Общие сведения о быстродействующих выключателях постоянного тока
Быстродействующие автоматические выключатели (БВ), применяемые на тяговых подстанциях, являются основными аппаратами распределительных устройств постоянного тока напряжением 3,3 кВ. Они служат как для оперативного включения и отключения под гоком питающих линий и выпрямителей, так и для автоматического отключения их в аварийном режиме. Быстродействующие автоматические выключатели сочетают две функции: собственно выключателей, разрывающих цепь постоянного тока и гасящих возникающую при этом дугу, и одновременно являются мгновенной направленной или ненаправленной (в зависимости от типа выключателя) максимальной токовой защитой.
В цепях постоянного тока выключатель должен гасить дугу при токе большой величины, возникающем при КЗ, перегрузке, а также при оперативном отключении рабочего тока по эксплуатационной надобности. Самое трудное — обеспечение надежного гашения дуги при аварийном отключении, когда установившийся ток КЗ достигает 20— 30 тыс. А, что имеет место при КЗ вблизи подстанции. Во избежание выхода из строя выпрямителей и для обеспечения гашения дуги стремятся, чтобы БВ отключал поврежденный участок в течение нескольких миллисекунд, т. е. до того, как возрастающий ток КЗ достигнет установившегося значения
Рис. 35. Изменение тока при КЗ в сети постоянного тока
Процесс размыкания цепи постоянного тока БВ при КЗ можно расчленить на три отрезка времени (рис. 35): время (а, за которое ток КЗ возрастает до тока уставки срабатывания выключателя Iу.ср; собственное время выключателя tu равное отрезку времени, за который ток изменяется от значения величины уставки (точка А) до значения, когда начинается расхождение контактов (точка Б); время гашения дуги t3, состоящее из t2, в течение которого ток после начала расхождения контактов возрастает (точки Б, В), и t3 — t2, в течение которого ток уменьшается от максимума (точка В) до нуля (точка Г).
Током уставки выключателя принято называть ток, при котором приходит в действие его механизм отключения. Время нарастания тока КЗ до тока уставки выключателя определяется параметрами цепи (омическим сопротивлением и индуктивностью). На рис. 35 показана кривая нарастания тока КЗ для случая, когда в момент, предшествовавший КЗ, в цепи не было нагрузки. Эта кривая характеризуется выражением
(6)
где ik — мгновенное значение тока КЗ, A; Ud — выпрямленное напряжение, В; Lk — индуктивность короткозамкнутой цепи, включая питающую сеть и обмотки трансформаторов, Гн; R — сопротивление короткозамкнутой цепи, Ом; t—время, отсчитываемое с момента возникновения КЗ, с.
Ток КЗ достигает значения 95% расчетной установившейся величины в течение 0,02—0,1 с в зависимости от соотношения RK и LK. Поэтому основной задачей конструкторов Б В является уменьшение отдельных составляющих tоткл. В том случае, когда ток уставки срабатывания БВ Iу.ср значительно меньше установившегося тока КЗ, а время составляет тысячные доли секунды, отключение поврежденной цепи происходит при токе КЗ, меньшем установившегося значения, что облегчает гашение дуги. Время t3 — t2, в течение которого ток КЗ уменьшается от достигнутого наибольшего значения до нуля и происходит гашение дуги, не может быть чрезмерно уменьшено вследствие возможного возникновения в цепи перенапряжения из-за большой э. д. с. самоиндукции еL = — L (di/dt). Перенапряжение нежелательно, так как оно может вызвать повторное зажигание дуги между контактами БВ. По указанным соображениям от БВ требуется большое быстродействие в отношении собственного времени t1, которое должно быть меньше 0,005 с. Кроме того, необходимо в идеальном случае до нуля уменьшить t2, в течение которого ток КЗ при разомкнувшихся контактах продолжает возрастать до наибольшего значения. Уменьшение времени t2 может быть достигнуто за счет резкого увеличения сопротивления горящей дуги. Собственное время I, зависит от принципа действия и конструкции механизма БВ, а время t2 — от конструкции дугогасительной камеры. Полное время отключения современных БВ tоткл = 0,08 с.
