книги / Электрические аппараты

момента времени b кривая электрической прочности а '—1' ниже кривой восстанавливающегося напряжения и'в. При

называется идеализированной. Тогда процесс изменения напряжения на контактах можно представить так: при горении дуги емкость С0 закорочена и напряжение па ней равно нулю. После прохождения тока через нуль дуга гаснет и начинается заряд емкости С8 от источника Е через

Длительность переходного процесса восстановления на­ пряжения много меньше полупериода промышленной часто­ ты. Поэтому можно принять для данного момента времени, что схема питается от источника постоянной ЭДС Е (рис. 4.11,6). Когда дуга горит, контакт К замкнут и напряже­ ние на дуге ис — 0. При прохождении тока через нуль дуга гаснет и ее сопротивление гд= о о , что равносильно размы­ канию контакта К. После размыкания К начинается процесс заряда емкости Сж через R и L от источника Е. Из-за на­

где Е — ЭДС источника в момент нуля тока; р — коэффи­ циент затухания, равный R!(2L)\ оз0 — собственная угловая частота контура RLC3, практически равная 1/УТСэ.

В действительности процесс гашения дуги и восстанов­ ления напряжения идет сложнее. Когда дуга горит, то ее сопротивление гд мало. После прохождения тока через нуль подвод мощности к дуге прекращается и благодаря ДУ со­ противление дугового промежутка гд возрастает. В этот же момент времени к промежутку приложено восстанавлива­ ющееся напряжение цв и через сопротивление гя течет ток, который называется остаточным /ОСт=МвЛд. В дуге выде­ ляется мощность P%=i^cT Гд. Если отводимая от дуги с по­

мощью ДУ мощность Р отв> Р д, то дуга продолжает ох­ лаждаться, ее сопротивление увеличивается и процесс га­ шения заканчивается успешно. Если РД> Р 0тв> происходит разогрев столба дуги, ее сопротивление гд падает н проис­ ходит пробой. Поэтому под электрической прочностью сле­

Сопротивление гд, будучи включенным параллельно конденсатору Сэк, дополнительно демпфирует процесс вос­ становления напряжения. Чем меньше сопротивление гд (рис. 4.11,а), тем большее затухание имеет кривая восста­ навливающегося напряжения. Как правило, угловая часто­ та колебаний и0 мало зависит от реальных значений R и Гд, которые в основном сказываются на коэффициенте затуха­ ния. Если положить, что rA= co n st, то коэффициент затуха-

н2 L ГдС

зрения восстанавливающегося напряжения принимают гд= = оо. Следует отметить, что рассчитать зависимость гд (/) исключительно трудно, и об этом сопротивлении чаще су­ дят по результатам испытаний.

4.5. ФАКТОРЫ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОЦЕСС ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

При гашении дуги переменного тока как низкого, так и высокого напряжения одним из решающих факторов яв­ ляется восстанавливающееся напряжение. Для оценки кри­

вающегося напряжения приближенно, если пренебречь за­ туханием, может быть найдена по формуле

где UB— мгновенное значение ЭДС источника в момент ну­ ля тока (возвращающееся напряжение); Т0/ 2 — полупериод собственных колебаний восстанавливающегося напряжения, в течение которого напряжение достигает максимального пика, равного 2UB\ fQ— собственная частота колебаний.

Очевидно, что чем больше f0 и возвращающееся напря­ жение промышленной частоты UB тем выше скорость вос­ становления напряжения. С ростом скорости восстановле­ ния напряжения необходимо увеличивать скорость нараста­ ния электрической прочности междуконтактного промежут­ ка. В противном случае либо увеличивается длительность горения дуги, либо аппарат вообще не сможет отключить цепь. Скорость нарастания обычно очень велика и измеря­ ется в вольтах за 1 мкс Восстанавливающееся напряжение часто оценивается собственной частотой /0 и коэффициентом

и з

пика Ка, который определяется отношением максимального пика к возвращающемуся напряжению промышленной ча­ стоты:

,,UB(l — е~ ря/Иоcos «о ~

В высоковольтных выключателях /(* = 1,44-1,5 и умень­ шается с ростом отключаемого тока. В низковольтных ап­ паратах он ниже.

