Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов

Для изучения перенапряжений приотключении ненагруженного трансформатора рассмотрим схему замещения (рис.5). На данной схеме L₁ и C₁ представляют собой индуктивность и емкость источника, L₂ – индуктивность отключаемого ненагруженного трансформатора, а C₂ – его входную емкость.

Рис. 5. Схема замещения трансформатора

При больших токах (например, при отключении короткого замыкания) окончательный разрыв всегда имеет место в момент прохождения тока через нуль, причем снижение тока до нуля происходит плавно.

При малых токах (например, при отключении ненагруженных трансформаторов) степень ионизации дуги оказывается незначительной и под действием рабочего дутья выключателя может произойти очень быстрый распад дугового столба еще до того, как ток проходит через свое нулевое значение (впрочем, в настоящее время существуют вакуумные, элегазовые выключатели, время отключения которых мало; для таких выключателей возможно отключение в любой точке синусоиды). При этом сопротивление дуги скачком возрастает, а ток в дуге резко снижается до нуля. Происходит так называемый «срез» тока. Мгновенное значение тока, которое может быть «срезано», зависит от степени ионизации дуги в этот момент времени и от дугогасящих способностей выключателя.

Допустим, что в схеме на рис.5. в момент времени t₀ произошел срез тока, мгновенное значение которого было I_срез (рис.6). После обрыва тока магнитная энергия L₂I²_cрез/2 будет переходить в электрическую энергию конденсатора C₂ –> C₂U²_2max/2. Этому процессу соответствует уравнение

где I_cр – ток среза.

Из приведенного уравнения определяется максимальное или так называемое «ожидаемое», значение перенапряжения:

,

где U₀-напряжение на емкости C₂ в момент t₀

Рис.6. Временная диаграмма перенапряжений при отключении
ненагруженного трансформатора

Расчеты показывают, что U_2max во много раз превышает номинальное напряжение трансформатора, так как L₂ – индуктивность холостого хода трансформатора исчисляется десятками генри, а ток среза может оказаться равным 10-20 А.

При возникающих перенапряжениях прочность межконтактного промежутка оказывается недостаточной и происходит повторное зажигание дуги в выключателе. Сам выключатель выступает «ограничителем» перенапряжений. В результате нового среза тока может появиться следующий пик напряжений и процесс на осциллограмме выглядит в виде чередующихся срезов тока и последующих пробоев контактного промежутка.

Повторные зажигания дуги в выключателе могут прекращаться довольно быстро, но могут продолжаться и несколько полупериодов. Длительность существования повторных зажиганий зависит от ожидаемого перенапряжения, интенсивности затухания собственных колебаний и скорости роста восстанавливающейся прочности выключателя.

Поскольку перенапряжения при отключении индуктивностей лишь в очень редких случаях достигают предельных значений и имеет форму кратковременных импульсов, то установленные на присоединениях трансформаторов грозозащитные разрядники легко справляются с их ограничением. Возможно существенное ограничение перенапряжений применением выключателей с шунтирующими сопротивлениями, через которые часть энергии, запасенной в индуктивности, возвращается в сеть. Эти сопротивления подобны тем, которые рекомендовались выше для ограничения перенапряжений ненагруженных линий, однако значения сопротивлений должны быть того же порядка, что и индуктивное сопротивление отключаемой цепи.