1 ОСОБЕННОСТИ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ
Отключение рабочих токов и сверхтоков сопровождается электрической дугой между контактами выключателя. Тип и конструкция выключателя определяются принятым способом гашения дуги.
Для выключателей как масляных, так и электромагнитных характерны следующие режимы- а) коммутация рабочих токов, происходящая при небольшом сдвиге фаз между током и напряжением; б) отключение тока короткого замыкания, в процессе которого сдвиг фаз между током к. з. и напряжением велик; в) отключение малых индуктивных токов — обычно отключение ненагруженных трансформаторов.
Гашение электрической дуги в выключателях протекает различно в зависимости от того, отключается ли ток нагрузки, ток короткого замыкания или малый индуктивный ток. Поэтому, прежде чем сравнивать процессы дугогашения в масляных и электромагнитных выключателях, рассмотрим в общих чертах физические особенности перечисленных режимов.
Отключение рабочих токов. При использовании электроэнергии работа совершается, если имеется соответствующая активная мощность. Принято это положение представлять иначе, а именно, что полезную работу совершает активный ток. Однако большинство потребителей (электродвигатели, трансформаторы, выпрямительные установки) обладает индуктивностью, в связи с чем образуется некоторое отставание тока в цепи по отношению к напряжению (сдвиг тока по фазе на угол <рп). Как правило, этот сдвиг фаз невелик (фп —20-30° эл). В тех же случаях, когда он значителен, принимаются меры для его уменьшения (например, включаются конденсаторы). Таким образом, отключение рабочих токов происходиТ при малых углах сдвига тока по отношению к напряжению. Некоторой идеализацией процесса отключения рабочих токов, учитывая малый угол сдвига фаз в этом режиме, является процесс отключения выключателем чисто активного тока (фн^О).
Отключение токов к. з. При к. з. проводники, подводящие электроэнергию к потребителям, соединяются наглухо или через дугу. Это соединение (место к. з.) шунтирует нагрузку, в связи с чем прекращается потребление ею активного тока. Одновременно между источником энергии и местом соединения начинает проходить значительный по величине ток к. з. Так как все элементы цепи до места к. з.(генераторы, линии передач, трансформаторы, реакторы) обладают значительной индуктивностью и сравнительно малым активным сопротивлением, в цепи устанавливается ток, имеющий большой сдвиг по фазе по отношению к напряжению (фк = 65 80° эл). Предельным случаем отключения токов к з. является рассмотренный далее процесс отключения чисто индуктивного тока (фк»90° эл).
Изменение тока от значения, соответствующего рабочему режиму, к установившемуся току к. з. не может произойти сразу, а сопровождается переходным процессом (рис. 1). Во время переходного процесса к. з. (а — Ь на рис. 1) изменение тока в цепи происходит по кривой с неодинаковой величиной его максимальных значений в каждый период. Затем наступает установившийся режим короткого замыкания (fc—с), когда периодические изменения тока каждый период происходят одинаково.
В дальнейшем нам придется оценивать действие масляных и электромагнитных выключателей в различные моменты процесса к. з., сопоставляя различие происходящих в них явлений. Поэтому целесообразно несколько подробнее остановиться на особенностях переходного процесса. Сразу же оговоримся, что физические процессы, происходящие при к. з, рассмотрены в литературе. Однако нужно подчеркнуть те их стороны, которые сказываются на отключающей способности масляных и электромагнитных выключателей.
Прежде всего следует ответить на вопрос, почему какое-то время (i0 — b на рис. 1) ток к. з. изменяется по кривой 1К и что это за собой влечет применительно к выключателям?
Если в какой-то момент времени (<=0 на рис. 1) произошло к. з., то ток в цепи с индуктивностью не может сразу измениться от величины, соответствующей нагрузке /н, до значения, определяемого суммарным сопротивлением при к. з., потому что согласно закону Ленца цепь с индуктивностью всегда стремится сохранить то состояние, которое она имела до коммутации. Поэтому непосредственно в момент к. з. (точка 0) ток остается равным току нагрузки /„. Представив кривую тока к. з. при переходном процессе <к как сумму двух кривых, каждая из которых отражает два по-разиому происходящих одновременно явления, можно следующим образом объяснить ее изменение.
