книги / Электрические аппараты. Общий курс

Применением шунтирующего сопротивления малой величины можно настолько снизить скорость восстановления напряжения, что­ бы гашение дуги в первом разрыве практически не зависело от соб­ ственной частоты сети. Возможный максимальный пик восстанавли­ вающегося напряжения при этом также значительно уменьшается (примерно в 2 раза). Таким образом, для снижения скорости восста­ новления напряжения на первом разрыве желательно иметь воз­ можно малое значение Яш-

Рис. 4-16. Выравнивание напряжения по разрывам с помощью емкост­ ного делителя.

Как правило, дуга в разрыве 1 гаснет при первом прохождении тока через нуль. После этого расходятся контакты 2 и между ними горит дуга. Сопротивление Яш облегчает работу и этого разрыва, так как введение в цепь активного сопротивления Яш уменьшает ток и сдвиг фаз между током и э. д. с. источника, что снижает вос­ станавливающееся напряжение промышленной частоты.

Для облегчения работы второго разрыва желательно иметь со­ противление большей величины; выбор Яш приведен в [Л. 4-7—4-9]. Обычно Яш определяется условиями работы разрыва /.

В настоящее время шунтирующие сопротивления малой величи­ ны применяются в выключателях на все классы напряжения, осо­ бенно при напряжениях до 35 кВ, где токи отключения достигают больших значений.

При напряжении более 35 кВ применяется многократный раз­ рыв. Восстанавливающееся напряжение промышленной частоты, при­ ходящееся на один разрыв, уменьшается пропорционально числу разрывов. Соответственно уменьшается и скорость восстановления напряжения. Емкостное сопротивление между всеми контактами практически одинаково (I/o)СР), но токи, текущие через разрывы, различны ввиду наличия емкостей элементов аппаратов относительно земли С3 (рис. 4-16). Это создает неравномерное распределение на­ пряжения по разрывам, причем-чем больше число разрывов, тем больше неравномерность распределения напряжения.

Для выравнивания напряжения по разрывам применяют емкост­ ные или активные шунты [Л. 4-10].

Если СШ^20С 3, то токами, текущими через паразитные емко­ сти на землю, можно пренебречь. При этом напряжение делится по­ ровну между разрывами. Активное сопротивление выбирается таким образом, чтобы

JRju ^ 1/20со0 С3,

где ю0—угловая частота восстанавливающегося напряжения; С3— паразитная емкость на землю.

4-8. Отключение короткой дуги переменного тока

К моменту подхода тока к нулю промежуток между электродами еще заполнен сильно ионизированным га­ зом. Под действием восстанавливающегося напряжения образуется электрическое поле, которое действует на ионы и электроны.

Из-за малой массы электронов их скорость в элект­ рическом поле примерно в 2000 раз больше скорости по­ ложительных ионов.

Электроны, обладающие большой скоростью, быстро уходят.из зоны катода, и около катода появляется по­ ложительный объемный заряд.

Благодаря высокой проводимости остальной части промежутка, в которой положительные и отрицательные ионы взаимно уравновешиваются, почти все напряжение, приложенное к электродам, ляжет на область положи­ тельного объемного заряда у катода. Здесь возникает очень высокая напряженность поля Е (порядка 30000 кВ/м).

Примерная картина распределения зарядов в объе­ ме, напряженности электрического поля Е и напряжения

на промежутке и пред­ ставлена на рис. 4-17. На этом рисунке d — толщи­ на слоя положительного объемного заряда, распо­ ложенного у катода, Un— напряжение, приложен­ ное к электродам.

Для того чтобы дуга загорелась вновь, необхо­ димо, чтобы из катода было получено соответст­ вующее количество элек­ тронов — основных носи­ телей тока в дуге. Если катод не нагрет до темпе­ ратуры, при которой на­ чинается термоэмиссия, то необходимое количест­ во электронов может быть получено только за счет автоэлектронной эмиссии; последняя воз­ можна при напряженно­ сти поля порядка 30000 кВ/м (при медных

на промежутке 250 В [Л. 4-2]. Если напряжение меньше этой величины, то дуга гаснет.

