Глава VII
ГАШЕНИЕ ДУГИ B ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ VI 1.1. РАЗЛИЧНЫЕ СЛУЧАИ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Гашение дуги переменного тока происходит в момент перехода тока через нуль. Ранее были рассмотрены основные процессы при переходе тока через нуль. Теперь необходимо остановиться на некоторых практических данных. Гашение дуги может произойти не при первом переходе тока через нуль, а при втором, третьем и т. д. переходе. Желательно, чтобы гашение дуги осуществлялось при первом же переходе тока через нуль, и на это должны быть направлены усилия конструкторов. Чем меньше длительность дуги, тем меньше нагревание и обгорание контактов и меньше нагревание всех токоведущих частей выключателя.
Для поддержания динамической устойчивости энергосистемы важно, чтобы авария была отключена в возможно короткое время. Ставится требование, чтобы авария отключалась не более чем через 0,025—0,030 сек, причем в это время входит длительность дуги не более 1—1,5 полупериодов. Следовательно, необходимо, чтобы восстанавливающаяся прочность дугового промежутка возрастала как можно быстрее.
Гашение дуги возможно и до естественного перехода тока через нуль. Такое досрочное гашение дуги, называемое срезом тока, наблюдается при отключении мощными выключателями малых токов в сильно индуктивных цепях, например при отключении ненагруженных трансформаторов или реакторов. При внезапном резком обрыве тока запасенная в индуктивности электромагнитная энергия переходит в электростатическую, вызывая появление значительных перенапряжений, в результате чего могут возникнуть повторные зажигания дуги и потребовать нового ее гашения. Следует указать, что перенапряжения в этом случае обычно не опасны и могут быть ликвидированы грозозащитными разрядниками. Запасенная в индуктивности энергия невелика, и разрядники легко с нею справляются.
При отключении емкостной нагрузки, например разомкнутой на конце линии электропередачи, также возникают перенапряжения, могущие вызвать повторные зажигания дуги и тем создать тяжелые условия для работы выключателя. Эти перенапряжения особенно опасны при нескольких повторных зажиганиях дуги в выключателях, а поэтому к современным выключателям предъявляется требование, чтобы они не допускали более одного повторного зажигания дуги при отключении емкостной нагрузки. Опасность повторных зажиганий дуги в выключателях может быть исключена применением в них шунтирующих сопротивлений.
Рис. VII.2. Начальный скачок восстанавливающегося напряжения:
1 — медные электроды; 2 — латунные электроды
Рис. VII.3. Рост восстанавливающегося напряжения (кВ) со временем для двух типов дугогасительных устройств воздушных выключателей:
I — дутье через сопло: 2 — дутье в цилиндре камер воздушных выключателей. Заштрихована область разброса данных опытов.
На рис. VI 1.4 приведены результаты сравнительного исследования восстанавливающейся прочности воздуха и элегаза при радиальном магнитном дутье и отключаемых токах порядка 1000 а. Как видно из рисунка, восстанавливающая прочность элегаза много выше, чем воздуха.
Для характеристики восстанавливающегося напряжения широко применяется понятие о скорости восстановления напряжения. Различают среднюю и максимальную скорости восстановления напряжения. Из рис. VII.5 можно установить, что средняя скорость
(VII.2)
максимальная —
Часто принимают, что
Величина Uт называется амплитудой возвращающегося напряжения, т. е. напряжения рабочей частоты f, появляющегося на контактах выключателя после окончательного гашения дуги. В уравнении (VII.2) предположено, что амплитуда восстанавливающегося напряжения равна удвоенной амплитуде возвращающегося напряжения. Отношение ka= Uma|Um получило название коэффициента превышения амплитуды*.
Рис. VI 1.4. Восстанавливающаяся электрическая прочность при радиальном магнитном дутье. Штриховые линии для SFs — нижний и верхний пределы полученных значений
* В дальнейшем будем сокращенно писать «коэффициент амплитуды»
По ГОСТ 687—67 при номинальной мощности отключения значение ka = 1, 3; при 60% этой мощности — ka= 1,6. Нормы определены на основании широких эксплуатационных исследований в электросистемах высокого напряжения. Эти исследования показали, что вероятность появления больших скоростей восстановления напряжения и высоких коэффициентов амплитуды весьма мала и наблюдается лишь при мощностях отключения, много меньших номинальной. Предельный случай (ka = 2) наблюдается крайне редко и лишь при весьма малых мощностях отключения. Однако с таким случаем приходится сталкиваться при отключении так называемых неудаленных коротких замыканий.