Допустим, что в момент к. з. под действием периодически изменяющегося напряжения сети мгновенно появляется периодическая составляющая тока к. з., сдвинутая по фазе примерно на 90° по отношению к напряжению (кривая ). Изменение периодической составляющей каждым период происходит одинаково, так кал мы считаем, что характер изменения напряжения сети во время процесса к. з. сохраняется. Но ток в начальный момент остается небольшим по сравнению с током к. з. и равным току нагрузки iH- Это может быть, если допустить появление одновременно с периодической, другой составляющей тока к. з. Такой составляющий является так называемая апериодическая составляющая, представляющая собой затухающий ток, постоянный по направлению («а на рис. 1). Ее появление с учетом сделанных выше допущений объясняется так: мгновенное появление тока периодической составляющей вызывает изменение магнитного потока в цепи с индуктивностью; наводится Э.Д.С., препятствующая изменению тока Наведенная э.д.с. вызывает прохождение тока апериодической составляющей, имеющего обратное направление. Апериодическая составляющая тока, возникнув в момент к. з. (и только в этот момент), далее затухает, поскольку цепь обладает активным сопротивлением.
Итак, сумма периодической и апериодической составляющих в начальный момент времени (<=0) должна быть равна току нагрузки (отрезок 0 — а на рис. I). Обратим внимание на то, что через
Рис. 1. Изменение тока при коротком замыкании.
А— зона отключения быстродействующего выключателя;
Б—расчетная зона небыстродействующего выключателя.
полпериода после начала к. з. ток /к (являющийся суммой совпадающих в этот момент по направлению периодической и апериодической составляющих) имеет максимальное значение, которого именуется ударным током /у. В цепях с большим индуктивным сопротивлением ударный ток близок к двойной величине амплитуды периодической составляющей. В цепях с малым индуктивным сопротивлением апериодическая составляющая быстро затухает и ударный ток лишь несколько больше амплитуды периодической составляющей.
В сетях напряжением 6—10 кВ апериодическая составляющая затухает в среднем за 4 5 периодов, после чего установившийся ток к. з. изменяется по периодической кривой. Поэтому если выключатель отключает цепь менее чем за 4 — 5 периодов от момента начала к. з., то он, естественно, будет разрывать и апериодическую составляющую. Следовательно, небезразлично, в какой момент процесса к. з. происходит размыкание контактов выключателя, так как от этого зависит сила тока, который он разрывает.
Обычно контакты небыстродействующих выключателей размыкаются, когда уже наступил установившийся режим к. з., поскольку суммарное время действия релейной зашиты и привода занимает 5—6 периодов. Быстродействующие выключатели имеют меньшее время от момента возникновения к. з. до размыкания контактов. Это значит, что контакты быстродействующих выключателей размыкаются еще в неустановившемся режиме, чему соответствуют большие по величине силы токов. С внедрением электронной токовой защиты вместо релейной это время еще более снизится. При выборе выключателей нужно учитывать время действия привода и токовой защиты и не забывать об определенном запасе мощности отключения — отключающей способности выключателей, которая обычно устанавливается с учетом апериодической составляющей в токе до 26—30%. Нужно также иметь в виду возможность включения выключателя какого-либо присоединения, когда в цепи уже имеется короткое замыкание. Особенно неблагоприятно несостоявшееся включение, т. е. случай, когда контакты выключателя после соприкосновения немедленно начнут расходиться. Причинами этого могут быть отказ фиксации привода во включенном положении; недостаточное усилие включающего электромагнита из-за плохой регулировки или вследствие пониженного напряжения в оперативных цепях и др. Это может произойти с любым выключателем. Но последствия несостоявшегося включения при отключении тока к. з. масляным выключателем тяжелее, чем при отключении электромагнитным выключателем.
Отключение малых индуктивных токов имеет особенность, которая состоит в том, что выключатель обрывает ток до достижения им естественного нулевого значения. Наиболее часто встречающимися на практике коммутациями такого вида является отключение ненагруженных трансформаторов. При обрыве тока выключателем высвобождается электромагнитная энергия, запасенная в индуктивных элементах схемы, вследствие чего возникают перенапряжения, опасные для изоляции оборудования и аппаратуры.
