3. Самопогасание силовых дуг на линиях электропередачи

Если возникла устойчивая дуга, то она может гореть до срабатывания средств автоматического отключения линии. Однако в некоторых случаях в результате растяжения дуги может произойти ее самопогасасние. Самопогасание происходит при снижении градиента напряжения Е до некоторого критического значения Е_кр в результате растяжения дуги.

Первоначально длина дуги определяется направлением пути перекрытия. Далее в течении сотых долей секунды дуга под воздействием электромагнитных сил между отдельными участками дугового столба скручивается в спирали. В последующем конвекционные силы, связанные с нагревом воздуха, а также ветер, действующий на дуговой столб в целом, растягивают дугу.

Рис.1. Кривые изменения во времени тока и сопротивления самопогасающей открытой дуги на деревянной опоре 110 кВ. 1, 2 – нумерация опытов.

По мере растяжения дуги возрастает ее сопротивление и ограничивается ток в дуге, пока при некоторой длине, когда градиент Е = U/l_д достигает Е_кр, сопротивление дуги резко нарастает и дуга обрывается. Это происходит тем скорее, чем больше первоначальная длина дуги и меньше ток короткого замыкания (металлического) в месте перекрытия. Кривые изменения R и I дуги при перекрытии изоляции линии 110 кВ на деревянных опорах (без троса) по пути провод-земля показаны на рис. 1. Времена самопогасания дуги в этих же условиях достигают примерно 10…80 периодов при токах в пределах 200…800 А. Эти времена, как правило, превышают время автоматического отключения линии, так что рассчитывать на самопогасаниае дуг можно только в случае очень малых токов короткого замыкания или при резких ветрах, способствующих растягиванию дуги. Поэтому самопогасание дуги имеет существенное практическое значение лишь в сетях 35 кВ и менее, имеющих незаземленную нейтраль. В таких сетях градиенты рабочего напряжения невелики, а ток однофазного замыкания мал, так что возникшая дуга угасает в течении нескольких периодов.

4. Автоматическое повторное включение и условия самопогасания дуг при апв

Автоматическое повторное включение (АПВ) позволяет ликвидировать большинство (70…90%) дуговых замыканий без длительного отключения линий и перерыва электроснабжения. АПВ повсеместно применяется как средство повышения надежности работы линий электропередач. АПВ применяется двух основных типов – трехфазное (ТАПВ) и однофазное (ОАПВ). Так большинство дуговых замыканий имеет однофазный характер, то ОАПВ весьма эффективно. Однако применение ОАПВ требует индивидуальных приводов для каждой фазы выключателя и более сложной автоматики. Поэтому применение ОАПВ оправдано только на тех линиях, где ТАПВ опасно по режимным соображениям (несинхронное включение, потеря устойчивости).

Важное значение имеет вопрос о времени повторного включения линии. Это время должно превышать время деионизации промежутка в месте дугового замыкания.

Время деионизации t_ТАПВ повышается с ростом напряжения и тока в дуге. С другой стороны, с ростом тока растет скорость растяжения дуги. Эксплуатационные данные и специальные опыты позволили построить график (рис.2), по которому выбирается максимальное время t_ТАПВ в зависимости от тока короткого замыкания и номинального напряжения линии.

Рис. 2. Зависимость минимального времени ТАПВ от тока короткого замыкания и номинального напряжения линии.

При трехфазном отключении линии (ТАПВ) на здоровых фазах может оставаться заряд, поддерживающий на этих фазах постоянное напряжение (точнее, медленно спадающее вследствие утечки зарядов на землю). Соответствующая схема показана на рис.3,а. Постоянное напряжение не

Рис. 3.Схема емкостей проводов линии и токов подпитки дуги при ТАПВ (а) и ОАПВ (б).

 - фаза отключена;  - фаза под рабочим напряжением.