В случае сильно нагретых электродов часть электронов с катода получается за счет термоэмиссии. Поэтому напряжение, необходимое для начала разряда, снижается до 160—170 В. Прочность промежут­ ка после прохода тока через нуль сильно зависит от материала эле­ ктродов. Очень хорошие результаты дает латунь. Прочность, образу­

ванным выше значениям. Такой случай имеет место при небольших токах и быстром перемещении дуги по электродам.

При токах порядка сотен ампер даже при быстром перемещении Дуги по электродам из-за термоэлектронной эмиссии прочность па­

дает до 140 В при медных электродах. При токах более 100 А к не­ подвижных опорных точках дуги прочность снижается до 40—60 В. При токах короткого замыкания она снижается до околоэлектродного падения напряжения (20—30 В).

Описанный выше процесс образования прочности происходит практически мгновенно (0,1 мкс). После этого прочность промежутка растет, так как число зарядов быстро уменьшается из-за рекомбина­ ции ионов и диффузии заряженных частиц в окружающее простран­ ство и к поверхности электродов. Для коротких дуг исключительно большое влияние на процесс деионизации оказывают электроды, причем при меньших расстояниях между электродами электрическая прочность растет быстрее. Близкое расположение электродов способ­ ствует снижению температуры газа, что в свою очередь ведет к рез­ кому возрастанию рекомбинации [Л. 4-2].

Явление образования околокатодной прочности было впервые открыто Слепяном [Л. 4-2] и в настоящее время широко используется для гашения дуги в аппаратах низкого напряжения. Если дугу раз­ бить на ряд коротких дуг металлическими электродами, то после прохода тока через нуль образуется мгновенно электрическая проч­ ность, равная сумме всех околокатодных прочностей. Если результи­ рующая прочность больше пика восстанавливающегося напряжения, то дуга гаснет при первом же прохождении тока через нуль. Такое

В связи с широким применением высокочастотной закалки и вы­ сокочастотных печей электрическим аппаратам приходится отключать

собственная частота рассматриваемых цепей соизмерима с частотой источника. Можно показать, что в этом случае напряжение, восста­

где Е — амплитуда э. д. с. источника: со — угловая частота тока источ­ ника питания; о)0 — собственная частота колебаний отключаемой цепи; р — коэффициент затухания собственных колебаний:

р = R/2L.

Для качественного анализа кривой восстанавливающегося на­ пряжения примем, что со = (о0 (такое соотношение встречается на практике). Тогда (4-18) принимает вид:

две составляющие: установившегося режима ех— Е cosсо ^ и переход­ ного режима е2= —Ее~Р* cos cat. Эти составляющие и результирую­ щая кривая представлены на рис. 4-18, а. Амплитуда восстанавли­ вающегося напряжения возрастает постепенно по мере затухания переходной составляющей е2. Максимальная амплитуда восстанавли­ вающегося напряжения равна амплитуде э. д. с. источника.

менение деионной решетки (§ 4-8, 10-3).

4-10. Отключение малых индуктивных токов

Дугогасительная способность воздушных выключателей и авто­ матов рассчитывается так, чтобы обеспечить гашение дуги с наи­ большим током для данного аппарата.

При отключении малых токов из-за эффективной деионизации возможен обрыв (срез) тока до естественного прохождения его че­ рез нуль. Аналогичный процесс может происходить и в масляных выключателях.

Срез тока при отключении индуктивной цепи может привести Кперенапряжению, опасному для оборудования.

На практике с этим случаем встречаются при отключении тока холостого хода трансформатора или отключении трансформатора, несущего небольшую индуктивную нагрузку.

