При отключении больших токов (больше 100 А) гашение дуги происходит при естественном переходе тока через нуль. Опасных перенапряжений при этом не возникает, а восстанавливающееся напряжение не превосходит двойной амплитуды рабочего напряжения сети.

             
      Рис. 4.16. Срез переменного тока. Схема замещения при отключении малого индуктивного тока.

При отключении токов, меньших 25 А, часто возникают «срезы» тока — досрочный переход тока через нуль (рис. 4.16). Подобные срезы могут возникать в любой точке синусоиды тока, вплоть до амплитуды. Реально такой случай может иметь место, например, при отключении холостого хода трансформатора или при отключении шунтирующего реактора. По новым данным срез тока объясняется наложением на ток дуги высокочастотных колебаний в контуре LC (рис. 4.16), состоящем из находящихся по обе стороны выключателя емкостей  и  и индуктивности L_К, связывающей эти емкости. Собственная частота колебаний fL в таком контуре обычно очень велика (десятки килогерц), так как постоянные колебательного контура малы:

Здесь

Амплитуда высокочастотных колебаний может оказаться больше тока дуги, что и приведет к более раннему погасанию последней, в момент, когда эти токи направлены навстречу друг другу.
        При отключении холостого хода трансформатора, сопровождающемся срезом тока, электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности трансформатора., переходит в. электростатическую энергию заряда емкости, шунтирующей индуктивность. Емкость эта представляет собой емкость шин и вводов трансформатора.

Так как 

то

Ток холостого хода трансформатора составляет единицы или десятки ампер, емкость трансформаторов очень мала, в то время как индуктивность, обусловленная рассеянием, достаточно велика. В результате имеет порядок 10—100 кОм и кратность перенапряжения может быть большой. Эти высокие кратности получаются, несмотря на активные сопротивления и потери в стали трансформаторов, демпфирующие перенапряжения.

На рис. 4.17 приведены диаграммы процесса отключения холостого хода трансформатора для двух случаев. В первом случае срез тока происходит на подъеме, а во втором — на спаде синусоиды тока.

 Как показывает опыт, очень часто перенапряжения, вызванные отключением тока среза, приводят к повторным зажиганиям дуги. С одной стороны, это нежелательно, так как задерживает ликвидацию короткого замыкания, а с другой — повторное зажигание является положительным фактором, так как при этом трансформатор, хотя и на короткое время, вновь подключается.
                
Рис. 4.17. Изменение напряжения на зажимах трансформатора при одинаковом токе среза: а — на подъеме кривой тока; б — на спаде кривой тока через дугу к сети, что позволяет части электромагнитной энергии перейти в сеть и понизить перенапряжения.

По некоторым данным наиболее опасные перенапряжения возникают при отключении индуктивных токов, находящихся в диапазоне от 5 до 40 А.

При отключении реакторов дуга в выключателе горит более устойчиво, так как токи, которые подлежат размыканию, больше токов холостого хода трансформаторов и по форме ближе к синусоиде. Поэтому очень часто ток среза при отключении реакторов значительно меньше, чем при отключении холостого хода трансформаторов. В то же время энергия, подводимая к дуге, больше и ее деионизация проходит медленнее, чем при отключении трансформатора.

 Если перенапряжения, возникающие при меньших токах среза, недостаточны для того, чтобы вызвать повторные зажигания дуги, перенапряжения не будут демпфироваться. Следовательно, в этом случае коммутационные перенапряжения будут выше, чем при отключении холостого хода трансформаторов. Если исходить из предположения, что при прочих равных условиях токи среза в обоих случаях одинаковы, продолжительность горения дуги при отключении реактора будет больше.

При отключении опережающего зарядного тока среза тока не наблюдается, однако в сети могут возникать значительные перенапряжения. Если зарядный ток отключается в момент естественного перехода через нуль, на отключенной линии остается заряд и связанный с ним постоянный потенциал, очень медленно спадающий при отводе заряда через утечку линии. Сохраняющееся в последующие моменты времени напряжение линии равно амплитуде рабочего напряжения (рис. 4.18.).

