Отключение электрического тока в вакууме - Явления, вызывающие перенапряжения в вакууме

3. Отключение в вакууме и возникновение перенапряжений в случае управления индуктивными цепями

3.1. Явления, вызывающие перенапряжения

Устройства отключения в вакууме (контакторы, автоматические выключатели, выключатели нагрузки) способны вызывать перенапряжения при отключении индуктивных цепей (ненагруженные трансформаторы, двигатели без нагрузки или в фазе пуска). В силу особых свойств вакуума эти перенапряжения по своему характеру могут отличаться от перенапряжений, создаваемых в тех же условиях устройствами отключения, в которых используется другая среда (воздух, элегаз, масло и т.д.). В целом, такие перенапряжения не создают проблем и не требуют принятия каких-то особых мер. Однако, для чувствительных электроприемников, например двигателей, рекомендуется использовать ограничители перенапряжений.

Перенапряжения при отключении в идеальных условиях
Даже если рассматривать теоретический случай совершенного отключения идеальным выключателем, определенный уровень перенапряжений возникает при отключении тока в индуктивной цепи. В действительности, значения напряжения на выходах различных элементов цепи должны достигать нового состояния равновесия, соответствующего состоянию отключения. Переходный режим относительно включенного состояния, предшествующего моменту отключения (прохождение тока через нуль) вызывает колебания вокруг нового состояния равновесия и создает перенапряжения по отношению к максимальному нормальному напряжению сети (см. рис. 16).
При трехфазном отключении в силу того, что отключение не производится одновременно по трем фазам, дополнительно возникает переходный режим, создающий перенапряжения. Например, в случае отключения тока короткого замыкания в сети без глухозаземленной нейтрали восстанавливающееся напряжение на выводах первого полюса отключения достигает примерно 2,1 - 2,2 p.u. (напряжение TVR в соответствии со стандартом МЭК) и 2,5 p.u. при отключении конденсаторной батареи с изолированной нейтралью.
Обрыв тока
Это явление, наиболее известное и наиболее распространенное, которое встречается во всех технологиях отключения, называется обрывом тока: преждевременное прерывание переменного тока перед его естественным прохождением через нуль. Это явление возникает, прежде всего, в автоматических выключателях, которые рассчитаны на отключение тока короткого замыкания при прерывании слабых токов. Если Ia является величиной тока обрыва, то есть тока, циркулирующего в индуктивной нагрузке L непосредственно перед отключением, то электромагнитная энергия, накопленная в нагрузке, передается в виде энергии электростатического поля в емкость С, расположенную на выводах нагрузки (1/2 L Ia2 = 1/2 C В2). Происходит повышение напряжения со стороны нагрузки, которое усиливает отклонение от состояния равновесия «цепь разомкнута» и увеличивает перенапряжения, связанные с отключением (см. рис. 17).
1 p.u. = максимальное номинальное напряжение между фазой и корпусом


Рис. U : Характеристика перенапряжений относительно максимального нормального напряжения сети при отключении индуктивной цепи

Рис. 17: Перенапряжения, связанные с отключением цепи с обрывом тока

Таким образом, эти перенапряжения пропорциональны току обрыва и характеристическому сопротивлению
(полное сопротивление)нагрузки.
В случае отключения в вакууме обрыв тока соответствует преждевременному погасанию последнего катодного пятна по причине его неустойчивости при слабом токе: эта характеристика зависит, в основном, от природы контактного материала. В таблице (см. рис 18) указаны средние значения тока обрыва для нескольких обычно используемых материалов. На практике, при значениях тока обрыва в несколько ампер, характерных для материала CuCr, никаких проблем с оборудованием не возникает. Напротив, при использовании чистой меди ток обрыва достигает повышенных значений, что, наряду с другими факторами, подтверждает невозможность применения материала такого состава.
Многократное предварительное или повторное зажигание
Между контактами происходит зажигание дуги, когда приложенное напряжение превышает электрическую прочность промежутка. Это явление неизбежно, если этот промежуток очень маленький (в конце включения и в начале отключения).
Таким образом, предварительное зажигание при включении происходит систематически, если коммутационная операция выполняется под напряжением: временной интервал между предварительным зажиганием и моментом, когда контакты соприкасаются (время тлеющего разряда перед зажиганием дуги) зависит от скорости включения и величины напряжения, приложенного в момент сближения контактов. Повторное зажигание при отключении возникает только тогда, когда время дуги (временной интервал между размыканием контактов и отключением тока) мало: в этом случае промежуток между контактами достаточный, чтобы выдержать напряжение TVR, и происходит повторный пробой диэлектрика.