Выводы. При размыкании контактов выключателя возникает электрическая дуга. В масляных выключателях длина дуги невелика и ее гашение происходит путем удаления с большой скоростью раскаленных газов из межконтактного промежутка и охлаждением самой дуги. В электромагнитных выключателях дуга растягивается магнитным полем до значительной длины и быстро перемещается из нагретой зоны в холодные участки дугогасительных камер
В зависимости от характера нагрузки (активная или индуктивная) и типа выключателя (масляный или электромагнитный) явления в размыкаемой цепи протекают различно. Представление об их характере дают помещенные ниже типичные осциллограммы (рис. 2 — 4), но, прежде чем их рассматривать, полезно в общих чертах познакомиться с процессами, которыми сопровождается разрыв дуги.
Электрическая дуга в выключателях переменного тока
Электрическая дуга при отключении цепи с током возникает между контактами выключателя, как только началось их расхождение. Высокая напряженность электрического поля* способствует выносу из металла контактов в промежуток между ними носителей электрического тока — электронов. Поскольку в момент расхождения контактов площадь их соприкосновения становится небольшой, на еще соприкасающихся участках резко возрастает плотность тока, что приводит к значительному повышению температуры контактов. Образуются катодное пятно на отрицательном и анодное — на положительном контактах. Источником появления свободных носителей электрического тока или, иначе говоря источником термоэлектронной эмиссии электронов является катод (положение катода и анода меняется с промышленной частотой тока).
В результате термоэлектронной эмиссии среда в промежутке между контактами ионизируется и, следовательно, становится проводящей электрический ток. По мере увеличения тока эмиссия электронов продолжает возрастать, так как катод дополнительно нагревается за счет бомбардировки его ионами, образующимися в межконтактном промежутке. Прохождение тока принимает форму дугового разряда, который поддерживается термоэлектронной эмиссией н ионизацией газа. В раскаленном до высокой температуры дуговом пространстве (5 000—6000 °С « выше) резко возрастают скорости движения атомов и молекул, происходят их столкновения, возникают и уничтожаются заряженные частицы. Образуется основание (столб) дуги с одинаковым соотношением количества электронов и ионов, который обладает почти такой же электропроводностью, как металл, и именуется плазмой.
*Разность потенциалов между контактами, отнесенная к единице расстояния (к величине разрыва, см)
Дуга поддерживает замкнутое состояние цепи. Следовательно, ее разрыв может состояться лишь тогда, когда распадется плазма. С увеличением отключаемого тока растет ионизация дугового пространства; уменьшение тока сопровождается снижением ионизации и, следовательно, уменьшением проводимости плазмы Поскольку условием поддержания разряда является высокая температура плазмы, резкое уменьшение проводимости дуги и ее принудительное гашение может быть достигнуто путем эффективного охлаждения.
Естественное изменение проводимости дуги переменного тока происходит с частотой изменения тока. Проводимость плазмы будет наименьшей при прохождении тока вблизи нулевого значения, когда и следует ожидать погасания дуги
Отмеченные положения характеризуют лишь общую направленность явлений. Зависимости в процессе дугогашения имеют довольно сложный характер и определяются особенностями устройств дугогашения выключателей, отключаемым током, параметрами отключаемых цепей и некоторыми другими факторами.
Гашение дуги при отключении активной нагрузки. На рис. 2 показаны осциллограммы отключения активной нагрузки соответственно масляным и электромагнитным выключателями
При активной нагрузке ток / н напряжение сети совпадают по фазе. Для простоты рассуждений предположим, что контакты выключателей размыкаются в начальной части полупериода (момент 1 — /). Зажигание дуги происходит при определенном значении напряжения, называемом напряжением зажигания U3, при котором создается достаточная напряженность электрического поля для образования дугового разряда в условиях начала термоэлектронной эмиссии в межжонтактном промежутке. Из рис. 2 видно, что в .момент зажигания душ I—1 выключателя напряжение сени и с больше напряжения зажигания U3, благодаря чему дуга зажигается.
