Глава пятая
ГАШЕНИЕ ДУГИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ АКТИВНОЙ ДЕИОНИЗАЦИИ ПРОМЕЖУТКА
5-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Условия гашения дуги переменного тока при активной деионизации промежутка выключающего аппарата принципиально отключаются от условий угасания дуг постоянного тока и длинных открытых дуг переменного тока. В дуге постоянного тока или в открытой длинной дуге переменного тока гашение в основном наступает потому, что при растяжении дуги источник электрической энергии не в состоянии покрыть падение напряжения в дуговом столбе, вследствие чего наступает неустойчивое состояние и дуга гаснет (см. гл. 3 и 4).
При образовании дуги в цепи переменного тока, когда дуговой столб подвергается активной деионизации или разбивается на ряд коротких дуг, может произойти гашение дуги и тогда, когда источник имеет еще большой запас напряжения для поддержания горения дуги, но которое оказывается недостаточным для обеспечения ее зажигания при переходе тока через нуль. В условиях активной деионизации во время перехода тока через нуль проводимость дугового столба уменьшается настолько сильно, что для возбуждения дуги в следующий полупериод к нему необходимо приложить хотя бы на короткое время значительное напряжение. Если цепь не в состоянии обеспечить достаточное напряжение и скорость его подъема на промежутке после перехода тока через нуль, то ток обрывается, т. е. дуга не возникает в следующий полупериод и происходит окончательное отключение цепи.
Таким образом, гашение дуги переменного тока при активной деионизации промежутка представляет собой процесс, происходящий в период нулевой паузы тока. Процесс гашения или негашения дуги сводится к явлениям непробоя или пробоя промежутка в следующий полупериод, т. е. к соревнованию между восстанавливающейся прочностью промежутка и появляющимся (восстанавливающимся) на нем напряжением. Это положение лежит в основе теории и практики гашения дуг переменного тока в выключающих и защитных аппаратах высокого и низкого напряжений.
При рассмотрении процессов гашения дуги переменного тока возникают две основные проблемы: 1) количественная оценка восстанавливающейся прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль; 2) количественная оценка восстанавливающегося напряжения на отключающем промежутке после достижения током нулевого значения.
Эти процессы в реальных условиях синтезируются в один процесс, определяющий условия гашения дуги в выключателе, и тем не менее создают в электротехнике два самостоятельных направления исследований.
Рис. 5-1. Размыкание простейшего контура переменного тока с дугой.
Цель первого направления сводится к получению зависимостей восстановления прочности промежутка после перехода тока через нуль от времени, величины отключаемого тока, конструктивных факторов выключателей и свойств среды, применяемой для гашения дуги (масло, сжатый воздух, шестифтористая сера и пр.).
Второе направление исследует процессы восстановления напряжения па выключателе в зависимости от конфигурации сетей, мощностей короткого замыкания, видов коротких замыканий, наличия длинных и коротких линий и пр.
Сложность экспериментального исследования этих процессов заключается в том, что они протекают в течение небольшого интервала времени (микросекунды) при сложном взаимодействии различных факторов.
Предположим, что мы имеем однофазную цепь (рис. 5-1), питаемую от генератора переменного тока, состоящую из активного сопротивления R и индуктивности L. При замыкании этой цепи в ней течет ток, определяемый напряжением источника и полным сопротивлением цепи,
Во многих случаях, особенно при коротких замыканиях цепи, можно полагать, что
поэтому ток короткого замыкания практически определяется только индуктивностью цепи:
С учетом активного сопротивления R между током и напряжением имеется сдвиг фаз, определяемый углом φ:
Мгновенное значение напряжения в момент, когда ток проходит через нуль,
где Um — амплитудное значение напряжения; U0 — мгновенное значение напряжения промышленной частоты цепи в момент перехода тока через нуль.
На рис. 5-2 показана типичная картина процесса отключения цепи переменного тока. Предположим, что в момент времени а контакты выключателя разомкнулись и в цепи появилась дуга.
Рис. 5-2. Процесс изменения напряжения на контактах выключателя при размыкании пени переменного тока.
Как показывает осциллограмма напряжения, на зажимах выключателя в первый переход тока через нуль дуга не прекратилась, а под воздействием напряжения, которое начало нарастать на выключателе после перехода тока через нуль, снова загорелась (пробился промежуток) и продолжала гореть до следующего перехода через нуль. Но при переходе тока через нуль во второй раз пробой промежутка снова не возник и цепь оказалась отключенной. Напряжение на выключателе при этом восстановилось полностью, т. е. прошло все фазы изменения в переходном режиме и достигло напряжения промышленной частоты сети.