Упрощенная схема замещения представлена на рис. 4-19, а. При срезе тока электромагнитная энергия, накопленная в индуктивности, переходит в электростатическую:

У с _ с А

(4-20)

2 ** 2 '

где LT— индуктивность трансформатора; îc— ток среза;

Ст —эквивалентная емкость трансформатора; Uc— напряжение н^ трансформаторе при срезе.

Рис. 4-19. К процессу обрыва тока.

Согласно (4-20) напряжение на трансформаторе U0 при обрыве равно:

v ‘ - ‘< Y k -

Так как Ст небольшая емкость, то £/с может достигать весьма больших значений, могущих привести к пробою изоляции оборудо­ вания. Исследования показали, что при отключении малых индуктив­ ных токов перенапряжения могут достигать больших значений (до 4 ип в сетях 110 кВ и до 8 Un в сетях 6 кВ) [Л. 4-6]. Для ограни­ чения перенапряжений контакты аппарата шунтируются резистором, который переводит колебательный процесс изменения напряжения на трансформаторе в апериодической (рис. 4-19,6). В этом случае вы­ ключатель имеет два разрыва, один из которых шунтирован резисто­ ром Rm. Вначале расходятся контакты Ви и резистор Rm через гене­ ратор подключается параллельно трансформатору. Электромагнит­ ная энергия переходит в тепловую в этом резисторе. Сопротивление резистора должно быть меньше критического:

С точки зрения уменьшения перенапряжения сопротивление ре­ зистора Rm должно быть возможно меньше. Минимальное значение этого сопротивления ограничивается отключающей способностью вто­ рого разрыва В2 и обычно берется несколько меньше критического. Подробно вопрос переходных процессов и выбор Rm рассмотрены в [Л. 4-2].

4-11. Отключение емкостных токов конденсаторных батарей и длинных линий

При отключении конденсатора часто наблюдаются весьма боль­ шие перенапряжения.

Рассмотрим процесс отключения для схемы рис. 4-20, а. Зависи­ мости токов и напряжений во времени даны на рис. 4-20, б. Посколь­ ку нагрузка чисто емкостная, ток в цепи опережает напряжение ис­ точника на 90° (рис. 4-20, в).

Пусть контакты разошлись в точке 1 и дуга погасла в точке 2. В этот момент напряжение на конденсаторе достигает амплитудного Значения напряжения источника. Напряжение на шинах (левый за­

жим пыключателя) также равно напряжению источника, так что разность потенциалов на контактах выключателя и практически рав­ на нулю. Пели пренебречь сопротивлением утечки конденсатора, то После гашения можно считать, что напряжение на конденсаторе по­ стоянно и равно £/с.

Напряжение на шинах меняется по закону Æcoscof. Разность ПОТанциалоп на зажимах выключателя равна:

и щ- е — Е cos о t = Е (1— cos © t).

По прошествии полупериода промышленной частоты напряжение на промежутке достигает значения 2 Е. Если прочность междуконтактного промежутка больше, чем напряжение 2 £, то на этом про­ цесс отключения заканчивается.

Напряжение, появляющееся на контактах в установках высокого напряжения, может пробить промежуток. Рассмотрим наиболее тя­ желый случай, когда пробой промежутка происходит через 0,01 с после погасания дуги. В момент пробоя (точка 3) напряжение на промежутке равно 2 Е. При пробое возникает высокочастотный про­ цесс изменения напряжения. Амплитуда переходной составляющей в начальный момент равна 2 Е. Частота колебаний определяется ин­ дуктивностью источника L и отключаемой емкостью С. Напряжение высокочастотной составляющей колеблется около э.д.с. источника как около нулевой линии. Из-за наличия потерь эта составляющая затухает.