С возрастанием тока падение напряжения в дуге и3 снижается, так как вольт-амперная характеристика дуги имеет падающий характер (увеличение тока влечет за собой уменьшение падения напряжения) При увеличении тока возрастает интенсивность ионизации меж контактного промежутка, растет проводимость дугового столба Если обеспечивается хороший теплоотвод из зоны дуги, то при некотором напряжении Ur , которое называется напряжением гашения, дуга гаснет, причем гаснет раньше, чем ток снизился бы до нуля при замкнутых контактах. Таким образом, от точки f начинается бестоковая пауза т, которая будет продолжаться до точки ft, соответствующей зажиганию дуги в следующем полупериоде
Во время бестоковой паузы условия, способствующие зажиганию дуги, ухудшаются, поэтому напряжение зажигания U3 во втором полупериоде больше, чем в первом, и это хорошо. Наконец, дуга погаснет, когда в один из последующих полупериодов диэлектрическая прочность межконтактного промежутка возрастет настолько, что напряжение сети уже не может вызвать повторное зажигание.
Рис. 2. Изменения тока и напряжения при отключении активной ьагрузки масляным выключателем (а), электромагнитным выключателем (б).
1 — 1 — момент размыкания контактов; 2 — 2 — обрыв тока;
3—3—повторное зажигание дуги.
Следует подчеркнуть, что если охлаждение плазмы, а значит, и ее деионизация недостаточны, то из-за тепловой инерции дуговой столб сохраняет высокую проводимость даже при нулевом значении тока. В силу этого напряжение зажигания в следующий полупериод возрастет незначительно и полное гашение дуги затянется.
Поясним несколько подробнее причины образования 6ec,Toi.oiBon паузы. Как уже отмечалось, особенностью гашения дуги при актив ной нагрузке является образование бестоковой паузы В момент, когда напряжение сети, уменьшаясь ,по синусоидальному закону, достигнет величины напряжения гашения, плазма уже обеднена носителями тока. В этих условиях изменение напряжения дуги, чтобы поддерживать уменьшение тока тоже по синусоидальному закону должно бы было происходить по кривой 6-с. Но этого не может быть, поскольку напряжение сети имеет меньшие значения, стремясь к нулю. Поэтому ток резко падает по кривой е—f и достигает практически нулевого значения раньше (точка {), чем естественный нуль (точка g). Такое непропорциональное напряжению уменьшение тока фактически означает увеличение сопротивления межконтактного промежутка и происходит потому что условий для поддержания горения дуги недостаточно.
Малый ток приводит к малому тепловыделению и интенсивность термоэлектронной эмиссии резко падает. Малое напряжение между контактами неспособно создать напряжённость поля, которая позволила бы поддержать электростатическую эмиссию электронов или вызвать ударную ионизацию (т. е. ионизацию молекул газа в межконтактном промежутке за счет энергии электронов или ионов газа, разогнанных силами электрического поля). Поэтому в течение этого времени интенсивно протекает процесс деионизации и плазма в межконтактном промежутке практически распадается. Чтобы вновь зажечь дугу, в следующем полупериоде требуется уже напряжение зажигания U. , большее, чем U3, которое способно пробить промежуток, т. е. вызвать сначала электростатическую, а затем с появлением тока — термоэлектронную эмиссию.
Масляный выключатель относится к коммутационным аппаратам с малым сопротивлением дуги во время отключения. В период дугового разряда отключаемый масляным выключателем ток в каждый последующий полупериод практически не изменяется по амплитуде.
Отключение цепи электромагнитным выключателем иллюстрирует рис. 2, б. В процессе отключения электромагнитного выключателя дуга растягивается до значительной длины и ее сопротивление по мере расхождения контактов сильно возрастает. Следовательно, в период гашения дуги в отключаемую цепь вводится увеличивающееся активное сопротивление, которое ограничивает амплитуду тока. Кроме того, рост активного сопротивления цепи в процессе отключения за счет изменения длины дуги приводит к более быстрому по сравнению с масляным выключателем увеличению напряжения гашения и зажигания в каждый последующий полупериод. Это способствует увеличению бестоковой паузы, уменьшению времени гашения дуги (сравните рис. 2, а и б).
