Глава четвертая
ГАШЕНИЕ ДЛИННЫХ ОТКРЫТЫХ ДУГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
4-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
С вопросом гашения длинных открытых дуг переменного тока приходится сталкиваться при эксплуатации простых разъединителей в качестве отключающих аппаратов. Такие разъединители не имеют специальных дугогасящих устройств и при размыкании контактов растягивают дугу просто в воздухе. Для улучшения условий растяжения дуги разъединители снабжаются роговыми или дополнительными стержневыми электродами, по которым осуществляется подъем дуги вверх и растяжение ее на большую длину.
С помощью разъединителей нельзя отключить большой ток, так как дуга при этом достигает значительной длины, образуя много пламени, сильно оплавляет контакты отключающего аппарата. Мощная открытая дуга легко повреждает изоляторы, с которыми она соприкасается, вызывает перекрытие между фазами, что ведет к коротким замыканиям в сети.
Обычные разъединители широко используются при отключении токов холостого хода небольших трансформаторов, емкостных зарядных токов линий, малых токов нагрузки и пр.
С вопросом гашения открытых дуг приходится также встречаться в эксплуатации в случае перекрытия линейной изоляции на землю при появлении в сети атмосферных или коммутационных перенапряжений. При применении металлических опор длина дуги перекрытия на землю получается обычно небольшой и ликвидация дуги достигается отключением поврежденного участка при помощи выключателя. При возникновении перекрытия на землю в линиях, имеющих деревянные опоры, возникающая дуга достигает большей длины, и если токи короткого замыкания на землю не очень велики (не более сотен ампер), то могут создаваться условия самоугасания таких дуг (без отключения участка сети). Условия самоугасания дуги замыкания на землю можно оценить, исходя из рассматриваемых в этой главе предпосылок.
Угасанию открытых дуг на разъединителях или между проводом и землей на линиях электропередачи в сильной степени способствует ветер. При наличии ветра дуга может оказаться более короткой и, следовательно, ликвидироваться быстрее, чем при отсутствии ветра.
Однако такой фактор, как ветер, не приходится учитывать ввиду его непостоянства, а исходить из более тяжелых условий — полного отсутствия ветра.
Ниже рассматриваются общие условия угасания открытых дуг переменного тока без учета влияния всякого рода случайных обстоятельств, улучшающих процесс гашения дуги.
4-2. УСЛОВИЯ УГАСАНИЯ ОТКРЫТОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Дуга переменного тока гасится, как правило, легче, чем дуга постоянного тока, вследствие того, что переменный ток в каждый полупериод в момент своего естественного перехода через нуль прекращается (обрывается). Это обстоятельство широко используется в аппаратах отключения, когда дуговой столб подвергается активной деионизации со стороны окружающей среды. Открытая длинная дуга переменного тока, однако, не проявляет существенных тенденций к использованию нулевых пауз тока и ведет себя подобно дуге постоянного тока. Угасание открытой дуги переменного тока наступает, как и при постоянном токе, тогда, когда напряжение, действующее в цепи, оказывается недостаточным, чтобы поддерживать ее горение. В данном случае дуга растягивается, достигает критической длины, ток в цепи постепенно снижается и, наконец, цепь полностью обрывается.
Окончательный момент обрыва этого тока всегда совпадает с моментом перехода его через нуль. Это вполне естественно, так как в зоне около нуля тока создается наибольшая недостаточность напряжения сети для поддержания горения дуги. Весь подготовительный процесс снижения тока обусловлен не переходами тока через нуль, а непрерывным ростом сопротивления капала дуги и нарушением энергетического баланса, поэтому время гашения такой дуги немногим отличается от времени гашения дуги постоянного тока при том же напряжении. Эти рассуждения справедливы только для условий, когда дуга растягивается спокойно без форсировки растяжения ее за счет быстрого разведения контактов, ветра, искусственного дутья, вспомогательного магнитного дутья и пр. При наличии этих факторов дуга переменного тока начинает более резко проявлять свойства ослабленных моментов, т. е. нулевых пауз тока, и существенно легче обрывается, чем дуга постоянного тока.
Рис. 4-1. Осциллограмма тока и напряжение на дуговом промежутке при размыкании контактов разъединителя.
На рис. 4-1 приведена типичная осциллограмма тока и напряжения открытой дуги переменного тока, из которой видно, что ток в цепи снижается постепенно за счет роста сопротивления канала дуги. В последний полупериод горения дуги ток в цепи уменьшается в 5—10 раз по сравнению с начальным значением. Напряжение на дуговом промежутке увеличивается и переходит постепенно в синусоиду напряжения промышленной частоты (сети).
При анализе процессов в открытой дуге переменного тока с целью получения расчетных формул для оценки критической длины дуги и критического тока в ней необходимо сделать некоторые допущения:
1. Ток в цепи и напряжение на дуге синусоидальны.
