1.1. 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.

В акуумный 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.