Вывод. Ограничение амплитуды отключаемого тока и более быстрый рост напряжения зажигания и гашения дуги в электромагнитных выключателях создают лучшие условия для дугогашеиия.
Отключение индуктивной нагрузки. При индуктивной нагрузке, что характерно для большинства встречающихся на практике установок, ток отстает по фазе от напряжения. Когда возникает к. з., ток сдвинут по отношению к напряжению на угол, близкий к 90° (рис. 3). Рассмотрим отключение цепи с индуктивностью при к. з. Допустим, что размыкание контактов полюса масляного выключателя происходит в момент 1—1 (рис. 3, а). Поскольку напряжение между контактами больше напряжения зажигания, сразу возникает дуга. Далее падение напряжения в дуге по мере возрастания тока несколько снижается. Вслед за погасанием дуги в момент прохождения тока через нуль (при напряжении U,) сразу же следует ее повторное зажигание, чему способствует большая величина напряжения между контактами в момент 2— 2, близкая к максимальному значению. Таким образом, бестоковая пауза здесь практически отсутствует. Если не будет достигнуто активное охлаждение плазмы, то сохранение высокой проводимости дугового столба и облегченные условия зажигания приведут к длительному горению дуги.
Напряжение зажигания U3 в следующий полупериод больше, чем первоначальное значение U3, так как увеличилось расстояние между контактами и происходит более интенсивная деионизация остаточного дугового столба в момент перехода тока через нуль. Вместе с тем величина падения напряжения в дуге возрастает незначительно. Когда диэлектрическая прочность межконтактного промежутка возрастет настолько, что ее значение превысит величину восстанавливающегося между контактами напряжения, дуга погаснет. Восстанавливающимся напряжением называется напряжение.
появляющееся на контактах выключателя в момент разрыва цепи. Максимум восстанавливающегося напряжения UB мак показан на рис 3, а. Из рисунка 3, а также видно, что напряжение сети в этот момент близко к амплитудному значению.
Рис. 3. Изменения тока и напряжения при отключении индуктивной нагрузки масляным выключателем (а), электромагнитным выключателем (б)
Характер изменения и скорость восстановления напряжения (или иначе говоря крутизна его нарастания) оказывает большое, зачастую решающее влияние на отключающую способность выключателя. Большая амплитуда восстанавливающегося напряжения способствует пробою межконтактного промежутка. Если велика скорость восстановления напряжения, снижается время деонизации и увеличения электрической прочности межконтактной зоны, что также может вызвать повторное зажигание дуги. Поэтому скорость восстановления напряжения стремятся снизить. Процесс восстановления напряжения между контактами выключателя является переходным и отличается от синусоидального изменения напряжения промышленной частоты.
Чтобы подробнее рассмотреть процесс к. з., воспользуемся схемой замещения (рис. 4). В схеме замещения элементы электрической сети заменяются величинами L, С, R, являющимися соответственно эквивалентными индуктивным, емкостным и активным сопротивлениями всех элементов цепи. Они включают в себя индуктивное, емкостное и активное сопротивления генераторов, трансформаторов, реакторов, линий передач, кабельных линий и элементов распределительных устройств от источника питания до места к. з.
Рис. 4. Схема замещения цепи короткого замыкания.
L и С — суммарные эквивалентные индуктивность и емкость: R— суммарное активное сопротивление: В— выключатель (масляный или электромагнитный); /?0ст—остаточное последуговое сопротивление.
Разберем два характерных случая.
Первый случай — сопротивление R мал о Если сопротивление цепи мало, то в момент погасании дуги индуктивность L и емкость С образуют колебательный контур. Появляется э. д. с. переходной составляющей более высокой частоты, чем напряжение сети, которая изменяется по
гармоническому закону, но затухает; ее максимальное значение может достичь амплитудного значения напряжения сети. Для более наглядного представления характера изменения э. д. с. переходной
составляющей воспользуемся ее математическим выражением.
