4.6.2. Комутаційні перенапруги, що виникають при відключеннях малих індуктивних струмів

При відключенні струму навантаження або струму КЗ гасіння дуги у вимикачах високої напруги відбувається при переході струму через нульове значення. У цьому випадку запасена в індуктивності енергія дорівнює нулю і перенапруги практично не виникають. Коли ж відключаються малі індуктивні струми (наприклад, струм холостого ходу трансформатора, що становить одиниці або навіть частку відсотків номінального струму трансформатора), обрив струму відбувається раніше його природного проходження через нульове значення й у цій ситуації можуть розвитися значні комутаційні перенапруги. Схема для аналізу таких перенапруг представлена на рис. 4.44.

Явище обриву струму одержало назву зрізу струму, а струм i₀ називають струмом зрізу (рис. 4.45). Ємність С у розрахунковій схемі заміщення містить у собі вхідну ємність трансформатора і сумарну ємність ошиновки від трансформатора до вимикача. Індуктивність L розрахункової схеми моделює індуктивність ненавантаженого трансформатора (індуктивність намагнічування, що може становити десятки або сотні генрі).

Рис. 4.44. Принципова (а) і розрахункова (б) схеми при відключенні ненавантаженого трансформатора: Т – трансформатор; В – вимикач; ВН, НН – шини високої і низької напруги; e(t) – ЕДС джерела живлення; З – вхідна ємність трансформатора; L – індуктивність
намагнічування трансформатора

Нехай контакти вимикача почали розходитися в момент часу t_н, (рис. 4.46), між контактами загоряється дуга, у вимикачі починається активний процес дугогасіння й у момент t₀ відбувається зріз струму при струмі зрізу i₀. Напруга на ємності С у цю мить дорівнює U₀. У коливальному контурі залишається енергія, запасена в індуктивності Li₀²/2 і у ємності CU₀²/2. У контурі виникнуть коливання з максимальною амплітудою напруги на ємності, обумовленої з рівняння балансу енергії:

i₀². (4.83)

Звідси

U_m = i₀² ≈ Z_Тi₀, де Z_т = (4.84)

Напруга, обумовлена по (4.84), може досягати більших значень. Реальні ж напруги обмежені пробоєм міжконтактного проміжку. Процес повторних пробоїв у вимикачі представлений на рис. 4.46. Після першого зрізу струму напруга на ємності С починає зростати по формулі

U_c(t) = U₀cosω₀t + i₀ sinω₀t, (4.85)

де ω₀ = 1/ – власна частота коливань контуру.

U_{эл. пр}(t) + е(t)

Рис. 4.46. Процес повторного запалювання дуги у вимикачі при відключенні навантажень індуктивного характеру

На рис. 4.46 штриховими лініями показаний також процес відновлення електричної міцності міжконтактного проміжку вимикача, якби дуга згасла в момент t_н. Коли відбувається зріз струму (t₀ і далі), то внаслідок інтенсивного розпаду дуги міцність проміжку швидко зростає до значень кривої u_эл. пр(t).

Повторний пробій наступить, коли напруга на контактах вимикача Δu(t) перетнеться із кривій u_эл. пр(t). У зв'язку з тим, що
Δu(t) = U_c(t) – e(t), те момент пробою можна визначити як крапку перетинання перенапруг на ємності із кривій u_эл. пр(t) + e(t). Після повторного пробою напруга на ємності стає рівним ЭДС, у ланцюзі знову з'являється струм, у вимикачі знову починається процес дугогашения й відбувається новий зріз струму, але вже при меншому значенні, чим i₀. Внаслідок цього ій очікувана напруга виявляється менше. Але якщо воно достатньо велике, то знову виникне повторний пробій у вимикачі, і так буде тривати доти, поки максимальна напруга між контактами вимикача не буде менше відновлювальної міцності, міжконтактного проміжку вимикача.

В експериментах по відключенню трансформаторів 110…220кВ спостерігалися перенапруги до 4,3Uфm і для трансформаторів 380…410кВ – до 2,75Uфm. Так як енергія, що запасається в коливальному контурі, відносно невелика, то захист від цих перенапруг може здійснюватися за допомогою звичайних грозозахисних вентильних розрядників або ОПН