Отключение цепей постоянного тока при напряжении, не превышающем 10 кВ

Процесс отключения цепи постоянного тока (ПТ), точнее тока постоянного направления, существенно отличается от такового при переменном токе. Как известно, гашение дуги и отключение цепи переменного тока происходит вблизи нулевого значения тока, что имеет место 2 раза в течение каждого периода. Постоянный ток к нулю не приходит. Чтобы отключить цепь ПТ, необходимо ввести в нее сопротивление, непрерывно увеличивающееся до тех пор, пока ток не достигнет нуля. В качестве такого сопротивления может быть использована дуга, образующаяся на контактах выключателя, при условии, что характеристика ее u_д(t) соответствует определенным требованиям.

Рис.1. Схема короткозамкнутой цепи постоянного тока

Рассмотрим процесс отключения однополюсным выключателем короткозамкнутой цепи с индуктивностью L и сопротивлением R (рис.1). Если до КЗ цепь не нагружена, ток изменяется экспоненциально согласно выражению

(1)

где U - напряжение сети, принимаемое неизменным в течение всего процесса; T=L/R - постоянная времени.

Допустим, что контакты выключателя разомкнулись спустя некоторое время t₁ когда ток еще не достиг установившегося значения I_∞=U/R. В цепь вводится сопротивление дуги с прямоугольной характеристикой u_д(t), обеспечивающей оптимальные условия отключения (рис.2).

Рис.2. Изменение тока в процессе отключения цепи выключателем
с прямоугольной характеристикой дуги

Напряжение на дуговом промежутке быстро увеличивается от нуля до максимального значения, равного (2-З)U, и остается неизменным до тех пор, пока ток не достигнет нуля. Анализ показывает, что при этом скорость снижения тока максимальна, а энергия, выделяющаяся в дуговом промежутке, минимальна.

Определим продолжительность дуги и выделяющуюся энергию. Воспользуемся для этого методом наложения.

Рис.3. Схемы, поясняющие применение метода наложения
к определению тока в процессе отключения

Ток I после размыкания контактов может быть представлен состоящим из двух составляющих, а именно: тока I_к, вызванного напряжением U при закороченном дуговом промежутке (рис.3,а), и тока I_д вызванного напряжением - u_д, введенным в цепь в момент t₁ при напряжении U=0 (рис.3,б). Эти токи определяются следующими выражениями:

(2)

Начало отсчета времени перенесено в точку t₁ соответствующую моменту размыкания контактов выключателя.

Обе составляющие изменяются экспоненциально с постоянной времени T=L/R, но от различных начальных значений и с различной начальной скоростью, поскольку u_д≠U (рис.2). Полный ток I, равный сумме I_к+I_д, изменяется также экспоненциально и достигает нуля спустя время t_д=t₂-t₁, когда ток I_д станет равным току I_к:

Отсюда может быть определено время t=t_д:

(3)

Из последнего выражения следует, что отключение цепи возможно при условии, что напряжение дуги превышает напряжение сети; только при этом условии t_д является вещественным числом. Чем выше напряжение дуги, тем меньше время ее горения. Если напряжение дуги недостаточно, ток будет продолжать увеличиваться. Это означает, что выключатель не способен прервать цепь. Продолжительность горения дуги зависит также от отношения t₁/T. Чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем меньше ток и время дуги. Эти зависимости легко проследить с помощью диаграммы на рис.2.

Энергия, выделяющаяся в дуговом промежутке в процессе отключения, может быть представлена следующим образом:

(4)

Учитывая, что , выражение (4) можно преобразовать следующим образом:

(5)

Выражение для энергии А состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое А₁=0.5LI²₁ представляет собой электромагнитную энергию, запасенную в контуре к моменту размыкания контактов. Она зависит от времени t₁ и индуктивности L. Чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем меньше ток I₁ и запасенная энергия A₁. Второе слагаемое А₂ представляет энергию поступающую в выключатель из сети в течение времени горения дуги. Она зависит от скорости снижения тока, следовательно, от конструкции выключателя и характеристики дугогасящего устройства. Чем быстрее снижается ток, тем меньше время дуги и энергия А₂.

Если бы напряжение дуги могло быть доведено до очень большого значения, энергия А₂ могла быть доведена (теоретически) до нуля. Однако напряжение дуги ограничено условием надежной работы изоляции электрического оборудования.

Приведенный анализ позволяет заключить, что дугогасящее устройство, обеспечивающее максимальное напряжение дуги в течение всего процесса отключения, отвечает поставленным требованиям. Разумеется, характеристика прямоугольного вида является условной. Требуется небольшое время после размыкания контактов для выброса дуги в дугогасящую камеру, где градиент напряжения быстро возрастает. Однако характеристики быстродействующих выключателей близки к прямоугольной.

Рис.4. Осциллограммы тока и напряжения дуги при отключении цепи
быстродействующим выключателем

В качестве примера на рис.4 приведена осциллограмма тока и напряжения в процессе отключения цепи с напряжением 500 В и индуктивностью 0,6мГн. Начальная скорость увеличения тока составляет 0,83•10⁶А/с, максимальное значение тока 13600А. Время от возникновения КЗ до размыкания контактов 0,013с, а до момента максимального значения 0,023с. Время горения дуги 0,025с, полное время отключения 0,038с. Среднее напряжение на дуговом промежутке 980 В, максимальное напряжение 1030 В.