Изменение переходной составляющей может быть представлено формулой
(1)
где Uu — напряжение переходной составляющей; Uс — напряжение сети промышленной частоты;
(2)
где Uм — амплитуда напряжения сети; ш0=2nf0 — собственная круговая частота колебаний в контуре коммутации, имеющем R, L, С Частота колебаний в контуре определяется выражением
(3)
Из рассмотрения (1) следует, что напряжение переходной составляющей изменяется по гармоническому закону (член cos), но
затухает по экспоненциальному закону
Когда активное сопротивление контура коммутаций R мало, то при малых значениях времени t (начальный период к. з.) числитель дроби —
близок к нулю и экспоненциальный член выражения (1) равен единице. Гармонический член cos t будет принимать значения также равные единице Поэтому напряжение переходной составляющей может быть равно амплитудному значению напряжения сети
Ut_, *UK . (4)
Так как переходная составляющая накладывается на синусоиду напряжения сети, максимум восстанавливающегося напряжения и*, макс может достигнуть величины удвоенного значения амплитуды сетевого напряжения:
(5)
уже через полупериод собственной частоты переходной составляющей.
Скорость восстановления напряжения также зависит от частоты переходной составляющей и суммарной величины амплитуды. Практически не представляется возможным регулировать параметры (R\ L и С) цепи короткого замыкания. Поэтому с целью улучшения условий дугогашения и восстановления напряжения в некоторых конструкциях масляных выключателей предусмотрено включение параллельно контактам дополнительного активного сопротивления.
Второй случай — сопротивление R велико. Если сопротивление цепи короткого замыкания велим (R^+ оо ), то в момент погасания дуги индуктивность L и емкость С колебательный контур не образуют. Процесс восстановления напряжения приобретает, как правило, апериодический характер и максимальное значение восстанавливающегося напряжения UB. макс не превысит амплитуды сетевого напряжения, что примерно и наблюдается во время отключения электромагнитного выключателя. При размыкании контактов электромагнитного выключателя, начиная с момента 1—1 (рис. 3, б), в цепь отключения вводится активное сопротивление дуги, возрастающее по мере расхождения контактов. Значительное активное сопротивление существенно ограничивает амплитуду тока к моменту погасания дуги, уменьшает сдвиг фаз между током и напряжением и создает условия, при которых колебания в контуре L—С практически не возникают. Гашение дуги приближается по своему характеру к процессу, аналогичному для отключения цепи с активной нагрузкой. Если же колебания в контуре R—L—С имеют место, то, поскольку сдвиг фаз между током и напряжением небольшой, электромагнитный выключатель отключается, когда напряжение сети не достигает амплитудного значения. Поэтому величина восстанавливающегося напряжения будет меньше, что весьма благоприятно. Напряжение переходной составляющей в этом случае будет значительно меньше апплитуды сетевого напряжения. Кроме того, на переходный процесс восстановления напряжения положительно влияет и характер изменения остаточного сопротивления R0ст (рис. 4) дугового промежутка. Заряды, оставшиеся в межконтактном пространстве после обрыва дуги, перемещаются под действием электрического поля, образуя ток остаточной проводимости.
Ост iTJ4Hoe сопротивление (сопротивление цепи тока остаточной проводимости) демпфирует колебания в контуре емкое гь — “индуктивность, т. е. уменьшает их амплитуду и увеличивает затухание, причем тем больше, чем меньше величина этого остаточного сопротивления. В определенном смысле малое остаточное сопротивление включенное параллельно контуру L—С, по эффекту своего действия эквивалентно большой величине сопротивления R, включенного в цепь контура последовательно. Помимо этого, ток остаточной проводимости, если нет источников ионизации, помогает деионизации и росту диэлектрической прочности межконтактного промежутка. Если же имеются источники ионизации в межконтактном промежутке (например, термоэмиссия при высокой температуре), мо-
жет возникнуть возрастающий остаточный ток, который будет способствовать росту температуры дугового канала и повторным зажиганиям дуги. Таким образом, для дугогашения благоприятен остаточный ток при определенной динамике его изменения
После погасания дуга в электромагнитном выключателе остаточное сопротивление имеет небольшую величину. Однако в первоначальный момент после обрыва дуги действие остаточного сопротивления эквивалентно большому сопротивлению, последовательно включенному в колебательный контур. Поэтому изменения переходной составляющей восстанавливающегося напряжения происходят с небольшой частотой и амплитудой н, следовательно, общее превышение сетевого напряжения незначительна. По мере возрастания последующего сопротивления ток остаточной проводимости снижается, но .4 этому моменту уже затухают колебательные явления.