Это могло произойти потому, что электрическая прочность межконтактного промежутка продолжала нарастать за счет дальнейшего расхождения контактов и выдержала без пробоя полное восстановление напряжения при втором переходе тока через нуль. Переходный режим восстановления напряжения сопровождается колебаниями высокой частоты вследствие того, что напряжение на выключателе стремится подняться до величины U0 мгновенно, но этого не может произойти, так как на зажимах выключателя всегда имеется некоторая емкость С и, следовательно, при подъеме напряжения в цепи возникает ток, текущий через индуктивность L и сопротивление R.
В первом приближении влиянием R на частоту колебания восстанавливающегося напряжения на выключателе пренебрегаем, т. е. считаем, что f0 определяется только емкостью и индуктивностью цепи:
Рис. 5-3. Процесс восстановления напряжения на контактах выключателя после перехода тока через нуль.
(5-1)
Колебания восстанавливающегося напряжения происходят около значения U0. При отсутствии затухания размах колебаний напряжения в сторону превышения амплитуды равнялся бы двойной величине восстанавливающегося напряжения промышленной частоты U0, т. е. пик напряжения достиг бы 2U0. Но это имело бы место при отсутствии пика гашения дуги. В действительности до момента прохода тока через нуль напряжение на емкости равно пику гашения Uг, следовательно, после перехода тока через нуль напряжение на емкости (на выключателе) будет стремиться измениться с Uг до U0, т. е. на величину Uг-U0, и размах его в сторону превышения амплитуды при отсутствии затухания составил бы также величину Uг-U0. Таким образом, по отношению к нулевой линии напряжения пик восстанавливающегося напряжения мог бы достигнуть следующей величины (рис. 5-2 и 5-3):
В реальных условиях восстановления напряжения за счет затухания первый пик обычно бывает значительно меньше двойной величины (1,3—1,6), если не учитывать влияния самого выключателя. Выключатель может несколько увеличить амплитуду за счет пика гашения, а с другой стороны, усилить затухание за счет остаточной проводимости дугового промежутка.
Обычно принято восстанавливающееся напряжение сети характеризовать без учета влияния самого выключателя, т. е. определять собственную частоту восстановления напряжения или собственную скорость восстановления напряжения. На рис. 5-4 приведены различные случаи восстановления напряжения на выключателе без учета влияния па процесс самого выключателя.
При колебательном процессе восстановления напряжения восстанавливающееся напряжение характеризуется уравнением (см. гл. 6)
где
(5-2)
Средняя скорость восстановления напряжения при колебательном процессе может быть определена следующим образом:
Рис. 5-4. Восстановление прочности промежутка и напряжения на нем после достижения током его нулевого значения.
При некоторых видах апериодических процессов восстановления напряжения, которые возникают в системах при наличии линий, начальная скорость восстановления напряжения может быть существенно выше, чем при колебательном процессе. Некоторые типы дугогасящих устройств весьма чувствительны именно к начальной скорости восстановления напряжения, поэтому их следует проверять при различных видах восстановления напряжения.
На рис. 5-4 приведены два случая отключения с различной интенсивностью восстановления прочности промежутка после прохода тока через нуль. Случай i обеспечивает гашение дуги для всех представленных процессов восстановления напряжения. В случае 2 восстанавливающееся напряжение в точке а начинает превалировать над величиной восстанавливающейся прочности и, следовательно, в этой точке и после нее можно ожидать пробоя промежутка и повторного возникновения дуги.
Явления восстановления напряжения на промежутке выключателя рассматриваются специально в гл. 6. Здесь рассмотрим лишь механизм восстановления электрической прочности после перехода тока через нуль для наиболее характерных случаев.
При рассмотрении явления восстановления электрической прочности дугового промежутка после (перехода тока через нуль обычно разделяют процессы в так называемых «длинных» и «коротких» дугах.
В длинной дуге явлениями электродов можно пренебречь и следует рассматривать только прочность, приобретаемую дуговым столбом. Действительно, если дуговой столб одного промежутка должен выдерживать восстанавливающееся напряжение, превышающее тысячи и десятки тысяч вольт, то нет никакого смысла заниматься явлениями у электродов, которые способны обеспечить прочность только 200—300 В (а иногда даже и существенно меньше).
В коротких дугах без активных форм деионизации дуговой плазмы (дутье и пр.) явления у электродов определяют основную величину прочности промежутка. Явления в дуговом столбе в этом случае отходят на задний план и не оказывают существенного влияния на общую величину восстанавливающейся прочности промежутка.
На практике нередко наблюдаются случаи, особенно в аппаратах низкого напряжения, когда влияния явлений у электродов и в дуговом столбе на конечный результат гашения дуги соразмерны. В такого рода случаях может существенно повышаться cos φ цепи за счет возрастания сопротивления дугового столба вследствие чего мгновенное значение напряжения на промежутке U0 в момент перехода тока через нуль может оказаться существенно ниже амплитудного значения напряжения источника.