Собственная частота /0 определяется индуктивностью L и эквивалентной емкостью Сэк, которые зависят от мощ­ ности КЗ цепи, номинального напряжения сети, номиналь­

ния уменьшается. Однако скорость восстановления напря­ жения, пропорциональная номинальному напряжению сети (4.14), может быть достаточно высокой. Необходимо отме­ тить, что мгновенное значение возвращающегося напряже­

напряжение на промежутке меняется по синусоидальному закону, определяемому ЭДС источника.

Таким образом, отключение чисто активной цепи про­ исходит значительно легче, чем индуктивной.

Для оценки условий восстановления напряжения вводят­ ся огибающие прямые, касательные к кривой восстанавли­ вающего напряжения (рис. 4.11, г) [3.1]. Здесь ломаная ли­ ния 1 — огибающая значений восстанавливающегося напря­ жения по ГОСТ 687-78, кривая 2 — восстанавливающееся напряжение в месте установки выключателя. Кривая 2 не должна пересекать ломаную 1.

Остановимся на особенностях отключения трехфазной

Рис 4.12. Токи и напряжения на кон­ тактах идеального выключателя в процессе отключения трехфазной цепи

менно во всех трех фазах. Ос­ циллограмма процесса отклю­ чения показана на рис. 4.12.

Ia, Ib, 1с превращается в од­

Можно показать, что если нулевая точка заземлена толь­ ко в одном месте (у источника или в месте К З), то восста­ навливающееся напряжение промышленной частоты

(См. пример § 4.12). Таким образом, условия гашения дуги для первой отключающей фазы намного тяжелее, чем для оставшихся двух других фаз.

Для случаев трехфазных КЗ отношение возвращающе­ гося напряжения на первом гасящем дугу полюсе к наи­ большему фазному напряжению называется коэффициен­ том первого гасящего полюса Кп,г- Для фазы В коэффици­

ент /(п г=1,5. Коэффициент Ка,г зависит от контура КЗ и колеблется от 0,5 до 2 [3.1]. Возвращающееся напряже­ ние определяется уравнением

где Uнаиб.н — наибольшее допустимое значение линейного напряжения системы.

Как правило, если в коммутационных электрических аппа­ ратах обеспечивается отключение первой фазы, то отклю­ чаются и оставшиеся две.

Рис. 4.13. Схема для расчета восстананливающегося напряжения при неудаленном КЗ

Рис. 4.14. Кривая восстанавливаю­ щегося напряжения

Особенно тяжелые условия восстановления напряжения наблюдаются при отключении КЗ воздушной линии вбли­ зи мощной подстанции на расстоянии I от сборных шин в несколько сот метров — несколько километров. Восста­ навливающееся напряжение на контактах А, В выключате­ ля (рис. 4.13)

ив ~ иА Мд'

Напряжение иА относительно земли на контакте А меняет­ ся по кривой, аналогичной кривой на рис. 4.11, в. Напряже­ ние Ug относительно земли контакта В меняется по пило­ образной зависимости с высокой частотой колебаний (рис. 4.14), определяемой длиной I линии f0 = v/(4t), где v — скорость распространения волны по линии. Поскольку I не­ велика, то полупериод 7'0/2 = 1 / (2f0) мал и скорость вос­ становления напряжения значительна, достигая нескольких киловольт в микросекунду [4.1]:

du'dt = 0,22/,

где / — ток КЗ, А.

Если Ua<€.Ub, то первый пик восстанавливающегося на­ пряжения

Um = 2V2I<*L2l.

Время наступления этого напряжения

Т012 = 4IIV,

здесь L ' — удельная индуктивность линии, Гн/км; I — дли­

— 300 000 км/с для воздушной линии.

К неудаленным КЗ очень чувствительны воздушные вы­ ключатели (§ 18.5), у которых в первые моменты времени после прохода тока через нуль электрическая прочность восстанавливается медленно. Для облегчения гашения дуги применяются емкостные и активные шунты (см. § 4.6).

