2. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий
На рис. 3 представлена схема ненагруженной линии. Выключатель В3 отключают ненагруженную линию Л1. В цепи протекает синусоидальный ток. При обрыве этого тока (при его прохождении через нуль) напряжение на линии Л1 имеет амплитудное значение U=Uy.max. После обрыва тока на линии сохраняется напряжение U0=Uy.max, создаваемое зарядом на емкостях линии. На контактах выключателя появляется напряжение Uв(t), вызванное разностью ЭДС источника e=Emaxcos(t) и напряжение U0 , созданное зарядом на линии. Uв(t)=Emaxcos(t)–U0. Через полпериода промышленной частоты напряжение на контактах выключателя достигнет значения Emax+ U0.
Рис. 3. а) схема ненагруженной линии;
б) переходной процесс при повторном зажигании дуги в выключателе
Максимальное напряжение в переходном процессе зависит от повторного пробоя межконтактного промежутка выключателя. Возможность повторного пробоя определяется соотношением между кривыми возрастания электрической прочности промежутков выключателя и восстанавливающегося напряжения (рис.4.). Если кривая восстанавливающегося напряжения (кривая 1) пересечет кривую роста электрической прочности промежутков выключателя Uпр(t) в точке В, то произойдет повторное зажигание дуги. Если же восстанавливающееся напряжение Uв(t) (кривая 2) растет медленно, то отключение ненагруженной линии произойдет без повторного пробоя.
Рис.4. Кривые восстанавливающейся прочности (Uпр) (1) и напряжения на выключателе (Uв) (2)
Из опыта эксплуатации известно, что величина перенапряжения составляет 3Uф. При снижении уровня изоляции до 2,5Uф при отключении ненагруженной линии указанные перенапряжения становятся опасным для изоляции.
3. Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов
Для изучения перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатора рассмотрим схему замещения (рис.5). На данной схеме L1 и C1 представляют собой индуктивность и емкость источника, L2 – индуктивность отключаемого ненагруженного трансформатора, а C2 – его входную емкость.
Рис. 5. Схема замещения трансформатора
При больших токах (например, при отключении короткого замыкания) окончательный разрыв всегда имеет место в момент прохождения тока через нуль, причем снижение тока до нуля происходит плавно.
При малых токах (например, при отключении ненагруженных трансформаторов) степень ионизации дуги оказывается незначительной и под действием рабочего дутья выключателя может произойти очень быстрый распад дугового столба еще до того, как ток проходит через свое нулевое значение (впрочем, в настоящее время существуют вакуумные, элегазовые выключатели, время отключения которых мало; для таких выключателей возможно отключение в любой точке синусоиды). При этом сопротивление дуги скачком возрастает, а ток в дуге резко снижается до нуля. Происходит так называемый «срез» тока. Мгновенное значение тока, которое может быть «срезано», зависит от степени ионизации дуги в этот момент времени и от дугогасящих способностей выключателя.
Допустим, что в схеме на рис.5. в момент времени t0 произошел срез тока, мгновенное значение которого было Iсрез (рис.6). После обрыва тока магнитная энергия L2I2cрез/2 будет переходить в электрическую энергию конденсатора C2 –> C2U22max/2. Этому процессу соответствует уравнение
где Icр – ток среза.
Из приведенного уравнения определяется максимальное или так называемое «ожидаемое», значение перенапряжения:
,
где U0-напряжение на емкости C2 в момент t0
Рис.6. Временная диаграмма перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатора
Расчеты показывают, что U2max во много раз превышает номинальное напряжение трансформатора, так как L2 – индуктивность холостого хода трансформатора исчисляется десятками генри, а ток среза может оказаться равным 10-20 А.
При возникающих перенапряжениях прочность межконтактного промежутка оказывается недостаточной и происходит повторное зажигание дуги в выключателе. Сам выключатель выступает «ограничителем» перенапряжений. В результате нового среза тока может появиться следующий пик напряжений и процесс на осциллограмме выглядит в виде чередующихся срезов тока и последующих пробоев контактного промежутка.
Повторные зажигания дуги в выключателе могут прекращаться довольно быстро, но могут продолжаться и несколько полупериодов. Длительность существования повторных зажиганий зависит от ожидаемого перенапряжения, интенсивности затухания собственных колебаний и скорости роста восстанавливающейся прочности выключателя.
Поскольку перенапряжения при отключении индуктивностей лишь в очень редких случаях достигают предельных значений и имеет форму кратковременных импульсов, то установленные на присоединениях трансформаторов грозозащитные разрядники легко справляются с их ограничением. Возможно существенное ограничение перенапряжений применением выключателей с шунтирующими сопротивлениями, через которые часть энергии, запасенной в индуктивности, возвращается в сеть. Эти сопротивления подобны тем, которые рекомендовались выше для ограничения перенапряжений ненагруженных линий, однако значения сопротивлений должны быть того же порядка, что и индуктивное сопротивление отключаемой цепи.