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).

Э скалация 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.