Вывод. Отключение электромагнитным выключателем тока к. з. в индуктивной цепи происходит более благоприятно по сравнению с масляным выключателем.
Следует подчеркнуть, что амплитуда напряжения промышленной частоты на полюсах трехфазного выключателя имеет неодинаковую величину для момента обрыва тока в первой фазе и двух других фазах. При изолированной нейтрали системы (худший случай) в момент погасания дуги в первой фазе между контактами соответствующего выключателя напряжение промышленной частоты будет равно
. После разрыва двух фаз напряжение
между контактами будет равно
, где 1/к—напряжение между контактами выключателя; 1)ф — фазное напряжение сети. Напряжение в двух других фазах почти в 2 раза меньше напряжения, возникающего между контактами выключателя при обрыве тока в первой фазе, и поэтому дугогашение происходит легче.
Отключение малых индуктивных токов. Различие в отключении малых индуктивных токов масляным и электромагнитным выключателями заключается в неодинаковом протекании процесса обрыва (среза) тока. Как уже отмечалось, наиболее часто встречающимися на практике коммутациями такого вида является отключение ненагруженных трансформаторов. Величина токов, которые могут обрывать (срезать) масляные и электромагнитные выключатели, невелика и составляет 7—10 А. Обрыв дуги такой небольшой мощности в масляном выключателе происходит резко, под воздействием ее хорошего охлаждения маслом. Резко выраженному обрыву дуги способствует емкость элементов схемы (трансформатора), присоединенная параллельно межконтактному промежутку выключателя. При этом запасенная в трансформаторе электромагнитная энергия преобразуется в электростатическую энергию заряда его собственных емкостей.
Резкий обрыв тока, небольшая величина собственной емкости трансформатора (тысячи пикофарад) и отсутствие естественных разрядных контуров определяют появление значительных перенапряжений. Они особенно велики при отключении ненагруженного трансформатора масляным выключателем (рис. 5, а), так как в индуктивноемкостных контурах схемы возбуждаются высокочастотные колебания, способствующие увеличению амплитудных значений
В электромагнитном выключателе небольшой индуктивный ток не претерпевает резкого обрыва. По мере расхождения контактов длина дуги возрастает, ток уменьшается Прерыванию тока в зоне расхождения контактов выключателя, правда, способствует воздушный поддув, охлаждающий дуговую среду, но активное сопротивление дуги демпфирует колебательные процессы. В связи с этим, как видно из рис. 5, б, перенапряжения имеют меньшие амплитудные значения по сравнению с отключением малого индуктивного тока масляным выключателем.
Рис. 5. Изменение напряжения при отключении малых индуктивных токов масляным выключателем (а) и электромагнитным выключателем (б).
Iср—ток среза; (7макс— амплитуда перенапряжений.
Расчетное определение тока «среза» представляет большие затруднения в силу сложных зависимостей от характеристик отключения выключателей и параметров схемы Однако проведенные экспериментальные исследования и вероятностно-статистический анализ полученных данных показали, что при отключении электромагнитными выключателями ненагруженных трансформаторов генерируются в 1,5 раза меньшие перенапряжения, чем при отключении масляными выключателями.
Возникновение к.з. в период отключения рабочих токов. В процессе эксплуатации электроустановок к. з. могут возникнуть в любой момент. Сравнительно редко встречающимся, но представляющим опасность является случай к.з., когда масляным выключателем производится отключение рабочего тока. Газообразование в зоне дуги при отключении рабочего тока удаляет масло от контактов. Прохождение тока к. з. через столб дуги малого сечения, образованный рабочим током, вызывает импульсный эффект в условиях недостаточности масла для деионизации. Большое давление передается из зоны дуги маслу. Возникает гидравлический удар, который может повредить бак выключателя. Подобного рода явления, вызвавшие серьезные последствия (при отключении рабочего тока происходило наложение тока к.з., в несколько раз меньшего максимальной величины тока, который может отключить выключатель), отмечены в литературе. Электромагнитный выключатель свободен от этого недостатка.
