Краткие теоретические сведения о перенапряжении

В соответствии с современными представлениями о переходных процессах, связанных с коммутацией вакуумных выключателей (ВВ), существует четыре механизма возникновения коммутации перенапряжения (КП).

 

1.1.1. Срез тока

Явление среза тока в высоковольтных выключателях было обнаружено сразу после начала использования вакуумных выключателей. Долгое время срез тока считался единственной причиной возникновения перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями индуктивных нагрузок.

Срез тока и механизм развития перенапряжения от среза тока не являются особенностью вакуумных выключателей, они характерны для всех коммутационных аппаратов со значительной дугогасящей способностью.

Суть явления среза тока для вакуумных выключателей состоит в следующем. При отключении переменного тока, если момент начала разведения контактов не совпадает с нулем тока промышленной частоты, между контактами аппаратов загорается дуга. Дуга между контактами вакуумного выключателя горит в парах металла контактов. Концентрация паров металла случайна и уменьшается при снижении тока до нуля. При достижении током естественного нуля концентрация пара становится недостаточной для поддержания горения дуги и она гаснет.

В вакуумных выключателях нестабильность дуги связана прежде всего с природой контактного материала, а уровень тока среза зависит от контактного материала, а также от уровня и формы отключаемого тока.

Кроме того, в вакуумных выключателях срез тока происходит за чрезвычайно короткое время, что воспринимается сетью как мгновенный переход выключателя из состояния «включено» в состояние «отключено».

Таким образом, срез тока вакуумного выключателя – практически мгновенный обрыв малого тока до перехода через нуль, происходящий из-за внутренней неустойчивости вакуумной дуги (рис. 1, i_ch – уровень тока среза).

 

Рис. 1. Осциллограмма среза тока

 

Коммутационное перенапряжение от среза тока тем меньше, чем ниже уровень тока среза i_ch и меньше волновое сопротивление присоединения.

К существенному снижению уровня коммутационного перенапряжения при срезе тока могут привести множественные пробои межконтактного
промежутка (рис. 2), в результате которых часть магнитной энергии, оставшейся в индуктивности нагрузки после среза тока, возвращается в источник.

Механизм этого явления выглядит следующим образом. После среза
тока (одновременно с повышением напряжения на нагрузке) на контактах
вакуумного выключателя начинает восстанавливаться напряжение и с увеличением межконтактного расстояния повышается прочность межконтактного промежутка.

Если скорость повышения напряжения на контактах высоковольтного выключателя значительна и превосходит скорость увеличения прочности межконтактного промежутка, то наступает момент, когда напряжение на контактах превосходит прочность межконтактного промежутка – происходит пробой
(см. рис. 2, момент t₁), начинается переходный процесс перезаряда суммарной емкости кабеля C_k, нФ, и нагрузки C_н, нФ, через индуктивность кабеля L_k, мГ, и емкость источника C_u. Через контакты после пробоя протекает суммарный ток i_hf, состоящий из убывающего тока промышленной частоты i_p и тока высокой частоты.

Вакуумный промежуток имеет высокую способность
отключать высокочастотный ток, поэтому в некоторый случайный момент t₂ при очередном переходе суммарного тока через нуль дуга гаснет. Нагрузка
воспринимает отключение суммарного тока как срез составляющей промышленной частоты i_p, вслед за которым следует процесс восстановления напря­жения (см. рис. 2 – между моментами t₂ и t₃). Снова существует вероятность пробоя межконтактного промежутка – так называемого повторного пробоя (см. рис. 2, момент t₃), но даже если он не происходит, то теперь амплитуда восстанавливающего напряжения на нагрузке оказывается меньше, чем амплитуда напряжения от первоначального среза U_m1, так как i_p< i_ch.

Процесс повторных зажигания и гашения заканчивается, когда прочность межконтактного промежутка оказывается больше амплитуды восстанавливающегося на контактах напря-жения.

Эффективное средство снижения перенапряжения из-за среза тока – подбор материала контактов с низким уровнем тока среза, однако чрезмерное уменьшение уровня тока среза значительно ухудшает отключающую способность вакуумного выключателя.

 

1.1.2. Эскалация напряжения

При попытке применения вакуумных выключателей (с контактным материалом с низким током среза) для коммутации высоковольтных электродвигателей (ВЭД) проблема перенапряжения возникла снова. Причиной возникновения перенапряжения оказалась эскалация напряжения (рис. 3).

