться значительно проще, если бы удалось найти соединения материалов, позволяющие применять в качестве охлаждающей среды, например, жидкий водород (Т=16 К), получение которого не представляет существенных трудностей.
Б. Введение в цепь отключаемого переменного тока индуктивного сопротивления (реактор Мойжеса)
Рис. 1-6. Выключатель с токоограничивающим индуктивным сопротивлением.
Рис. 1-7. Принципиальная схема ограничивающего индуктивного сопротивления с подмагничиванием.
В цепях переменного тока быстрого ограничения тока можно достигать за счет введения в цепь большого индуктивного сопротивления. На рис. 1-6 показана принципиальная схема цепи с выключателем В, имеющим переменное индуктивное сопротивление Xn(t), вводимое в процессе отключения цепи, и промежуток П, необходимый для разрыва остаточного тока в цепи, равного:
если пренебречь собственным сопротивлением пели при коротком замыкании.
Быстропеременное индуктивное сопротивление в цепи пепеленного тока может быть получено различными путями, например, при помощи реактора с перемещающимся сердечником. Наиболее совершенным способом быстрого изменения индуктивного сопротивления следует считать реактор с подмагничиванием или дроссель насыщения.
Токоограничивающий реактор с подмагничиванием был предложен инж. Л. И. Мойжесом в 1931 г. (ВЭИ). Был сконструирован и изготовлен опытный полюс (фаза) этого реактора на 6 кВ, 400 А, а затем испытан в сети Мосэнерго. Испытания показали, что ток в цепи при коротком замыкании за реактором, находящимся в насыщенном состоянии, составлял около 10000 А, а после введения наибольшей индуктивности реактора за счет отключения постоянного тока, текущего в насыщающей обмотке, переменный ток в цепи уменьшался до 15—16 А. Этот остаточный ток отключался выключателем нагрузки. На рис. 1-7 показана принципиальная схема такого реактора (дросселя). Наибольшее индуктивное сопротивление реактора возникает за счет суммы индуктивных сопротивлений обмоток 1 и 2. Направление магнитных потоков ориентировано таким образом, чтобы в обмотке 3 сумма переменных магнитных потоков равнялась нулю. Это исключает наведение в обмотке 3, имеющей большое число витков, переменной э. д. с. Обмотка постоянного тока 3 может создавать магнитный поток, способствующий насыщению сердечников обмоток 1 и 2 до высокой степени, и, следовательно, обеспечивать минимальную индуктивность реактора. При внезапном снятии постоянного поля индуктивное сопротивление реактора поднимается до максимума и ограничивает ток в цепи до величины остаточного тока Iост, который отключается промежутком П выключателя (рис. 1-6).
Недостатком такого способа отключения является то, что здесь трудно обеспечить достаточно низкое индуктивное сопротивление реактора в режиме «замкнутого» рабочего состояния, т. е. в гаком режиме, когда постоянный ток в обмотке насыщения (управления) равен максимуму. Шунтирование реактора накоротко специальными контактами в этом режиме практически не. может быть использовано, так как расшунтирование реактора в режиме короткого замыкания в цепи приведет к образованию на контактах шунтирующего разрыва мощной дуги, гашение которой представляет известные трудности.
Вторым существенным недостатком этого метода отключения является его неэкономичность. Масса активных материалов, необходимая для реактора с подмагничиванием, практически приближается к массе активных материалов трансформатора на ту же пропускную мощность. Очевидно, при современных условиях это не может считаться приемлемым.
В. Сверхбыстродействующее синхронизированное отключении цепей переменного тока
Синхронизированное отключение в чистом виде, т. с. без применения шунтирующих сопротивлений, также может быть условно отнесено к группе коммутационных процессов с ограниченно-дуговой коммутацией, если размыкание, контактов сверхбыстродействующего выключателя начинается вблизи нулевого значения тока.
При этом способе отключения действующее значение тока, отключаемого в цепи, не изменяется в отличие от уже рассмотренных выше способов отключения, а только строго фиксируется момент начала размыкания контактов при подходе тока к нулю. Таким образом, в момент размыкания контактов ток в дуге, возникающей в промежутке, окажется значительно ниже максимального амплитудного значения тока в цепи. Так, при времени размыкания контактов за 1 мс до перехода тока через нуль начальное значение тока дуги будет составлять 0,3 амплитуды симметричного тока и 0,1—0,05 амплитуды тока при наличии реальных апериодических составляющих в токе.
Существенно сокращается время горения дуги, а следовательно, и энергия, выделяемая дугой, за время ее горения, — до 20—100 раз (§10-3).
Сверхбыстродействующие синхронизированные выключатели представляют собой весьма прогрессивное направление в технике коммутации цепей переменного тока и могут получить в ближайшие годы широкое развитие и применение в энергетических системах.
Предложения по синхронизированным выключателям делались и ранее, однако на основе недостаточно совершенных средств автоматики и управления, и поэтому не получили применения. Современные сродства полупроводниковой автоматики позволяют решать задачу на более высоком техническом уровне (высокая надежность, малые габариты и пр.), в связи с чем вопросы синхронизации и повышения быстродействия воздушных и элегазовых выключателей приобретают серьезный практический интерес.
Г. Ионно-механическое отключение цепей переменного тока
В 1935—1937 гг. автор предложил и провел исследование нового принципа [Л. 23] отключения цепей переменного тока с применением ионных вакуумных приборов — ртутных игнитронов. Этот принцип был назван ионно-механическим отключением, поскольку здесь участвуют и механические подвижные элементы, и ионные приборы. На рис. 1-8 показана схема этого метода отключения. В главном промежутке между контактами выключателя располагается решетка 1 из железных пластин. Весь Промежуток шунтируется игнитроном 2, зажигатель которого присоединен к одной из промежуточных пластин решетки 3. При затягивании дуги в решетку в начале процесса разведения контактов возникающее падение напряжения на дуге в решетке дает необходимое напряжение для возбуждения дуги на зажигателе 4. После зажигания дуги в игнитроне дуга в решетке 1 прекращается и промежуток надежно демонизируется за достаточно большое время горения дуги в игнитроне, т. е. до ближайшего перехода тока через пуль. Игнитрон — это вентиль, и поэтому в обратную полуволну ток через него, очевидно, не проходит. В следующий положительный полупериод игнитрон не загорится, так как благодаря деионизации дуги в решетке не возникнет поджигающей дуги на зажигателе игнитрона. На этом процесс отключения заканчивается. Размыкание второго промежутка 5 выключателя происходит без дуги и имеет своей целью снятие длительно приложенного напряжения к решетке и игнитрону после размыкания цепи.
Рис. 1-8. «Ионно-механический» выключатель с перебросом дуги на игнитрон (выпрямитель).
Такой опытный образец выключателя с одним игнитроном на полюс был испытан в лаборатории ВЭИ при токах до 400 А и при напряжении на полюсе до 6 кВ. Результаты испытания были вполне удовлетворительными. Наибольшее время существования дуги на главных контактах не превышало 0,01 с (при неблагоприятной фазе размыкания главных контактов), в большинстве случаев оно было меньше. На этой стадии работа прекратилась в связи с началом Великой Отечественной войны.