4.6. ОТКЛЮЧЕНИЕ ЦЕПЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ШУНТОВ

Возрастание скорости восстановления напряжения при­ водит к тяжелым режимам работы отключающих аппара­ тов. Облегчить эти режимы можно либо увеличением ско­ рости нарастания электрической прочности в ДУ, либо искусственным снижением скорости восстановления напря­ жения. Второй путь более экономичен и в настоящее время широко используется. Для снижения скорости восстановле­ ния напряжения применяются низкоомные и высокоомные шунты.

Рассмотрим принцип действия низкоомного шунта (рис. 4.15). Выключающий аппарат имеет два разрыва. Разрыв 1 шунтирован резистором Rm. Сопротивление Rw выбирает­ ся так, чтобы колебательный процесс восстановления на­ пряжения перевести в апериодический. Для этого необхо­

Процесс восстановления напряжения при наличии шун­ та и без него показан на рис. 4.16. Наибольшая скорость,

Шунтирующий резистор с малым сопротивлением поз­ воляет настолько снизить скорость восстановления напря­ жения, что гашение дуги в первом разрыве практически не

все классы напряжения, особенно при напряжениях до 35 кВ, где токи отключения достигают больших значений. При напряжении более 35 кВ применяются многократные разрывы. Восстанавливающееся напряжение промышлен­ ной частоты, приходящееся на один разрыв, уменьшается пропорционально числу разрывов. Соответственно умень­ шается и скорость восстановления напряжения. Емкостное сопротивление между всеми контактами практически оди­ наково, но токи, текущие через разрывы, различны ввиду наличия емкостей элементов аппарата относительно земли С3 (рис.4.17). Это создает неравномерность напряжения по разрывам. С ростом числа разрывов эта неравномерность

землю, можно пренебречь. При этом напряжение делится поровну между разрывами.

4.7.ОТКЛЮЧЕНИЕ КОРОТКОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Кмоменту прохождения тока через нуль промежуток между электродами заполнен сильно ионизированным га­ зом. Под действием восстанавливающегося напряжения об­

в электрическом поле примерно в 2000 раз больше скоро­ сти положительных ионов.

Электроны, обладающие большой скоростью, быстро уходят из зоны катода, и около катода появляется поло­ жительный объемный заряд. Благодаря высокой проводи­ мости остальной части промежутка, в которой положитель­ ные и отрицательные ионы взаимно уравновешиваются, почти все напряжение, подведенное к электродам, прикла­ дывается к области положительного объемного заряда у ка­ тода. В этой области возникает очень высокая напряжен­ ность поля Еп, достигающая 30 000 кВ/м.

Примерная картина распределения зарядов в объеме, напряженности электрического поля Еи и напряжения на промежутке и представлена на рис. 4.18, где d — толщина слоя положительного объемного заряда, расположенного у катода; Un— напряжение, приложенное к электродам.

Для того чтобы дуга загорелась вновь, необходимо, что­ бы из катода было получено соответствующее количество основных носителей тока в дуге — электронов. Если катод

не нагрет до температуры, при которой начинается термоэмиссия, то необходимое количество электронов может быть получено только за счет автоэлектронной эмиссии.

ют, что такая напряженность поля получается при напря­ жении на промежутке 250 В [4.1]. Если напряжение мень-

ие, то дуга гаснет.

При сильно нагретых электродах часть электронов с катода полу- ' тется за счет термоэмиссии и напряжение, необходимое для начала разГяда, снижается до 160—170 В. Прочность промежутка после прохож-

. сния тока через нуль сильно зависит от материала электродов и при

жается к указанному выше значению (250 В) и имеет место при не- С'льших токах и быстром перемещении дуги по электродам.

ется на ряд коротких дуг с помощью металлических электродов. После прохождения тока через нуль ре-

Рис. 4 18. К анализу процессов в ко­ роткой дуге переменного тока:

û —распределение зарядов в дуговом про-* межутке, б н в—зависимости электриче­ ской напряженности и разности потенциал лов от положения точки в дуговом разряде