2.5 Факторы, определяющие процесс восстановления напряжения

При гашении дуги переменного тока как низкого, так и высокого напряжения одним из решающих факторов является восстанавливающееся напряжение. Для оценки кривой восстанавливающегося напряжения вводится понятие скорости нарастания этого напряжения.

Для схемы рисунок 2.11, а, средняя скорость восстанавливающегося напряжения приближенно, если пренебречь затуханием, может быть найдена по формуле

(2.14)

где U_В − мгновенное значение ЭДС источника в момент нуля тока (возвращающееся напряжение); − полупериод собственных колебаний восстанавливающегося напряжения, в течение которого напряжение достигает максимального пика равного 2 U_В ;

− собственная частота колебаний.

Очевидно, что чем больше и возвращающееся напряжение промышленной частоты U_В, тем выше скорость восстановления напряжения. С ростом скорости восстановления напряжения необходимо увеличивать скорость нарастания электрической прочности междуконтактного промежутка.

В противном случае либо увеличивается длительность горения дуги, либо аппарат вообще не сможет отключить цепь, Скорость нарастания обычно очень велика и измеряется в вольтах за 1 мкс. Восстанавливающееся напряжение часто оценивается собственной частотой и коэффициентом пика К_а, который определяется отношением максимального пика к возвращающемуся напряжению промышленной частоты;

, (2.15)

где − амплитуда восстанавливающегося напряжения.

В высоковольтных выключателях и уменьшается с ростом отключаемого тока. В низковольтных аппаратах он ниже. Собственная частота определяется индуктивностью и эквивалентной емкостью С_ЭК, которые зависят от мощности КЗ цепи, номинального напряжения сети, номинальной мощности установки, конструктивного исполнения ее элементов и линий передачи

Индуктивность L и эквивалентная емкость С_ЭК, как правило, растут с увеличением номинального напряжения, а потому собственная частота с ростом этого напряжения уменьшается. Однако скорость восстановления напряжения, пропорциональная номинальному напряжению сети (2.14), может быть достаточно высокой. Необходимо отметить, что мгновенное значение возвращающегося напряжения U_в зависит от угла сдвига фаз между током КЗ и напряжением источника при КЗ, а именно:

Для чисто индуктивной цепи , для чисто активной цепи и После прохождения тока через нуль в активной цепи напряжение на промежутке меняется по синусоидальному закону, определяемому ЭДС источника.Таким образом, отключение чисто активной цепи происходит значительно легче, чем индуктивной. Для оценки условий восстановления напряжения вводятся огибающие прямые, касательные к кривой восстанавливающего напряжения (рисунок 2.11 г) Здесь ломаная линия 1−огибающая значений восстанавливающегося напряжения по ГОСТ 687-78, кривая 2 − восстанавливающееся напряжение в месте установки выключателя. Кривая 2 не должна пересекать ломаную 1.

Остановимся на особенностях отключения трехфазной цепи. При трехфазном КЗ в плюсовых выключателях текут токи, сдвинутые по фазе на 120^о. Поэтому гашение дуги не может произойти одновременно во всех трех фазах. Осциллограмма процесса отключения показана на рисунке 2.12.

Допустим, что в фазе В при прохождении тока через нуль создались условия для гашения дуги. Для этого момента времени токи фаз А и С отличны от нуля и дуга в этих фазах погашена быть не может. После отключения фазы В трехфазная система токов , , превращается в однофазную, причем в фазе А полупериод тока увеличивается, а в фазе В − уменьшается. В точке 2 оба тока проходят через нуль, и происходит отключение тока в этих фазах. Можно показать, что если нулевая точка заземлена только в одном месте (у источника или в месте КЗ), то восстанавливающее напряжение промышленной частоты

Таким образом, условия гашения дуг для первой отключающей фазы намного тяжелее, чем для оставшихся двух других фаз. Для случаев трехфазных КЗ отношение возвращающегося напряжения на первом гасящем дугу полюсе к наибольшему фазному напряжению называется коэффициентом первого гасящего полюса . Для фазы В коэффициент =1,5. Коэффициент зависит от контура КЗ и колеблется от 0,5 до 2. Возвращающееся напряжение определяется уравнением

,

где − наибольшее допустимое значение

линейного напряжения системы.

Как правило, если в коммутационных электрических аппаратах обеспечивается отключение первой фазы, то отключаются и оставшиеся две. Особенно тяжелые условия восстановления напряжения наблюдаются при отключении КЗ воздушной линии вблизи мощной подстанции на расстоянии l от сборных шин в несколько сот метров -несколько километров. Восстанавливающееся напряжение на контактах А, В выключателя (рисунок 2.13) . Напряжение относительно земли на контакте А меняется по кривой, аналогичной кривой на рисунке 2.11, в. Напряжение относительно земли контакта В меняется по пилообразной зависимости с высокой частотой колебаний (рисунок 2.14), определяемой длиной l линии

,

где − скорость распространения волны по линии.

Поскольку l не велика, то полупериод мал и скорость

восстановления напряжения значительна, достигая нескольких

киловольт в микросекунду (2.1): ,

где − ток КЗ, А.

Рисунок 2.12 −Токи и напряжения на контактах идеально

го выключателя в процессе отключения

трехфазной цепи

Рисунок 2.13 -Схема для расчета восстанавливающегося напряжении при неудаленном КЗ

Рисунок 2.14 − Кривая восстанавливающегося напряжения

Если , то первый пик восстанавливающегося напряжения:

.

Время наступления этого напряжения

,

где − удельная индуктивность линии, Гн/км; l − длина линии, км; =314 1/с; −пилообразного напряжения; −скорость движения волны км/с; =300000 км/с для воздушной линии.

К неударенным КЗ − очень чувствительны воздушные выключатели, у которых в первые момент времени после прохода тока через нуль электрическая прочность восстанавливается медленно. Для облегчения гашения, дуги применяются емкостные и активные шунты.