Процесс отключения электрических цепей высокого напряжения. Функции выключателя.

Отключение цепей переменного тока нормально произ­водится выключателями. При размыкании контактов выключателя возникает ду­га. Когда ток проходит через нуль, дуга гаснет, однако в следующий момент она может вновь зажечься, если элект­рическая прочность промежутка оказывается меньше вос­станавливающегося напряжения на контактах выключа­теля.

Контакты выключателя при отключении непрерывно расходятся, поэтому при каждом последующем прохожде­нии тока через нуль начальная электрическая прочность промежутка оказывается больше и в конце концов созда­ются условия для окончательного гашения дуги. Характе­ристики современных выключателей таковы, что дуга в них может гореть один — три полупериода промышленной час­тоты.

Электрическая дуга или дуговой разряд представляет собой самостоятельный, т. е. не зависящий от внешнего ионизатора разряд в воздухе или в газе (в зависимости от типа выключателя). У дуги различают три характерные области: околокатодную, околоанодную и столб дуги (рис. 7.3). Примечательно, что падения напряжения вблизи като­да ΔUК и вблизи анода ΔUА не зависят от проходящего то­ка и соответственно равны 10 - 20 и 3 - 5 В. В среднем ΔUК + ΔUА ≈ 20 В. Столб дуги представляет собой плазму, состоящую из электронов и положительных ионов; в цент­-

ре столба температура доходит до 25 000—50 000 К.

В дуге непрерывно идут процессы ионизации, которые поддерживают горение дуги, и деионизации, которые, на­оборот, стараются погасить дугу. Воздействие на эти процессы и является основой различных способов гашения ду­ги в выключателях.

Рис. 7.5. Вольт-амперные ха­рактеристики дуги

Рис. 7.6. Отключение активной (а) и индуктивной (б) цепей перемен­ного тока

Электрическая дуга обладает нелинейной вольт-ампер­ной характеристикой (рис. 7.5).

Различают статическую и динамическую характеристики дуги. Для данного промежутка и данных условий дугового разряда существует одна статическая характеристика (пунктирная кривая на рис. 7.5). Динамических же харак­теристик может быть множество в зависимости от тока и степени деионизации дугового промежутка. При увеличении тока динамические характеристики идут выше статиче­ской, а при уменьшении тока — ниже ее.

Напряжения, при которых дуга загорается (возникает) и гасится (прекращается), называются соответственно на­пряжениями зажигания и₃ и гашения и_Г, причем всегда u_З > u_Г. На участках 1-2-3 и 4-5-6 имеет место само­стоятельный разряд, а на участках 0-1, 3-0-4, 6-0 несамостоятельный разряд, при котором ток пропорционален приложенному к промежутку напряжению. В соответствии с характером физических процессов в дуге ее сопротивление является чисто активным, поэтому напряжение и ток дуго­вого промежутка одновременно проходят через нуль.

Тяжесть отключения цепи существенно зависит от фазы Отключаемого тока. На рис. 7.6 показано отключение чис­то активного тока (рис. 7.6, а) и чисто индуктивного тока (рис. 7.6, б); в обоих случаях через т обозначено время на­чала расхождения дугогасительных контактов, а через u_ПР — электрическая прочность промежутка между контактами.

Как видно, в первом случае процесс отключения цепи облегчен, так как здесь восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя определяется характером изме­нения напряжения сети и скорость восстановления напря­жения относительно невелика. Во втором случае переход­ный процесс восстановления напряжения характеризуется большими значениями амплитуды и скорости восстанавли­вающегося напряжения.

Дифференциальная токовая защита трансформаторов. Принцип действия. Защищаемая зона.

Дифференциальный принцип позволяет выполнить быстродейст­вующую защиту трансформатора, реагирующую на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями. При этом она может иметь недостаточную чувствительность только при витковых замыканиях и «пожаре стали». Для осуществления за­щиты используются трансформаторы тока ТАI, ТАII, установленные с обеих сторон защищаемого трансформатора вблизи выключателей Q1 и Q2.

Вторичные обмотки трансформато­ров тока и реле КА соединяются в схему продольной дифферен­циальной защиты с циркулирующими токами. При этом в реле КА при отсутствии повреждения в защищаемой зоне проходит ток небаланса.

Ток небаланса имеет большое значение в двух случаях.

1. При переходном процессе. В момент включения транс­форматора и при восстановлении напряжения пос­ле отключения внешних КЗ.

