5 Восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя

5.1 Параметры восстанавливающегося напряжения

Напряжение, которое появляется на контактах выключателя в переходном процессе непосредственно после погасания дуги, называется восстанавливающимся напряжением [3]. Процесс восстановления напряжения на контактах выключателя определяется схемой и параметрами электрической цепи, а также сопротивлением дугового промежутка, которое изменяется в процессе отключения.

Поэтому различают восстанавливающееся напряжение на контактах полюса выключателя, которое определяется как параметрами сети и испытательной схемы, так и характеристиками выключателя, а также наличием в отключаемом токе апериодической составляющей, и собственное восстанавливающееся напряжение, определяемое только параметрами сети или испытательной схемы.

Тяжесть отключения трехфазной цепи выключателем зависит от двух факторов: значения отключаемого тока и действительной скорости восстанавливающегося напряжения. Чем больше отключаемый ток, тем меньше скорость восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя. Поэтому выключатели, отключающие меньший ток короткого замыкания могут оказаться по параметрам восстанавливающегося напряжения в более тяжелых условиях, чем выключатели, отключающие большой ток.

5.2 Расчет параметров восстанавливающегося напряжения в однофазной системе

При расчетах предполагается, что цепь отключается идеальным выключателем, т.е. выключателем у которого сопротивление дуги равно нулю, а сопротивление промежутка между контактами мгновенно достигает бесконечности после погасания дуги. Схема замещения для расчета переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) состоит из трех ветвей, включенных параллельно: индуктивного сопротивления местной электростанции , емкости , включающей емкость проводников и электрических аппаратов (хотя она невелика, но существенно влияет на процесс восстановления напряжения) и результирующего волнового сопротивления линий , рис. 5.1.

Волновое сопротивление однородных длинных линий равно . При наличии нескольких линий одинаковой длины результирующее сопротивление равно , где - число линий, не считая поврежденной [3].

Переходное восстанавливающееся напряжение на полюсе выключателя определяется методом встречного тока, основанном на принципе наложения. Переходный процесс начинается в момент времени , когда отключаемый ток приходит к нулю и дуга гаснет. Если в этот момент ввести в разомкнутый полюс выключателя встречный ток и одновременно шунтировать ЭДС генераторов и других источников энергии, то напряжение на полюсе выключателя будет соответствовать искомому ПВН. Данное напряжение в операторной форме имеет вид:

, (5.1)

где - оператор входного сопротивления фазной схемы, рис. 5.1, относительно контактов выключателя.

(5.2)

Если учесть только периодическую составляющую тока КЗ, а отключаемый ток для момента времени принять равным , то изображение тока по Лапласу имеет вид [3]:

. (5.3)

После подстановки выражений (5.2) и (5.3) в (5.1) получим

.(5.4)

Для момента времени оригинал выражения (5.4) имеет вид:

,(5.5)

где ; ; возвращающееся напряжение, или мгновенное значение напряжения основной частоты, к которому стремится восстанавливающееся напряжение в переходном процессе.

Возвращающееся напряжение принимается неизменным в течение переходного процесса и превышает амплитуду фазного напряжения сети , так как , где - результирующая индуктивность системы в целом до точки КЗ.

Характер переходного процесса определяется безразмерным параметром . На практике вместо него обычно используют параметр

, (5.6)

где - критическое сопротивление, равное при сопротивлению , которое определяет затухание колебаний.

При переходный процесс протекает монотонно, а при имеет колебательный характер, рис. 5.2.

Рисунок 5.2- Обобщенные кривые ПВН в однофазной системе

Ниже приведены выражения для расчета ПВН для характерных частных случаев:

при

; (5.7)

при процесс протекает без затухания и имеет колебательный характер

; (5.8)

при процесс протекает по экспоненциальному закону

. (5.9)

На процесс отключения существенное влияние оказывает скорость восстанавливающегося напряжения (СВН). На рисунке 5.3 приведены кривые изменения восстанавливающегося напряжения при отсутствии и наличии емкости C₁.

При отсутствии емкости СВН определяется как производная выражения (5.9):

, (5.10)

при СВН определяется по выражению

. (5.11)

Из последнего выражения видно, что СВН пропорциональна отключаемому току и результирующему волновому сопротивлению линий.

Под скоростью ПВН обычно понимают среднее ее значение S_ср, определяемое наклоном касательной, проведенной из начала координат. Средняя скорость ПВН может быть определена по выражению:

, (5.12)

где - определяется по диаграмме приведенной на рисунке 5.4.

а б

Рисунок 5.3 – Кривые изменения восстанавливающегося напряжения при отсутствии и наличии емкости C₁: а- при отсутствии емкости; б- при наличии емкости

Рисунок 5.4- Диаграмма для определения параметра

Наличие емкости С₁ облегчает процесс отключения, так как нарастание напряжения на полюсе выключателя запаздывает на время пропорциональное произведению С₁Z_P, рис. 5.3,б.