2.1. Токоограничение в автоматических выключателях

Активное электрическое сопротивление канала дуги, образовавшегося после расхождения контактов аппарата, нарастает во времени под воздействием дугогасительного устройства вплоть до бесконечности, когда этот канал превращается в изолятор, а ток цепи становится равным нулю. Нарастающее во времени сопротивление канала дуги может оказаться значительно выше сопротивления нагрузки и это существенно повлияет на условия отключения цепи автоматическим выключателем, который будет отключать уже ограниченный ток.

Впервые О.Б. Брон установил [3], что электрическое сопротивление дуги, возникающей в местах коротких замыканий, оказывается также высоким, так как большие токи короткого замыкания вызывают электродинамический

Рис. 1 Степень ограничения токов КЗ сопротивлением

отброс перемычек между проводами, образование и быстрое растяжение электрической дуги. Полученные статистические опытные данные позволили прийти к выводу о том, что в реальных условиях работы автоматических выключателей предельные токи короткого замыкания не превышают 70-80 кА. На рис. 1 изображена опытная кривая, отражающая взаимосвязь между фактическим током короткого замыкания I_ф (кривая 2) и расчетным током короткого замыкания I_рас, полученным при условии металлического короткого замыкания (кривая 1).

На рис. 2 даны кривые изменения во времени тока дуги при отключении цепи постоянного тока без ограничения его сопротивлением дуги (кривая 1) и при ограничении тока этим сопротивлением (кривая 2). Кривая 3 отражает рост сопротивления дуги во времени. В первом случае автоматический выключатель разрывает дугу с током , во втором ¾ с током , и условия гашения дуги во втором случае значительно легче, чем в первом.

Рис. 2 Кривые изменения токов при отключении короткого замыкания (постоянный ток)

Полное время отключения токоограничивающего автоматического выключателя определяется

, (1)

где t₀ ¾ время от возникновения короткого замыкания до достижения тока срабатывания I_ср механизма автоматического выключателя; t₁ — время работы механизма расцепления и выбора провала контактов; t₂ — время гашения дуги.

Из рис. 2 видно, что t_полн для автоматического выключателя с ограничением тока значительно меньше, чем для автоматического выключателя без ограничения тока. Заметим, что так называемое собственное время отключения автоматического выключателя является суммой времен t₁ и t₂.

Ограниченный дугой ток при постоянном напряжении можно оценить:

, (2)

где U ¾ напряжение сети; R_н — сопротивление нагрузки до места короткого замыкания; R_д,апп — сопротивление дуги в аппарате; R_д,кз — сопротивление дуги в месте короткого замыкания.

Изменяющийся во времени i_огр можно определить

, (3)

где и — градиент напряжения и изменяющаяся во времени длина дуги в дугогасительном устройстве аппарата; и — градиент напряжения и длина дуги в месте короткого замыкания. Для приближенных расчетов можно принять и использовать зависимости для и , приведенные в гл. 2.

Рис. 3 Процессы отключения переменного тока при ограничении его сопротивлением дуги

Характеристики процессов отключения переменного тока в условиях его ограничения сопротивлением дуги дана на рис. 3. Из-за изменения сопротивления дуги угол сдвига фаз между током и напряжением изменится от до , максимальное значение тока уменьшится от до , возвращающееся напряжение промышленной частоты снизится от до . Все это существенно облегчит условия гашения дуги переменного тока: уменьшение угла сдвига фаз и напряжения U₀ снизит скорость изменения восстанавливающегося напря-жения, а снижение тока повысит восстанавливающуюся проч-ность. Приближенно параметры этих процессов определяются

; (4)

. (5)

Для дальнейшей расшифровки этих зависимостей можно воспользоваться теми же зависимостями, что и для ограниченного сопротивлением дуги постоянного тока. Штриховая линия на рис. 3 — характеристика тока без его ограничения сопротивлением дуги.