Ток небаланса при этом определяется током намагничивания силового трансформатора

Коэффициент трансфор­мации силовых трансфор­маторов

n_т =U_1I/U_1II≠1,

поэто­му в защите должны сравнивать­ся токи I_1I и I_1II/n_т. В нормальном режиме ток намагничивания в зоне защиты

I_нам = I_1I — I_1II/n_т

Этот ток вызывает неравенство сравниваемых токов. В реле появляется дополни­тельная составляющая тока небаланса I_нб.нам. При нор­мальной работе и внешних КЗ она незначительна и поэтому может не учитываться.

В момент включения транс­форматора под напряжение и при восстановлении напряжения пос­ле отключения внешних КЗ возникает бросок тока намагничивания I_бр.нам, максимальные мгно­венные значения которого достигают 6—8-кратных значений амп­литуды номинального тока.

Ток намагничивания, проходя через реле, может вызвать неправильное срабатывание защиты. Время полного затухания переходного тока намагничивания может достигать нескольких секунд. Однако уже по истечении времени t=0,3... 0,5с его максимальные мгно­венные значения становятся меньше амплитуды номинального то­к небаланса трансформатора. Отстройка дифференциальной защиты от бросков тока намагничивания является первым условием при вы­боре тока срабатывания. В этом случае другими слагающими то­ка небаланса, малыми по сравнению с Iбр.нам, можно пренебречь, поэтому расчетный первичный ток небаланса Iнб.рсч mах»Iбр.нам.

Отстройка защиты от броска тока намагничивания достигается в основном тремя путями:

-загрублением защиты по току сраба­тывания;

-включением реле через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ);

-выявлением различия между фор­мой кривой тока к. з. и формой кривой тока намагничивания (ре­ле в комплекте устройства ЯРЭ-2201).

При этом ток срабатыва­ния выбирают исходя из значения номинального тока трансфор­матора по условию

I_c.з.>=k_отс.*I_т.ном. (1)

В зависимости от используемых реле и способа отстройки коэф­фициент k_отс принимается равным 0,3 ... 4,5.

2. При внешнем коротком замыкании.

Ток небаланса при внешних КЗ имеет повышенное значение по трем причинам.

2.1. Коэффициенты трансформации трансформаторов тока рассчитывается по номинальным токам защищаемого трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора тока

K_I=k⁽³⁾сх*I_т.ном/5.

Расчетные коэффициенты трансформации отли­чаются от реальных, которые принимаются по шкале номинальных токов как ближайшие большие. Поэтому токи в цепях циркуляции могут быть различными и обус­ловливают дополнительную составляющую тока небаланса

где = [I_2I-I_2II/ I_2I]*100 — погрешность от неточности вырав­нивания токов.

При Df_вр >5% токи выравниваются автотрансформаторами или уравнительными обмотками реле с НТТ.

2.2. Автоматическое регулирование коэффициента трансформации под нагрузкой защищаемого транс­форматора нарушает соотношение между первичны­ми токами I_1I и I_1II. В реле появляется дополни­тельная составляющая тока небаланса I_нб.рег:

,

2.3. Разнотипность трансформаторов тока. В одинаковых трансформаторах тока разные характеристики намагничи­вания. Это увеличивает то­к небаланса I_нб.пгр. Эта составляющая определяется через полную погрешность транс­форматоров тока e (%):

,

- коэффициентом однотипности. Учитывает разные характеристики трансформаторов тока. k_одн.=1.

- коэффициент апериодичности. Учитывает влияние апериодической составляющей тока КЗ на ток небаланса.

При внешнем коротком замыкании максимальный расчетной ток небаланса

I_{нб.рсч mах}=I _нб.вр.+ I _нб.рег. + I _нб.пгр.

I_c.з.>=k_отс.*K_I* I_{нб.рсч mах} (2)

Ток срабатывания принимают наибольшим из двух значении, по­лученных по условиям (1) и (2). Если определяющим ока­зывается условие (2), а коэффициент чувствительности полу­чается недостаточным, то используют специальные реле с тормо­жением, например типа ДЗТ. Согласно требовани­ям, коэффициент чувствительности, определяемый при двухфазном коротком замыкании на выводах низшего напряжения трансфор­матора, должен быть kч>=2,0. Допускается снижение коэффициен­та чувствительности дo значения kч>= 1,5.

Виды дифференциальных защит трансформаторов:

1. Дифференциальная токовая отсечка.

2. Дифференциаль­ная токовая защита с промежуточными насыщающимися тр-рами тока.

3. Дифференциальная токовая защита с реле, имеющими торможение.