ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ПРОЦЕССЫ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Введение. Наиболее характерными коммутационными процессами в цепях электрических аппаратов управления являются процессы включения и отключения электрических цепей, а также процессы, связанные с пробоем межэлектродного промежутка в электрических аппаратах при низких напряжениях. Рассмотрим некоторые из этих процессов. Более подробные сведения можно получить из публикаций авторов монографии [7.1, 7.2].

Отключение электрических цепей постоянного тока. В процессе отключения электрической цепи с током коммутирующий элемент аппарата превращается из проводника электрического тока в диэлектрик. Так как практически любая электрическая цепь обладает индуктивностью L, то при токе I₀ в ней запасена электромагнитная

энергия . Аппарат должен рассеять эту энергию или перевести ее в какой-то накопительный элемент (например, в конденсатор), так как после отключения ток должен стать равным нулю. Если бы он не осуществлял эти функции, электромагнитная энергия преобразовалась бы в электростатическую энергию полей, т.е. ушла бы на заряд всегда имеющихся в цепи емкостей - проводов и других токоведущих элементов (относительно земли и друг друга): W_c = CU² /2. Из

равенства находим напряжение U_c на эквивалентной

емкости проводов и элементов цепи:

Это напряжение на элементах цепи могло бы оказаться очень высоким и вызвать пробои изоляции. Так, в примере, характерном для

низковольтных сетей (до 1000 В):

,- находим

В контактных аппаратах при отключении энергию рассеивает электрическая дуга, преобразуя ее в тепловую энергию. В этом состоит положительная роль дуги при отключении цепей контактными аппаратами. Но дуга своим тепловым воздействием выжигает контакты и другие элементы аппаратов. В бесконтактных аппаратах дуги нет. Электромагнитная энергия, запасенная в цепи, при отключении постоянного тока обычно переводится в специальный накопительный конденсатор.

Отключение всякой цепи обеспечивается возрастающим (вплоть до бесконечности) во времени сопротивлением коммутирующего органа аппарата. Обычно коммутирующие свойствааппарата принято описывать его вольтамперной характеристикой , которая определяет также и зависимость сопротивления коммутирующего органа от тока . Для определения условия отключения цепи постоянного

тока при заданных токе и напряжении источника достаточно

знать статическую характеристику , т.е. зависимость напряжения на коммутирующем элементе от тока, определенную при тех или иных установившихся значениях тока (при ).

Определим условие отключения цепи постоянного тока, когда коммутирующим элементом является электрическая дуга. Условие гашения дуги постоянного тока можно было бы вывести аналитически из решения задачи об устойчивости дуги на основе уравнения, справедливого для цепи, изображенной на рис. 7.20:

Определим это условие на основе графического анализа. Изобразим на графике (рис. 7.2) величины и зависимости, входящие в выражение (7.1): а) напряжение источника и отключаемый ток

; б) прямую , соединяющую точки и ;

она определяет зависимость от тока / разности между напряжением источника U₀ и падением напряжения на активном сопротивлении

цепи (iR) (условно ее называют реостатной характеристикой (кривая 3) отключаемой цепи); в) две вольтамперные характеристики дуги - одна лежит выше реостатной характеристики (кривая 1), другая пересекается с нею в двух точках А и В (кривая 2).

Рис. 7.1. Схема цепи постоянного тока Проанализируем соотношение изображенных зависимостей, когда характеристика дуги задана кривой 2. При токе I сумма напряжении на сопротивлении R и на дуге ( такова, что для соответствия уравнению (7.1) напряжение на индуктивности должно быть больше нуля:

Производная , и ток в цепи будет увеличиваться. То же

самое будет и при токе Лишь при токе Z_g возникает устойчивое состояние, когда

Рис. 7.2. Условие гашения дуги постоянного тока

Следовательно, характеристика дуги 1 не обеспечивает отключения цепи. Дуга не погаснет и будет гореть устойчиво при токе . Для

данного расположения характеристик цепи и дуги (кривая 1)

существует вторая точка устойчивого горения дуги - точка А Однако аналогичным анализом можно показать, что при отклонении состояния от этой точки дуга либо погаснет, либо ее состояние придет в точку В.

Если провести такой же анализ для второго случая, когда характеристика дуги изобразится кривой 2, то из него в соответствии с (7.2),

• гг

например, для тока I , получим

Для любого другого тока также найдем

Это означает, что цепь постоянного тока будет отключена (и дуга погашена), если статическая вольтамперная характеристика дугогасительного устройства аппарата лежит на графике выше реостатной характеристики отключаемой цепи. Так трактуется условие гашения дуги постоянного тока.

