4.8. Коммутационные перенапряжения

4.8.1. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий и батарей конденсаторов

Отключение ненагруженных линий и батарей конденсаторов может сопровождаться значительными перенапряжениями, если в процессе отключения между контактами полюса выключателя происходят повторные зажигания. Повторные зажигания между расходящимися контактами выключателя возникают, если электрическая прочность межконтактного промежутка выключателя оказывается меньше, чем восстанавливающееся после гашения дуги напряжение на его контактах. Процессы, сопровождающие повторные зажигания, можно рассмотреть, представив разомкнутую линию в виде сосредоточенной емкости (рис. 4.42). Считаем, что выключатель отключает емкостный ток при прохождении его через нулевое значение. В этот момент напряжение на емкости максимально и равно U_C0 ≈ –E_m (при не очень большой длине линии, рис. 4.42, б).

Рис. 4.42. Расчетная схема (а) и процесс повторных зажиганий при отключении емкости (б)

После обрыва дуги напряжение на емкости не меняется, сохраняя свое значение U_C0 = –E_m. Напряжение же источника изменяется по синусоидальному закону и через полпериода достигает значения +E_m. Напряжение между контактами выключателя будет равно 2Е_m, и если к этому моменту электрическая прочность между контактами окажется ниже, чем 2Е_m, то возможен пробой межконтактного промежутка, т. е. повторное включение линии. Начнется переходный процесс перезарядки линии (емкости) от начального напряжения U_нач = – E_m до принужденного значения напряжения U_пр = + E_m (до значения вынуждающей ЭДС). Во время переходного процесса напряжение на линии (емкости) может достигнуть максимальной величины (без учета затухания):

U_m = U_пр + U_св, (4.81)

где U_св – амплитуда свободной составляющей переходного процесса, которая может быть упрощенно найдена как модуль разности:

U_св = │U_пр – U_нач│ = 2E_m . (4.82)

Тогда максимальное напряжение на линии (емкости) U_m (4.81) будет равно 3E_m. При этом в момент максимума напряжения суммарный ток проходит через нулевое значение, и поэтому в выключателе вновь произойдет гашение дуги. При погасании дуги напряжение на линии (емкости) остается неизменным, равным примерно 3E_m.

Через полпериода промышленной частоты (0,01 с) напряжение источника станет равно E_m, а разность потенциалов на контактах выключателя достигнет 4E_m. Если вновь произойдет пробой межконтактного промежутка в этот момент времени, то снова возникнут колебания напряжения на емкости с амплитудой свободной составляющей 4E_m, а максимальное напряжение на линии (емкости) достигнет 5E_m. Если продолжить подобные рассуждения, то рассматриваемые опасные повторные зажигания могли бы привести к непрерывному возрастанию перенапряжений. Однако этого не происходит, так как современные выключатели имеют значительную скорость восстановления электрической прочности, благодаря чему в подавляющем большинстве случаев при отключении холостых линий происходит не более одного повторного зажигания дуги. Поэтому перенапряжение на линии не должно превышать 3U_ф. Однако в приведенных рассуждениях не рассматривается емкостный эффект, учет которого приводит к увеличению остающегося напряжения на линии, т. е. U₀ > E_m, и тогда напряжение между контактами выключателя будет больше 2E_m, что приведет к увеличению вероятности повторных зажиганий, возрастанию амплитуды свободной составляющей переходного процесса и росту возможных перенапряжений.

Таким образом, повторные зажигания дуги в выключателе вблизи максимума восстанавливающегося напряжения на контактах приводят к существенным перенапряжениям, поэтому необходимо принимать меры по их ограничению. Рассмотрим основные пути ограничения перенапряжений при отключении ненагруженных линий.

1. Радикальным способом ограничения этого вида перенапряжений является увеличение скорости восстановления электрической прочности между контактами выключателя. Исключив повторные зажигания, мы полностью исключаем перенапряжения при отключении холостых линий. Однако этот способ не всегда пригоден, так как с увеличением быстродействия выключателей сильно возрастают перенапряжения при отключении холостых трансформаторов.

2. Применение выключателей с шунтирующими сопротивлениями R_ш (рис. 4.43).

Рис. 4.43. Схема выключателя с шунтирующим сопротивлением R_ш

Выключатель имеет два разрыва, один из которых зашунтирован сопротивлением. При отключении сначала размыкается разрыв 1, а затем начинают расходиться контакты разрыва 2. При прохождении тока через нуль дуга в первом разрыве гаснет, но после этого линия остается присоединенной к источнику через сопротивление R_ш.

Поэтому при изменении напряжения источника заряд на линии не остается неизменным, а частично стекает обратно в источник. Кроме того, после гашения дуги в первом разрыве ток в цепи приобретает активную составляющую и проходит через нуль уже не при максимуме напряжения. Поэтому после гашения дуги во втором разрыве линия остается заряженной до напряжения, которое существенно меньше E_m. Это уменьшает вероятность повторного зажигания, но если оно и произойдет, величина перенапряжения будет значительно снижена.

3. Применение вентильных разрядников на ЛЭП. При этом грозоза-щитные разрядники используются для линий длиной не более 200 км. Ограничение связано с пропускной способностью этих разрядников.

4. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий резко снижаются, если к линии остаются присоединенными электромагнитные трансформаторы напряжения. При увеличении напряжения на линии сердечники этих трансформаторов очень сильно насыщаются, их индуктивность резко снижается и через эту сниженную индуктивность заряд с линии стекает в землю.