Рис. 18 : Средние значения тока обрыва для нескольких обычно используемых материалов (Cu, CuCr, AgWC)
При предварительном или повторном зажигании колебательный разряд сосредоточенных емкостей вызывает ток высокой частоты (HF) (порядка десятков кГц), проходящий между контактами, с наложением на ток промышленной частоты, который устанавливается постепенно (так как до зажигания был нулевым). Эти явления неизбежны и характерны для всех типов выключателей. Особенностью вакуумных выключателей является их способность отключать ток HF, вызванный зажиганием, тогда как с помощью других типов выключателей, в целом, не представляется возможным произвести такое отключение по причине большой зависимости di/dt в момент прохождения тока через нуль. В результате отключения тока HF новое напряжение TVR создается между контактами, расстояние между которыми всего лишь немного изменилось, поскольку эти явления возникают за короткое время относительно продолжительности движения контактов, что вызывает, соответственно, новое зажигание и повторение тех же явлений (см. рис. 19). Происходит многократное последовательное зажигание, связанное с возникновением волн напряжения с амплитудой, изменяющейся в зависимости от изменения расстояния между контактами:

1. при включении амплитуда последовательности перенапряжений линейно уменьшается до смыкания контактов;
2. при отключении амплитуда возрастает, пока промежуток между контактами, наконец, не станет достаточным, чтобы выдерживать восстанавливающееся напряжение, которое, из-за возникновения скачка напряжения, всегда больше напряжения, соответствующего нормальному отключению.

Рис. 19 : Последовательное многократное зажигание в зависимости от волн напряжения с изменяющейся амплитудой

Рис. 20 : Явления многократного зажигания при размыкании контактов и отключении слабого индуктивного тока
Таким образом, последовательности перенапряжений с крутым фронтом, вызванные явлениями многократного зажигания, всегда ограничиваются стойкостью пространства между контактами, которое играет роль разрядного промежутка. Однако это ограничение, в действительности, эффективно только при включении, и, наоборот, при отключении полученные значения могут быть повышенными (см. рис. 20).
Характеристики этих двух типов сходных явлений представлены в таблице на рисунке 21. Недостаток этих серий перенапряжений больше обусловлен их крутым фронтом, чем их амплитудой. В действительности, эти волны напряжения с кратким временем нарастания (порядка 0,2 - 0,5 мкс) не распределяются равномерно по обмоткам трансформаторов и двигателей, а воздействуют, в основном, на первые витки (см. рис. 22). В результате такие волны напряжения могут вызвать ухудшение состояния и ускоренное старение изоляции между этими витками.
Обрыв виртуального тока
В особых конфигурациях (редко встречающихся на практике), характеризующихся сильными емкостно-индуктивными связями между фазами цепи, явления многократного повторного зажигания в первой фазе, которая должна отключиться, вызывают не только заметные колебания тока HF в данной фазе, но также в соседних фазах, по которым в этот момент еще проходит ток довольно значительной силы, так как является удаленным от естественного нуля. Если индуктивный ток HF достигнет амплитуды того же порядка, что и ток промышленной частоты, возникнет нуль тока («искусственный», но реальный, а не виртуальный...). Выключатель может сработать, чтобы отключить ток до его прохождения через естественный нуль. В подобных случаях значение тока обрыва вычисляется в десятках, даже в сотнях ампер, а связанные с током перенапряжения очень высоки. Предлагаемое решение вопроса состоит в том, чтобы сдвинуть заранее отключение одного из полюсов выключателя таким образом, что в течение временного интервала, когда может происходить многократное повторное зажигание, две другие фазы оставались еще включенными и, соответственно, нечувствительными к наведенным помехам. На практике такое решение не применялось в силу проблем, которые оно создает (неравномерно распределение нагрузки между полюсами при отключении тока короткого замыкания), и исключительного характера явления.

Рис. 21 : Характеристики перенапряжения, связанные с явлением многократного зажигания

Перенапряжение,
действующее
на 1 -й виток обмотки

Рис. 2 : Процентное отношение величины перенапряжения, действующего на первый виток обмотки, к времени его нарастания