Причины перенапряжения

Основными причинами перенапряжений на изоляции отдельного присоединения (и только его, а не всей сети) при отключении нагрузки, связанными с особенностями дугогасящей среды и конструкцией выключателя, являются срез тока и эскалация напряжения.

Срез тока. Любой выключатель отключает ток при прохождении его через ноль, когда подвод энергии к дуге со стороны сети уменьшается. В околонулевой области тока возможен быстрый распад канала дуги и принудительный спад тока от некоторого значения (как правило, единицы - десятки ампер) до нуля за очень малое время (значительно раньше естественного нуля тока). Это явление называется срезом тока. Возникает оно при отключении малых индуктивных токов (например, токов холостого хода трансформаторов и электродвигателей), неустановившихся токов включения трансформаторов, пусковых токов электродвигателей, токов шунтирующих реакторов.

Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа (маломасляных, электромагнитных, воздушных, вакуумных, элегазовых). В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов.

При срезе тока в индуктивности нагрузки "запирается" энергия, которая затем освобождается на емкость присоединения и может вызывать перенапряжения. Как известно, кратность перенапряжений при этом определяется индуктивностью нагрузки, емкостью присоединения (в основном длиной кабельной или воздушной линии) и величиной тока среза. Последний параметр различается для выключателей с разными дугогасящими средами. На рис.1 приведена диаграмма относительных токов среза для выключателей разного типа.

Одной из причин неприятия вакуумных выключателей стали перенапряжения, которые были вызваны большим срезом тока в первых партиях вакуумных аппаратов при отключении нагрузки индукционного типа. В этих моделях выключателей для изготовления контактов использовался вольфрам. Преимущество этого металла в виде тугоплавкости, а также малая истираемость изготовленных из него контактов нивелировались большим контактным сопротивлением и резким спаданием плотности паров металла при приближении тока к нулю. Появлялся срез тока и возникало перенапряжение на индуктивную нагрузку. Ситуация была разрешена с помощью

применения сплавов на медной основе, легированной различными добавками, а именно, хромом. В настоящее время кратность перенапряжения, которое вызывается при коммутации вакуумными аппаратами не больше кратности других моделей выключателей.

Как видно из рис.1, современные вакуумные выключатели с хром-медными контактами имеют низкий уровень тока среза, ниже чем у прочих выключателей (среднее значение порядка 3-4 А, предельное 5 - 6 А). [8]

Большинство производителей вакуумных выключателей используют для изготовления контактов именно хром-медные композиции. Однако выключатели с вольфрамовыми контактами были способны создавать значительные срезы тока, порядка 20-30 А.

Кроме величины тока, на перенапряжения при срезе, как уже указывалось выше, влияют индуктивность нагрузки (или мощность) и емкость присоединения (длина воздушной или кабельной линии). При значительной длине присоединения перенапряжений из-за среза тока в выключателе вообще не возникает. Наличие даже небольшой активной нагрузки на вторичной стороне отключаемого силового трансформатора также исключает возникновение перенапряжений по причине среза. Использование таких современных защитных аппаратов, как ОПН, вообще снимает вопрос перенапряжений вне зависимости от типа используемого выключателя.

Следует отметить, что в настоящее время в сетях эксплуатируются тысячи маломасляных выключателей с токами среза гораздо больше, чем у вакуумных выключателей. То есть потенциально маломасляные выключатели также способны создавать перенапряжения и причем более высокие, чем вакуумные.

Эскалация напряжения. Рассмотрим теперь вторую причину перенапряжений при отключениях нагрузки: эскалацию напряжения (многократные повторные пробои). Это явление характерно только для вакуумных выключателей.. Это явление вызвано двумя следующими существенными отличиями вакуумных выключателей от выключателей других типов: способность гасить высокочастотные токи со скоростью перехода через нуль до 50-100 А/мкс и почти мгновенно восстанавливать электрическую прочность промежутка между контактами после гашения (на уровне 15-60 кВ/мс). Однако оно возникает крайне редко, только при отключении пускового тока не успевших развернуться или заторможенных электродвигателей (причем из 100 отключений пусковых токов только 5-10 могут сопровождаться эскалацией напряжения). Физическая сущность этого явления описана в [4]. Перенапряжения в этом (и только в этом) случае могут достигать 6-7 кратных. Осциллограмма иллюстрирующая подобный процесс, приведена на рис.2.

Рис.2. Экспериментальная осциллограмма отключения пускового тока электродвигателя 6,3 кВ, 736 кВт, вакуумным выключателем с возникновением эскалации напряжения с кратностью 4,0 о.е. в первой отключаемой фазе выключателя

Масштаб: 100 мксек 5 кВ.

Еще раз отметим, что рассмотренный случай отключения пускового тока - достаточно редкое событие, а в некоторых случаях практически невозможное.

Одним из главных параметров, который влияет на обеспечение надежности отключения вакуумным контактором, является первичная скорость восстановления электропрочности в междуконтактном промежутке после гашения дуги промышленной частоты. Компания Siemens, гарантирует скорость восстановления не менее 4,8 кВ/мкс. При подобных величинах повторных зажиганий дуги, не будет и эскалации напряжения.

Дата добавления: 2015-08-18