Высокочастотный ток колебательного разряда, меняясь с той-же частотой /о, отстает от напряжения на 90°. Если дуга с высокоча­ стотным током погаснет в первый нуль тока (точка 4), то напряже­ ние на конденсаторе будет равно — 3£, а напряжение на зажимах выключателя 2Е. Через полупериод основной частоты к промежутку будет приложено напряжение 4 Е. Если выключатель не выдержит этого напряжения, возникает повторны й пробой с амплиту­ дой переменной составляющей высокой частоты 4 Е. В том случае, когда дуга с током высокой частоты будет погашена в первый нуль тока (точка 5), то напряжение на емкости станет равным 5 Е. Таким образом, если не учитывать затухания, то при каждом повторном пробое напряжение на конденсаторе возрастает на 2£. При первом пробое оно равно 3£, при втором 5£ и т. д. Таким образом, пов­ торные пробои дают чрезвычайно опасные перенапряжения, которые могут повести к повреждению изоляции оборудования.

Поэтому должны быть приняты меры к устранению повторных пробоев либо за счет быстрого роста прочности промежутка, либо снижением напряжения на емкости после гашения дуги в точке 2 за счет разряда этой емкости через шунтирующее сопротивление Rm (рис. 4-20,6). В этом случае сначала размыкается разрыв Вх и вво­ дится сопротивление Rm, после чего отключается ток разрывом В2. Расчеты напряжения на контактах выключателей и выбор приве­ дены в [Л. 4-2 и 4-10]. Величина сопротивления Rm выбирается та­

При отключении длинной холостой линии процесс проходит ана­ логичным образом, если не появляется повторный пробой. При нали­ чии повторных пробоев в линии возникают волновые процессы, кото­ рые в конечном счете создают примерно такие же высокие потенциа­ лы в установке, как и при отключении конденсатора.

4-12. Пример расчета скорости восстановления напряжения

Трансформаторная группа с номинальной мощностью 32 000 кВ-А

инапряжением 35 кВ/HO кВ питается от системы бесконечной мощ­ ности. Трехфазное короткое замыкание произошло на стороне 110 кВ

иотключается выключателем. Нулевая точка трансформатора на стороне 110 кВ заземлена, а в месте короткого замыкания нуль изо*

лирован. Напряжение короткого замыкания трансформатора Хк =

Сш=4000 пФ.

Требуется найти частоту восстанавливающегося напряжения и среднюю скорость восстановления напряжения на контактах полю­ са, отключающегося первым.

Схема замещения представлена на рис. 4-21, а.

Обычно каждая фаза трансформатора представляется индуктив­ ностью L и емкостью Сэт= Ст/2 на ее концах. Так как нуль заземлен, то остается одна емкость Сэ.т = 1750 пФ.

Пусть дуга погасла в фазе Л, тогда схема может быть преоб­ разована в рис. 4-21,6.

Рис. 4-21. Схемы замещения для расчета процесса восстановления напряжения.

ш(0 У з / к и У з / н-100

или. «глп нмразить ток / через мощность Р„ и напряжение Un,

/ _ //„■У„% и» У з У-Хк%_______ 110М0М0,5______

<» | 3/» . too ~%nfPn-100 2- 3,14-50-32 000103- 100

Согласно [Л. 4-2] при высокой частоте индуктивность трансфор­ матора уменьшается на 30%. Тогда

1ф = 0,71 = 0,0883 Г.

Общая емкость фазы Сф = Сэ.т+Сш = 1750+4000= 5750 пФ.

г—110• 103

= 4*7,07* 103*1,5 Y 2 -----— «10~“в = 3800В/мкс. V s

После отключения фазы А в следующий нуль тока гаснет дуга в фазах В и С (рис. 4-21, в). Примем, что напряжение между полю­ сами фаз В и С делится поровну. Тогда

Таким образом, отключение полюсов В и С происходит в более легких условиях.

Г л а в а п ятая ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

5-1. Общие сведения о магнитных цепях аппаратов

а) Магнитная цепь аппарата, основные законы. Электромагниты нашли в аппаратостроении широкое применение и как элемент привода аппаратов (контак­ торы, пускатели, реле, автоматы, выключатели), и как устройство, создающее силы, например в муфтах и тор­ мозах.