Для любого коммутирующего элемента, в том числе и бесконтактного, условие отключения цепи постоянного тока обеспечивается, если его вольтамперная характеристика лежит на графике выше реостатной характеристики отключаемой сети.

На рис. 7.3,а изображены характерные кривые изменения тока I, напряжения дуги , ее сопротивления после размыкания контактов (MPK) при отключении постоянного тока.

Рис. 7.3. Кривые процессов при отключении постоянного тока

В конце процесса на коммутирующем органе аппарата возникает перенапряжение, которое по формуле (7.2) равно

В конце процесса отключения ток становится малым и можно считать, что . Так как при отключении цепи I уменьшается и

производная отрицательна, то напряжение на коммутирующем

органе

Отсюда следует, что перенапряжения при отключении цепей постоянного тока зависят от индуктивности L отключаемой цепи и от производной тока по времени dildt, которая определяется интенсивностью действия коммутирующего устройства (чем интенсивнее это устройство, тем больше dildt и выше перенапряжения).

Если в процессе отключения цепи ток изменяется по линейному закону

то перенапряжение в конце процесса отключения цепи ( ) равно

, где - постоянная цепи,

В этих выражениях t_Q - полное время отключения цепи.

На рис. 7.3,6 даны примеры изменения кривых тока и напряжения на коммутирующем органе. Интенсивному изменению тока J₁ соответствует высокое перенапряжение U₁, а менее интенсивному изменению тока I₂ - меньшее перенапряжение U₁ в конце процесса отключения цени. После окончания процесса отключения перенапряжение снижается до напряжения источника U₀, так как вызвавшие его

избыточные заряды на элементах растекаются через сопротивления утечки по изоляции установки.

Отключение электрических цепей переменного тока. Условия отключения переменного тока легче, чем постоянного, так как в конце каждого полупериода ток / и электромагнитная энергия цепи Ы~ / 2 становятся равными нулю. Поэтому аппарату не надо рассеивать электромагнитную энергию. Он должен лишь создать при токе, равном нулю, условия для быстрого роста диэлектрических свойств коммутирующего элемента, чтобы выдержать напряжение, появляющееся на нем от источника питания.

Положительная роль дуги при переменном токе состоит в создании токопроводящей связи в цепи от момента размыкания контактов до момента перехода тока через нуль, когда создаются благоприятные условия для отключения. Как при переменном, так и при постоянном токе дуга выжигает контакты и другие элементы аппарата - в этом ее недостаток.

Когда аппарат включен и через него проходит ток, напряжение на его коммутирующем органе мало. В контактных аппаратах оно выражается долями вольт, в бесконтактных аппаратах, построенных на полупроводниковых приборах, - единицами вольт. Если же аппарат отключит электрическую цепь («разорвет» ее), напряжение на его коммутирующем органе будет нарастать (восстанавливаться) до напряжения источника питания и вскоре станет равным ему. Поэтому такое

напряжение принято называть восстанавливающимся (U_в).

При отключении цепи коммутирующий орган аппарата переходит из состояния проводника электрического тока в состояние присущее диэлектрику. Свойственная этому органу нарастающая во времени при отключении электрическая прочность называется восстанавливающейся прочностью (U_в п). Восстанавливающаяся прочность в каждый данный момент времени определяется тем максимальным напряжением, которое способен выдержать без пробоя коммутирующий орган (пробивное напряжение; в полупроводниках - обратное напряжение).

Условие отключения цепи переменного тока определяется на основе сопоставления кривых восстанавливающегося напряжения U_в и

восстанавливающейся прочности U_в п за переходом тока через нулевое значение. Графическая интерпретация этого условия дана на рис.

7.4. Его формулировка: для отключения переменного тока необходимо, чтобы за его переходом через нуль кривая восстанавливающейся прочности лежала выше кривой восстанавливающегося напряжения. Если

же U в достигнет значения U_в п (кривые пересекутся), то условие отключения будет нарушено, коммутирующий элемент снова приобретет проводящие свойства (пробьется) и протекание тока возобновится.

На рис. 7.5 дана типичная схема активно-индуктивной (RL) цепи переменного тока с включенным в нее аппаратом, замещенным сопротивлением дуги /?д. Емкость C (токоведущих элементов) в процессе горения дуги не влияет на процессы, так как она шунтирована малым сопротивлением дуги . За переходом тока через нуль, когда R_jx

резко возрастает и на промежутке восстанавливается напряжение, она начинает играть существенную роль.

