1-4. БЕЗДУГОВОЕ РАЗМЫКАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Самое простое размыкание цепи переменного тока без дуги может быть достигнуто путем введения в цепь спаренного тиристора. Такой выключатель приходит в состояние «отключено», когда па управляющие электроды обоих тиристоров подается запирающий сигнал, и, наоборот, состояние «включено» достигается снятием запирающего сигнала.
Однако такие постоянно включенные в цепь тока полупроводниковые управляемые вентили (тиристоры) для более или менее значительных длительно протекающих токов (100 А и более) получаются тяжелыми и дорогими.
Ниже рассматриваются два возможных варианта, когда вентили (диоды) вводятся в цепь только в момент отключения цени. В замкнутом состоянии цепи полупроводниковые элементы шунтированы главными контактами и, таким образом, длительно не подвергаются нагрузке током.
А. Однополярное бездуговое отключение
Рис. 1-9. Выключатель с бездуговым однополярным отключением цепи переменного тока.
Наиболее реальный путь бездугового отключения электрических цепей переменного тока состоит в применении мощных шунтирующих полупроводниковых вентилей, которые в проводящий полу период шунтируют отключающий промежуток и позволяют размыкать его без дуги. На рис. 1-9 показана принципиальная схема выключателя с однополярным отключением, т. е. способного отключать цепь переменного тока только при одном определенном направлении тока, указанном стрелкой. В этой схеме выключатель В состоит из трех основных элементов: П1 — главного промежутка, П2 — вспомогательного промежутка и диода Д. Такой выключатель должен быть снабжен автоматикой управления, обеспечивающей размыкание главного промежутка П1 при направлении тока в цепи, соответствующем положительной полярности диода. При размыкании главного промежутка в положительную полярность ток с главных контактов переходит па цепь диода и главные контакты размыкаются без дуги. Ток через диод продолжает протекать до ближайшего перехода его через нуль. В обратную полярность ток в цепи не течет, так как главные контакты П1 уже разомкнуты, а вентиль заперт для обратного тока. В этот отрицательный полупериод должен разомкнуться без тока вспомогательный промежуток П2 и цепь окажется полностью прерванной.
В рассматриваемой схеме желательно предусмотреть два дополнительных элемента, существенно повышающих надежность работы схемы и ее параметры (отключаемый ток, напряжение).
Во-первых, это применение не простой автоматики, отключающей промежуток П1 в положительную полуволну, а синхронизированной на размыкание контактов вблизи нуля положительной полуволны тока. При этих условиях диод не будет зря перегружаться током и такой выключатель будет способен отключать более значительные токи при более высоком напряжении цепи. Во-вторых, это применение подконтактных пружинящих сопротивлений промежутка П1, которые в замкнутом состоянии исключаются, а при отводе контактов промежутка П1 вводятся в цепь, создают при этом дополнительное падение напряжения на промежутке П1 без возникновения в нем дуги и обеспечивают более интенсивный переброс тока на шунтирующий диод.
Рис. 1-10. Схема включения подконтактного спирального пружинящего сопротивления для облегчения бездугового перехода тока с рабочих контактов на шунтирующие диоды в схемах рис. 1-9 и 1-11.
Такого рола устройство в схематическом виде изображено на рис. 1-10. Неподвижный контакт выключателя в принципе состоит из рабочего элемента 1; между ним и основанием 5 заложено пружинящее сопротивление 3. В процессе замыкания контактов подвижной контакт 2 нажимает на рабочий элемент неподвижного контакта 1 и сжимает пружинящее сопротивление 3 таким образом, что оно оказывается в одной плоскости. Все витки спирали теперь работают поперек, т. е. ток течет от основания рабочего элемента 4 к основанию неподвижного контакта 5 поперек всех витков, включенных теперь параллельно. Теоретически, если предположить, что ток распределится равномерно поперек всех витков спирали, получится, что отношение сопротивлений спирали при ее разжатии (рис. 1-10,б) к сопротивлению при сжатии (рис. 1-10,а) десятки тысяч и более. Это отношение зависит от длины спирали и сечения проволоки. При разведении контактов спираль начнет расходиться не одновременно, а последовательно. В первую очередь будут отходить внутренние витки, обладающие наибольшей жесткостью. Размыкание витков будет идти последовательно от центра к периферии. Если спираль сопротивления получается недостаточно жесткой, чтобы обеспечить надлежащее нажатие в контактах при интенсивном их разведении, имеется возможность в средней зоне спирали сопротивления предусматривать еще дополнительные достаточно жесткие стальные пружины, изолированные прокладками от рабочих элементов и оснований подвижных контактов (защищенные от прохождения по ним тока).