создает токов смещения в междуфазных емкостях и поэтому не влияет на горение дуги на поврежденной фазе. Наоборот, при ОАПВ существует возможность поддержания дуги на отключенной фазе за счет емкостной связи с другими фазами, находящимися под рабочим напряжением 50 Гц. Путь подпитки показан на рис. 3,б. Через дугу проходит емкостной ток подпитки, равный

где С_мф – междуфазная емкость.

Ориентировочные значения токов подпитки при ОАПВ равны:

Напряжение линии, кВ	110	220	330	500	750
Ток подпитки, А/км	0.05	0.1	0.15	0.25	0.45

Опытами установлено, что минимальное время t_ОАПВ, достаточное для погашения дуги подпитки на линиях 220…500 кВ и может быть определено из соотношения

t_ОАПВ = 0.005I_C, сек, (2)

где I_C – емкостной ток, А.

На линиях СВН большой протяженности для поддержания рабочего напряжения в допустимых пределах и повышения устойчивости применяют шунтирующие реакторы, включяемые между каждой фазой и землей. Величина индуктивности реактора выбирается исходя из условия частичной компенсации емкости линии, а следовательно, собственная частота колебаний в контуре емкость линии-индуктивность реактора близка к 50 Гц.

Шунтирующие реакторы влияют на условия деионизации дугового промежутка при ТАПВ и ОПАВ. При ТАПВ (рис. 4,а) остаточное напряжение на здоровых фазах уже не остается постоянным, как на схеме рис. 3,а а в следствии разряда емкости фаз С_ф на индуктивности реактора L_р напряжения фаз 2 и 3 имеют затухающий колебательный характер с частотой f₀, близкой к 50 Гц. Эти напряжения создают ток подпитки, показанный на рис. 4,а стрелками и обуславливающий необходимость увеличения бестоковой фазы t_ТАПВ до 0.4…0.45 сек.

Рис. 4. Схема емкостей проводов линий, индуктивностей шунтирующих реакторов и токов подпитки дуги при ТАПВ (а) и ОАПВ (б). Выделены колебательный и резонансный контуры.

 - фаза отключена;  - фаза под рабочим напряжением.

При ОАПВ (рис.4,б) ток подпитки по-прежнему определяется рабочим напряжением здоровых фаз. Шунтирующие реакторы облегчают условия гашения этого тока, снижая скорость восстановления напряжения при прохождении тока через нуль. При обрыве тока в дуговом промежутке на отключенной фазе восстанавливается напряжение, имеющее две составляющие. Одна составляющая обусловлена влиянием двух здоровых фаз и имеет частоту 50 Гц, другая составляющая появляется из-за свободного колебательного разряда емкости отключившейся фазы на шунтирующий реактор с частотой f, близкой к 50 Гц. В начальный момент обе составляющие имеют разный знак; они показаны на рис. 5 кривыми 1 и 2. Сумма обеих составляющих дает напряжение, восстанавливающееся на отключенной фазе после погасания дуги (кривая 3). Как видно из рисунка, скорость роста напряжения u_в определяется разницей в частотах f и f₀ и затуханием свободных колебаний. При f₀ близкой к f , скорость нарастания напряжения u_в оказывается малой и дуга легко гаснет. Поэтому пауза ОАПВ для линий с шунтирующими реакторами может быть снижена примерно в 1.5 раза по сравнению с t_ОАПВ по формуле (2).

Рис.5. Напряжение на отключившейся фазе при ОАПВ линии с шунтирующими реакторами.

1 – составляющая 50 Гц; 2 – составляющаяся колебательного разряда на отключившейся фазе; 3 – результирующая кривая – восстанавливающееся напряжение на отключившейся фазе

В установившемся режиме после погасания дуги шунтирующий реактор вместе с емкостями отключившейся фазы (междуфазной и емкостью на землю) образует резонансный контур, в котором напряжение на фазе может достигать и даже превышать рабочее фазное напряжение на линии. По этой причине при проектировании стараются избегать условий, приводящих к полному резонансу.