Рис. VII.5. Определение средней и максимальной скорости восстановления напряжения
Если короткое замыкание на линии происходит на небольшом расстоянии от выключателя (от подстанции), то емкость такого малого участка линии невелика и частота собственных колебаний цепи значительyа. Это приводит к повышенной скорости восстановления напряжения и повышенному коэффициенту амплитуды. Правда, как показывают эксплуатационные наблюдения, мощность отключения в таких случаях невелика. Можно существенно облегчить работу выключателей в таких режимах применением шунтирующих сопротивлений малой величины. Они снижают скорость восстановления напряжения и повышают отключающую способность выключателей.
Вопросу о неудаленных коротких замыканиях и поведению выключателей при этом уделяется в настоящее время большое внимание и на нем следует остановиться несколько подробнее. При малом расстоянии между местом короткого замыкания на линии и выключателем реактивное сопротивление участка мало, ток короткого замыкания увеличивается, а частота колебаний восстанавливающегося напряжения возрастает. И то и другое утяжеляет работу выключателя. Все же имеется только определенная зона расстояний, в которой могут возникать повторные замыкания дуги в выключателе, опасные для его работы. При анализе процессов в данном случае необходимо учитывать волновой характер распространения тока и напряжения по линии, а также явление отражения волн от места короткого замыкания.
Рис. VI 1.6. Восстанавливающаяся прочность (1) и восстанавливающееся напряжение (2) при разном удалении от выключателя до места короткого замыкания
На рис. VI 1.6 изображен процесс изменения восстанавливающейся прочности выключателя и восстанавливающегося напряжения на его контактах при разных удалениях от выключателя до места короткого замыкания. В начальные моменты времени ток возрастает почти прямолинейно, пока не придет отраженная от места короткого замыкания волна, вызывающая снижение тока. Затем ток снова возрастает до нового падения (получается характерная пилообразная кривая). На рис. VII.6, а пилообразная кривая лежит ниже кривой 1 восстанавливающейся прочности выключателя. При большем удалении точки короткого замыкания периоды подъема и спада напряжения удлиняются, а их амплитуды повышаются (рис. VII.6, б). На рис. VII.6, в кривая восстанавливающегося напряжения пересекает кривую восстанавливающейся прочности — происходит повторное зажигание дуги. На рис. VII.6, г кривая восстанавливающегося напряжения идет достаточно полого и, хотя амплитуда ее повышена, пересечения кривых не происходит.
Таким образом, только при определенных удалениях точки короткого замыкания от выключателя возможно пересечение кривых и повторное зажигание дуги. Зона возможных пересечений кривых, как показывают расчеты и опыт, лежит в области 2—5 км от выключателя.
Можно отметить, что масляные выключатели легко отключают неудаленные короткие замыкания вследствие быстрого роста восстанавливающейся прочности дугового промежутка после прохождения тока через нуль. Воздушные выключатели хуже справляются с неудаленными короткими замыканиями. Предельным случаем неудаленного короткого замыкания является короткое замыкание на шинах выключателя. Как следует из рис. VII.6, а, этот случай не является тяжелым.
Рис. VII.8. Начальные участки кривых восстанавливающегося напряжения при шунтировании выключателя сопротивлением:
I — при шунтировании выключателя безындукционным сопротивлением и коротком замыкании на шинах подстанции; 2 —то же, при небольшой индуктивности шунта; 3 — отключение неудаленного короткого замыкания при заметной индуктивности шунта: 4 — то же, при отсутствии шунта
Облегчение работы выключателей при отключении неудаленных коротких замыканий можно достичь, шунтируя разрывы контактов дугогасительных камер активными сопротивлениями. Принципиальная схема такого устройства показана на рис. VI 1.7. Выключатель имеет главный разрыв тока 2 и вспомогательный 1.
Рис. VII.7. Схема цепи с шунтирующим сопротивлением в выключателе
Вспомогательный разрыв шунтирован сопротивлением. При отключении сначала размыкаются контакты разрыва 1, и происходит гашение возникшей в нем дуги. Как видно из предыдущего, гашение шунтированной дуги облегчается. Затем размыкаются контакты главного разрыва 2, которому приходится размыкать ток, уменьшенный сопротивлением г. Поэтому отключение тока в главном разрыве происходит в более легких условиях, чем в выключателе без шунтирующего сопротивления.
На рис. VII.8 приведены начальные участки кривых восстанавливающегося напряжения выключателя при отключении тока короткого замыкания на шинах выключателя и при неудаленном коротком замыкании. Здесь ясно видно, какое значение для начальной кривой восстанавливающегося напряжения выключателя имеет шунтирование его сопротивлением, особенно безындукционным.
Заметим, что отключение вспомогательного разрыва тока с одной стороны облегчается вследствие ограничения тока шунтирующим сопротивлением, а с другой — затрудняется тем, что чем меньше r, тем больше скорость восстановления напряжения. Однако, как правило, шунтирование выключателя благоприятно сказывается на его работе.