Применение подконтактных пружинящих сопротивлений позволяет получить действительно бездуговой разрыв цепи без существенных усложнений конструкций аппаратов.
Б. Двухполярное бездуговое отключение
В данном случае выключатель В (рис. 1-11) состоит из пяти основных элементов: главного промежутка П1, шунтирующих диодов Д1 и Д2, включенных встречно, и двух вспомогательных промежутков П2 и П3, находящихся в последовательном соединении с диодами Д1 и Д2. В данном устройстве возможно размыкание цепи в любую полуволну тока, так как промежуток шунтирован диодами прямой и обратном полярностей. В рассматриваемой схеме должно быть предусмотрено вместе с размыканием главных контактов H1 или несколько ранее размыкание промежутка в цепи диода обратной полярности.
Рис. 1-11. Выключатель с бездуговым двухполярным отключением цепи переменного тока.
Двухполярное отключение является более быстродействующим, чем однополярное, так как здесь не требуется ожидания нужной полярности тока. Стоимость выключателя для двухполярного отключения будет, очевидно, выше за счет удвоения числа шунтирующих диодов и вспомогательных промежутков. При двухполярном отключении также желательно применять синхронизированную автоматику для ограничения времени протекания тока в цепи диодов. Наиболее перспективными вентилями для шунтирования плавных контактов являются полупроводниковые кремниевые диоды. Они обладают наибольшей пропускной способностью по току и более высоким обратным напряжением.
Перспективность применения бездуговой коммутации в выключателях переменного тока будет в сильной степени зависеть от развития производства кремниевых диодов и снижения их стоимости.
1-5. ВЫВОДЫ
Как было показано, существуют различные методы ограничения или полной ликвидации дуги на контактах выключателей. Некоторые из них более перспективны, другие менее. Это зависит от развития тех или иных средств, которые используются при различных способах отключения (элементы автоматики, полупроводниковые. преобразователи, сверхпроводимость и пр.). Всякое новое решение, очевидно, должно быть оценено не только с точки зрения возможности его технической реализации, но и с экономической точки зрения. Здесь имеется в виду, конечно, не элементарное сопоставление стоимостей старого и нового вида коммутационных аппаратов, а действительно глубокий экономический анализ, способный оцепить не только стоимость самого выключателя, но и всей совокупности экономических и технических проблем, оказывающих влияние на бесперебойность снабжения потребителя электроэнергией, экономию материалов, надежность, безопасность, долговечность работы аппаратов без ревизий и пр.
Мы видели, что надежное и в то же время совершенное решение вопросов синхронизирования и разработки сверхбыстродействующих приводов позволяет ставить некоторые из возможных путей на практическую основу (синхронные выключатели, выключатели с быстрым введением в цепь тока активных сопротивлений и др.).
Применение в энергосистемах и промышленности выключателей с бездуговой коммутацией будет в значительной степени зависеть от стоимости и надежности работы мощных кремниевых диодов.
Несомненно, что выключающие аппараты с дуговой коммутацией будут еще долгое время иметь преимущественное распространение в энергетических системах и в промышленности. В связи е этим вопрос дугогашения в цепях постоянного и переменного тока при их отключениях будет иметь весьма важное значение.
Явления дуги наблюдаются не только в выключателях. Электрическая дуга может возникать при размыкании контактов разъединителей при перекрытии изоляции линий, при перегорании плавких элементов предохранителей и т. д. Поэтому ниже рассматривается совокупность вопросов, связанных с проблемой гашения дуги в коммутационных аппаратах высокого и низкого напряжения. Бездуговая коммутация представляет собой особый вопрос и подробному рассмотрению здесь не подвергается, так как там в первую очередь представляют интерес характеристики мощных кремниевых диодов и тиристоров в условиях быстропеременных дуговых процессов.