Это предположение становится близким к действительности при длинных дугах, когда их длина близка к критической (рис. 4-1), т. е. в области, которая особенно интересна с точки зрения гашения дуги. По-видимому, синусоидальности напряжения в длинных дугах способствует образование петель и изгибов, которые при приближении тока к его максимальному значению растягиваются и создают некоторую компенсацию уменьшения напряжения за счет падения напряженности электрического поля с ростом тока. Такие биения возникают в каждый полупериод тока на различных участках длины дуги.
Рис. 4-2. Максимальная вольт- амперная характеристика длинной открытой дуги переменного тока.
2. В открытой дуге переменного тока соблюдается статическая вольт-амперная характеристика на максимальных (амплитудных) значениях переменного тока, т. е. полагаем, что зависимость напряжения на дуге в момент максимума тока от амплитуды тока есть статическая вольт-амперная характеристика дуги — «амплитудная» вольт-амперная характеристика.
На рис. 4-2 показана «амплитудная» вольт-амперная характеристика, где значения напряжения на дуге в момент максимума тока и амплитудные значения тока условно представлены в каждый полупериод как положительные величины. Предположение о том, что связь между напряжением и током на максимуме может характеризоваться статической вольт-амперной характеристикой, основывается на том, что ток в этой зоне изменяется медленно, а на максимуме скорость изменения тока становится равной нулю и, следовательно, в этих зонах напряжение успевает получить статическое, т. е. установившееся значение.
На основе последнего допущения можно предположить, что «амплитудная» статическая характеристика дуги переменного тока может быть приравнена к статической вольт-амперной характеристике постоянного тока, т. е.
Уравнения напряжений на основе первого допущения для устойчиво горящей дуги цепи как с чисто активным сопротивлением R, так и с чисто индуктивным сопротивлением х могут быть написаны соответственно в виде
Если принять для а и С численные величины и выразить ток и напряжение в действующих значениях, можно получить выражения для критических токов и длин. Полагая С = 80 и а=0,5, получаем:
где Iз — действующее значение тока цепи при замкнутом дуговом промежутке, A; U — действующее значение напряжения сети, кВ; lкр — критическая длина дуги, м.
Для надежного гашения дуги ее действительная длина должна превосходить по крайней мере на 15—20% ее критическую длину.
Одним из параметров для оценки условий работы релейной защиты является сопротивление дугового канала, которое изменяется с течением времени горения дуги и может быть вычислено на основе уравнения вольт-амперной статической характеристики.
Рис. 4-3. Открытые дуги при горизонтальном (а) и вертикальном расположении электродов (б).
Длительность горения открытой дуги переменного тока также представляет интерес. Но если ток дуги сравнительно невелик (до 100 А), то величины электродинамических сил, способствующих растяжению дуги, настолько незначительны, что ими можно пренебречь.
В дугах с малыми токами растяжение дуги происходит главным образом за счет "тепловых" сил, создаваемых разностью плотностей газа в дуговом столбе и в окружающей среде.
Скорость тепловых восходящих потоков [Л. 22] около столба дуги составляет 140—150 см/с. Скорость подъема дуги, увлекаемой этими потоками, несколько меньше, по-видимому, ее можно принять равной 100 см/с. Теперь можно ориентировочно определить время, в течение которого дуга достигнет критической длины.
На рис. 4-3, а показана кривая развития горизонтальной дуги. Предположим, что горизонтальная часть дуги поднимается вверх со скоростью о, м/с, тогда ее общая длина (ориентировочно)
где k — коэффициент увеличения длины дуги за счет мелких петель и изгибов.
Если принять, что h=vt и что время гашения дуги есть время, в течение которого длина дуги достигнет
критической, то при k≈2 получим:
(4-5)
где а — первоначальная длина дуги (расстояние между электродами).
Возможность растяжения дуги зависит от конфигурации электродов и их расположения. Например, если дуга возникает между горизонтальными электродами, то она может иметь большую длину при своем подъеме, чем -между вертикально расположенными электродами (рас. 4-3, б). При вертикальном расположении электродов дуговой столб, увлекаемый вверх, близко подходит к верхнему электроду и расстояние А сокращается настолько, что происходит пробой (перемыкание) и длина дуги снова сокращается. Эти закорачивания препятствуют значительному удлинению дуги.
Как показал опыт, на горизонтальных электродах (рис. 4-3, а) закорачивание дуги наблюдается при значительно большем удлинении дуги.
Соотношение между полной длиной дуги и расстоянием между горизонтальными электродами может достигнуть 1/а≈20, для вертикальных электродов при прочих равных условиях это отношение составит:
т. е. при горизонтальном расположении электродов создаются более благоприятные условия для угасания дуги, чем при вертикальном [Л. 33].