Рис. 7.4. Условия отключения переменного тока

Рис. 7.5. Схема цепи переменного тока

Характер процессов отключения контактными аппаратами существенно зависит от напряжения отключаемых сетей. Это определяется степенью влияния активного сопротивления дугового столба на процессы отключения: в высоковольтных сетях оно небольшое, в низковольтных - существенное.

Активные и индуктивные электрические сопротивления сетей низкого напряжения соизмеримы с активным сопротивлением электрической дуги и даже бывают меньше его, что видоизменяет картину процессов (рис. 7.6). После момента размыкания контактов MPK за

счет роста сопротивления дуги и напряжения на ней снижается значение тока ( ) и уменьшается угол сдвига фаз (

) по полупериодам горения дуги. Первое приводит к

повышению восстанавливающейся прочности, а второе - к снижению восстанавливающегося напряжения. Следовательно, в аппаратах низкого напряжения сопротивление дуги способствует облегчению условий отключения цепей переменного тока.

В нашем случае понятие об угле сдвига фаз носит условный характер. Это понятие относится к характерным синусоидальным явлениям. А здесь синусоида тока искажается за счет роста во времени активного сопротивления дуги. Но отрезок времени между моментами перехода через нуль тока дуги и напряжения сети, выраженный и электрических градусах, в дальнейшем также будем называть углом сдвига фаз, имея в виду, что понятие это условно.

Рис. 7.6. Процессы при отключении сетей низкого напряжения

За третьим переходом тока через нуль столб дуги разрушается, кривая и_в. _п лежит выше кривой U_b (рис. 7.6), условия отключения

цепи соблюдаются. После этого перехода межконтактный промежуток может сохранить так называемую остаточную проводимость, присущую той или иной стадии газового разряда. В этом случае в процессе

восстановления напряжения по нему протекает остаточный ток i_QCT .

Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через нуль.

При переходе тока i_д через нуль изменяется поляризация электродов. Катод становится анодом, а анод - катодом. Происходит перераспределение электронов и положительных ионов. Этот процесс сопровождается образованием среза тока при подходе к нулю и возникновением нулевой паузы. Продолжительность нулевой паузы уменьшается с увеличением индуктивности и увеличивается с увеличением активного сопротивления. При отключении индуктивной цепи изменение J соответствует представленному на рис. 7.6.

При отключении трехфазного тока особенности процесса обусловлены тем, что токи в каждой из фаз проходят через нуль не одновременно, а со сдвигом во времени. Характер процессов отключения трехфазных индуктивных цепей с нагрузкой H пояснен на рис. 7.7.

Допустим, что в момент времени МРК. все три полюса аппарата оказались разомкнутыми и на них возникли электрические дуги (рис.

7.7,а). Ток первой рвущей фазы J₁, который первым проходит через нуль, в момент времени t_x прерывается и в дальнейшем остается равным нулю. По двум другим фазам проходят токи J₂ и J₃, которые теперь должны стать равными по значению и находиться в противофазе (рис. 7.26,в). В момент исчезновения тока J₁ происходит скачкообразное изменение фазы и двух других оставшихся токов, векторы которых изменяют свое положение и станут противоположно направленными.

Амплитуды токов J₂ и J₃ уменьшаются в раз. Начиная с момента t_x их мгновенные значения изменяются по синусоидальному закону (рис. 7.7,6). В момент t₂ 3 оба эти тока достигают нулевых значении. Происходит окончательное отключение трехфазной цепи, дуги на полюсах 2 и 3 обрываются.

На рис. 1 Л,в показан характер изменения напряжения на трех полюсах аппарата. В момент времени Z₁, когда прекращается протекание тока Z₁ векторы напряжений U₂ И U₂ изменяются скачком. Они теперь будут в противофазе друг к другу. Напряжение U, которое действует в фазе, отключающейся первой, в момент времени Z₁ скачком

увеличится на в (3/2 раза). Таким образом, напряжение на первом рвущем полюсе выключателя будет восстанавливаться практически с нуля до (здесь - фазное напряжение). В момент окончательного разрыва трехфазной цепи Z₇₃ напряжения на полюсах 2 и 3

восстанавливаются до . После отключения двух последних

фаз векторная диаграмма напряжений принимает свой первоначальный вид, причем изменение напряжения происходит скачком.

Рис. 7.7. Изменение тона при отключении трехфазной цепи

Это описание характера процессов сделано применительно к отключению трехфазного короткого замыкания. Характер отключаемой нагрузки может оказать влияние на процессы. Так, при отключении вращающихся двигателей в обмотках статора появляется противо-ЭДС, находящаяся в противофазе с напряжением источника. Это приводит к уменьшению восстанавливающегося напряжения.