Эскалация напряжения, так же, как и срез тока, характерна не только для ВВ, но и для масляных выключателей (МВ), она может достигать девятикратного увеличения.

Суть явления эскалации напряжения для ВВ заключается в следующем: при отключении пускового (более
100 А) тока ВЭД, если момент начала разведения контактов попадает в интервал от 1 мс до нуля тока промышленной частоты одной из фаз (рис. 4, например, фазы А), дуга гаснет практически в нуле тока. Процесс восстановления напряжения на контактах может прерваться пробоем межконтактного промежутка (рис. 5, момент t₁).

Рис. 4. Схема коммутации при пуске ВЭД

Механизм повторных пробоев межконтактного промежутка, происходящих далее, аналогичен механизму повторных пробоев после среза тока, но составляющая i_p суммарного тока i_hf через контакты не убывает, а повышается (рис. 5). Это приводит к увеличению от пробоя к пробою тока в нагрузке и, следовательно, к увеличе­нию амплитуды восстанавливающегося напряжения.

 

Рис. 5. Процесс восстановления напряжения на контактах

 

Таким образом, эскалация напряжения – процесс нарастания напряжения на нагрузке, возникающий в результате многократного повторения последовательно происходящих процессов:

роста магнитной энергии в индуктивности нагрузки после каждого
повторного зажигания вакуумной дуги;

перехода части (если повторный пробой) или всей (если пробоя нет) накопившейся магнитной энергии индуктивности нагрузки в электростатическую энергию емкости присоединения после каждого гашения высокочастотной вакуумной дуги.

Эскалация напряжения в ВВ продолжается до тех пор, пока не будет выполнено одно из следующих условий:

ВВ выдерживает восстанавливающееся напряжение (см. рис. 5);

суммарный ток в ВВ не переходит больше через ноль. В этом случае в первом гасящем полюсе ВВ горит устойчивая дуга тока 50 Гц, которая отключается без перенапряжения в следующем нуле тока – к этому моменту времени контакты ВВ расходятся на расстояние, достаточное для выдерживания переходного восстанавливающегося напряжения (рис. 6);

происходит нарушение изоляции нагрузки.

После объяснения природы эскалации напряжения ученые начали искать средства защиты от перенапряжения, вызванного эскалацией.

1.1.3. Виртуальный срез тока (наведенный)

Причиной пробоев межконтактного промежутка может быть перенапряжение из-за «виртуального (наведенного) среза тока». Суть данного явления в следующем: при повторном пробое в первом гасящем полюсе ВВ (см. рис. 4, например, в полюсе А) заряженная до некоторого напряжения емкость фазы А кабеля со стороны нагрузки разряжается через емкостные и индуктивные связи на стороне источника через два других полюса ВВ и емкости фаз В и С. В
общем случае в полюсах В и С в это время горит дуга тока промышленной
частоты.

 

Рис. 6. Электрические процессы при расхождении контактов ВВ

 

Если амплитуда высокочастотного тока, трансформировавшегося в полюсах В и С, превосходит мгновенное значение тока промышленной частоты этих фаз, то суммарный ток в этих полюсах ВВ переходит через ноль и (из-за высокой способности ВВ отключать токи высокой частоты) может быть отключен (рис. 7). В этом случае на осциллограмме токов наблюдается одновременное прерывание тока во всех полюсах ВВ (рис. 7).

Если мгновенное значение тока в фазах В и С нагрузки в момент «виртуального среза тока» составляет десятки и сотни ампер (на­пример, при отключении пускового тока ВЭД), то возникающая вследствие этого КП, как правило, очень значительна и опасна для изоляции.

Явление «виртуального среза тока» может наблюдаться только при отключении ВВ трехфазных цепей с изолированной нейтралью.

 

1.1.4. Множественные пробои

при включении выключателя

При включении выключателя контакты сближаются, вакуумный проме­жуток пробивается сразу перед гальваническим контактом и затем происходит серия пробоев (так же, как и при отключении выключателя). При дальнейшем сближении контактов диэлектрическая прочность межконтактного зазора уменьшается и напряжение пробоев U_г также уменьшается с тече­нием времени. Исследования показывают, что при включении качественно спроектированного ВВ уровень КП не превышает 2,3U_фаз, практически (в 90 % случаев) он ниже 1,4U_фаз,
поэтому «виртуальный срез тока» в этом случае мало вероятен.

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: