III. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ШУНТИРУЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

В зависимости от назначения щунтирующих сопротивлений в воздушных выключателях имеется довольно много разновидностей схем их включения. Эти схемы отличаются друг от друга как принципиально, по режиму протекания основного и сопровождающего тока, так и функционально, по временной координации разрывов в операции отключения и включения. Существенно также различие самих сопротивлений, которые в основном определяются режимом работы и параметрами выключателей.

На рис.16 приведены три основные схемы, классифицированные по способу подсоединения шунтирующих сопротивлений; в свою очередь каждая из этих схем имеет несколько исполнений – в зависимости от временной координации.

В схеме а номинальный ток протекает по главным контактам ГК, а по вспомогательным ВК1 - только ток, ограниченный сопротивлением r ₁. Может быть применено двухступенчатое шунтирование сопротивлениями r ₁ и r ₂ с контактами ВК2 и отделителем Отд. Обязательным условием временной координации при отключении является запаздывание в размыкании вспомогательных контактов по отношению к главным на время, не меньше максимальной длительности гашения основной дуги.

С учётом времени гашения вспомогательной дуги наибольшее время обтекания сопротивлений током составляет 0,04 – 0,07 сек, что предопределяет довольно тяжёлый термический режим сопротивлений, особенно при работе в циклах. Схема позволяет во включенном положении выключателя держать вспомогательные контакты разомкнутыми, включая их только после подачи команды на отключение (до размыкания главных контактов). По данной схеме возможно также двухстороннее использование сопротивлений (при отключении и включении). При этом временная координация должна предусматривать отключение вспомогательных контактов позже главных, а включение – раньше. При наличии отделителя в этом случае он отключается последним, а включается первым.

Особенностью схемы при отсутствии отделителя является необходимость разомкнутого положения как главных, так и вспомогательных контактов в отключенном положении выключателя и соответствующее их выполнение с точки зрения изоляционной прочности.

В некоторых случаях, особенно для выключателей высоких классов напряжения, сопротивления подключают только при включении. При этом после завершения операции включения вспомогательные контакты размыкаются и остаются в отключенном положении.

Схема а распространена в воздушных выключателях на все напряжения. Сопротивление r ₁ колеблется от нескольких десятых Ома для генераторных выключателей на большие токи до нескольких сотен Ом для выключателей на высокие классы напряжения.

Назначение сопротивлений по этой схеме – снижение скорости восстановления напряжения при отключении и ограничение коммутационных перенапряжений при включении. В большинстве случаев применяются линейные сопротивления, однако в некоторых специальных случаях сопротивления выполняются нелинейными (для ограничения коммутационных перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов и малых индуктивных токов). При этом при наличии отделителя вспомогательные контакты могут вообще отсутствовать.

В схеме б номинальный ток протекает по главным (ГК) и вспомогательным (ВК) контактам. Вспомогательный контакт рассчитан при размыкании только на пропускание и гашение сопровождающего тока. Возможно последовательное включение отделителя.

Обязательным условием для этой схемы, так же как и для схемы а, является заданное запаздывание в размыкании вспомогательного контакта. В схемах а и б аналогичны и требования к термической стойкости сопротивлений. Поскольку в этой схеме сопротивление r ₁ всегда шунтирует главные контакты, к последним в отношении изоляции предъявляются только требования, обусловленные коммутационными режимами, что для некоторых классов напряжения позволяет выполнить их конструктивно более простыми. Если не предъявлять к этой схеме требования двухсторонней работы сопротивлений, главные контакты могут быть выполнены импульсными, т.е. размыкающимися только на время отключения, однако при этом вспомогательные контакты могут быть рассчитаны на полную включающую способность. Назначение сопротивлений такое же, как и в схеме а. К недостаткам этой схемы по сравнению со схемой а следует отнести удвоение разрывов, пропускающих номинальный ток и рассчитанных на полную термическую и динамическую стойкость.

Схема в по виду аналогична схеме б, однако принципиально её отличием является конструктивное выполнение вспомогательного контакта ВК1, дающее ему возможность при размыкании пропускать полный ток короткого замыкания и гасить, по крайней мере, сопровождающий ток, ограниченный шунтирующим сопротивлением r ₁.

Естественно, что при включенном положении этот контакт должен, как и в схеме б, пропускать номинальный ток и сквозной ток короткого замыкания. Это даёт возможность производить одновременно замыкание главных контактов ГК и вспомогательных ВК1 и тем самым существенно уменьшить время обтекания током шунтирующего сопротивления r ₁. Действительно, поскольку к моменту перехода через нуль тока в главном контакте вспомогательный контакт ВК уже готов к гашению, прерывание тока во вспомогательном контакте происходит при первом же переходе через нуль после гашения тока в главном контакте ГК и, следовательно, время протекания тока по сопротивлению r ₁ будет

t = [p - arcsin(r ₁/Ö x ²+ r ₁²)]/w,

где x – реактивное сопротивление внешней цепи, Ом.

Поскольку обычно r ₁ >> x, время t при отключении токов КЗ близко к 5 мсек. Значительно меньшее здесь по сравнению со схемами а и б время протекания тока по шунтирующему сопротивлению позволяет выполнить его значительно более низкоомным и создать на базе этой схемы так называемые выключатели для особо тяжёлых условий по скорости восстановления напряжения. Замечательной особенностью этих выключателей является практически полная независимость восстанавливающегося на контактах напряжения при отключении КЗ, в том числе и неудалённых, от условий внешней цепи.

Обычно для простоты конструкцию вспомогательных контактов ВК1 в схеме в принимают аналогичной конструкции главных ГК. При необходимости вспомогательные контакты ВК1 шунтируют второй, более высокоомной, ступенью r ₂. При этом во многих случаях КЗ с неповышенными СВН, а также небольшие токи отключает вспомогательный контакт ВК1 при первом переходе тока через нуль, и шунтирующее сопротивление r ₁ вообще током не обтекается, что также является преимуществом по сравнению со схемами а и б, где термическая нагрузка сопротивлений при отключении КЗ практически не зависит от его тяжести.

Рассмотрим эквивалентную схему (на основе рис.12) выключателя, питающего присоединения, в режиме, наиболее тяжёлом для вспомогательных контактов. При этом r _в = ¥. Примем в этом расчёте, что шунтирующее сопротивление r имеет индуктивность L _ш. Из очевидных соображений следует, что до размыкания вспомогательного контакта ток через сопротивление r

i _c = E _m/(Ö[w^.(L + L _ш)]² + r ²)^.sin(w^. t) = (E _m/ z)^.sin(w^. t)

при напряжении источника питания e = E _m^.sin(w^. t + j), где tgj = w^.(L + L_ш)/ r

При отсутствии ёмкости на шинах после гашения сопровождающего тока на вспомогательных контактах скачком восстановилось бы напряжение E _m^.sinj, которое бы затем изменялось по синусоидальному закону. При наличии ёмкости получим следующее выражение для восстанавливающегося напряжения на вспомогательном контакте:

u (p) = i _c(p)^. z _вх(p)