4.6.1 Перенапруги при відключенні ненавантажених ліній і батарей конденсаторів

Відключення ненавантажених ліній і батарей конденсаторів може супроводжуватися значними перенапругами, якщо в процесі відключення між контактами полюса вимикача відбуваються повторні запалювання. Повторні запалювання між розбіжними контактами вимикача виникають, якщо електрична міцність міжконтактного проміжку вимикача виявляється менше, ніж напруга, що відновлюється після гасіння дуги, на його контактах. Процеси, що супроводжують повторні запалювання, можна розглянути, представивши розімкнуту лінію у вигляді зосередженої ємності (рис. 4.42). Вважаємо, що вимикач відключає ємнісний струм при проходженні його через нульове значення. У цей момент напруга на ємності максимальна і дорівнює U_C0 ≈ –E_m (при не дуже великій довжині лінії, рис. 4.42, б).

Рис. 4.42. Розрахункова схема (а) і процес повторних запалювань
при відключенні ємності (б)

Після обриву дуги напруга на ємності не міняється, зберігаючи своє значення U_C0 = –E_m. Напруга ж джерела змінюється за синусоїдальним законом і через півперіоду досягає значення +E_m. Напруга між контактами вимикача буде дорівнює 2Е_m, і якщо до цього моменту електрична міцність між контактами виявиться нижче, ніж 2Е_m, те можливий пробій міжконтактного проміжку, тобто  повторне включення лінії. Почнеться перехідний процес перезарядження лінії (ємності) від початкової напруги U_нач = – E_m до примушеного значення напруги U_пр = + E_m (до значення що змушує ЕДС). Під час перехідного процесу напруга на лінії (ємності) може досягти максимальної величини (без обліку загасання):

U_m = U_пр + U_св, (4.81)

де U_св – амплітуда вільної складової перехідного процесу, що може бути спрощено знайдена як модуль різниці:

U_св = │U_пр – U_нач│ = 2E_m . (4.82)

Тоді максимальна напруга на лінії (ємності) U_m (4.81) буде дорівнювати 3E_m. При цьому в момент максимуму напруги сумарний струм проходить через нульове значення, і тому у вимикачі знову відбудеться гасіння дуги. При загасанні дуги напруга на лінії (ємності) залишається незмінною, рівним приблизно 3E_m.

Через півперіод промислової частоти (0,01 с) напруга джерела стане дорівнює E_m, а різниця потенціалів на контактах вимикача досягне 4E_m. Якщо знову відбудеться пробій міжконтактного проміжку в цей момент часу, то знову виникнуть коливання напруги на ємності з амплітудою вільної складової 4E_m, а максимальна напруга на лінії (ємності) досягне 5E_m. Якщо продовжити подібні міркування, то розглянуті небезпечні повторні запалювання могли б привести до безперервного зростання перенапруг. Однак цього не відбувається, тому що сучасні вимикачі мають значну швидкість відновлення електричної міцності, завдяки чому в переважній більшості випадків при відключенні холостих ліній відбувається не більше одного повторного запалювання дуги. Тому перенапруга на лінії не повинне перевищувати 3U_ф. Однак у наведених міркуваннях не розглядається ємнісний ефект, облік якого приводить до збільшення напруги, що залишається, на лінії, тобто  U₀ > E_m, і тоді напруга між контактами вимикача буде більше 2E_m, що приведе до збільшення ймовірності повторних запалювань, зростанню амплітуди вільної складової перехідного процесу і росту можливих перенапруг.

Таким чином, повторні запалювання дуги у вимикачі поблизу максимуму напруги, що відновлюється, на контактах приводять до істотних перенапруг, тому необхідно приймати заходи для їхнього обмеження. Розглянемо основні шляхи обмеження перенапруг при відключенні ненавантажених ліній.

1. Радикальним способом обмеження цього виду перенапруг є збільшення швидкості відновлення електричної міцності між контактами вимикача. Виключивши повторні запалювання, ми повністю виключаємо перенапруги при відключенні холостих ліній. Однак цей спосіб не завжди придатний, тому що зі збільшенням швидкодії вимикачів сильно зростають перенапруги при відключенні холостих трансформаторів.

2. Застосування вимикачів із шунтувальними опорами R_ш (рис. 4.43).

Вимикач має два розриви, один із яких зашунтований опором. При відключенні спочатку розмикається розрив 1, а потім починають розходитися контакти розриву 2. При проходженні струму через нуль дуга в першому розриві гасне, але після цього лінія залишається приєднаної до джерела через опір R_ш.

Тому при зміні напруги джерела заряд на лінії не залишається незмінним, а частково стікає назад у джерело. Крім того, після гасіння дуги в першому розриві струм у ланцюзі здобуває активну складову і проходить через нуль уже не при максимумі напруги. Тому після гасіння дуги в другому розриві лінія залишається зарядженої до напруги, що істотно менша E_m. Це зменшує ймовірність повторного запалювання, але якщо воно і відбудеться, величина перенапруги буде значно знижена.

3. Застосування вентильних розрядників на ЛЕП. При цьому грозозахисні розрядники використовуються для ліній довжиною не більше 200 км. Обмеження пов'язане із пропускною здатністю цих розрядників.

4. Перенапруги при відключенні ненавантажених ліній різко знижуються, якщо до лінії залишаються приєднаними електромагнітні трансформатори напруги. При збільшенні напруги на лінії сердечники цих трансформаторів дуже сильно насичуються, їхня індуктивність різко знижується і через цю знижену індуктивність заряд з лінії стікає в землю.