Напряжение на другой стороне выключателя (б сторону шин) изменяется по синусоидальному закону и через 10 мс достигает амплитуды противоположного знака. В этот момент времени межконтактный промежуток будет находиться под двойной амплитудой сетевого напряжения. Если электрическая прочность промежутка восстановится к этому моменту времени до большего значения, отключение линии произойдет без повторного зажигания дуги. Если же по достижении сетевым напряжением амплитуды произойдет повторное зажигание дуги, то емкость, а следовательно, и линия окажутся по отношению к земле под двойным сетевым напряжением, которое может понизиться до амплитудного значения только в том случае, если собственная частота колебательного процесса будет настолько велика, что обрыва дуги не произойдет и дуговой промежуток останется ионизированным (рис. 4.19., а).   Очевидно, это может иметь место только при отключении достаточно коротких линий, емкость которых мала. При отключении длинных линий после обрыва дуги на них сохранится напряжение, существенно большее питающего (рис. 4.19, б).

                                   
Рис. 4.18. Отключение холостого хода линии высокого напряжения без повторного зажигания дуги в выключателе.

Так как эти повторные зажигания возникают при каждом пике синусоидального напряжения, изоляция линии может пробиться, если не предусмотрена соответствующая защита в виде вентильных разрядников.

Точно таким же образом протекают процессы при отключении конденсаторных батарей. Следовательно, отключение холостых линий высокого напряжения и конденсаторных батарей должно производиться так, чтобы не возникали повторные зажигания дуги. Это может быть обеспечено применением шунтирующих сопротивлений для двухступенчатого отключения, а также комбинированного дутья у малообъемных масляных выключателей.
       

                    
Рис. 4.19. Коммутационные перенапряжения при отключении емкости; а — малой; б — большой

Рис. 4.20. Коммутационные перенапряжения на подстанции с нейтралью, заземленной через ЗРОМ

Опасные коммутационные перенапряжения могут возникнуть в сетях с компенсированной нейтралью при проведении на подстанциях коммутационных операций с компенсирующими заземляющими устройствами (ЗРОМ). Если, например, от подстанции (рис. 4.20) отходит только одна линия, то при ее отключении может возникнуть режим, при котором зарядные токи в фазах А и В уже отключены, а в фазе С еще течет ток I, который замыкается на землю через трансформатор и дугогасящую катушку. Если теперь ток в фазе С будет отключен не при естественном переходе через нуль, то в момент размыкания дугогасительная катушка будет обладать электромагнитной энергией LPI2 . Так как, однако, дуга погасла и цепи тока не существует, а емкость линии отделена от схемы, емкость контура состоит лишь из емкости по отношению к земле сборных шин трансформатора и дугогасящей катушки. Эта маленькая емкость должна воспринять электромагнитную энергию дугогасящей катушки, т. е.

          При этом возникают значительные (4—5-кратные) перенапряжения. Если к шинам подстанции присоединены несколько линий большой емкости или нейтраль на подстанции при коротком замыкании кратковременно заземляется через вентильный разрядник (искусственная нулевая точка), опасных перенапряжений не возникает. Если такая схема не предусмотрена, отключение последней линии должно производиться от руки с предварительным отсоединением дугогасящей катушки.

Легко избежать трудностей отключения дугогасящей катушки включением параллельно с ней вентильного разрядника. Для уменьшения перенапряжений при отключении малых индуктивных и емкостных токов рекомендуются следующие меры. Если в выключателях на низкой и высокой стороне трансформатора применен одинаковый способ гашения дуги, отключение холостого хода трансформатора следует производить на стороне низкого напряжения (больше токи и устойчивей дуга).

Если в выключателях применены разные способы гашения дуги, следует отключать тем выключателем, который надежней гасит дугу. Холостой ход трансформатора ни в коем случае не следует отключать одновременно обоими выключателями (с высокой и низкой сторон).Следует избегать совместного отключения нескольких индуктивностей, включенных последовательно (например, главный трансформатор и регулировочный бустерный трансформатор или трансформатор и дугогасящая катушка). Следует избегать отключения дугогасящих катушек, находящихся под током и не шунтированных вентильным разрядником. На длинных линиях высокого и сверхвысокого напряжения рекомендуется устанавливать выключатели, у которых вероятность повторных зажиганий дуги меньше, например быстродействующие воздушные выключатели с шунтирующими сопротивлениями.

4.10. Перенапряжения при коммутации конденсаторов и длинных линий

А) Перенапряжение при отключении конденсатора.

Одной из важных проблем, определяющих прогресс в развитии конструкций конденсаторных установок, является разработка и освоение специальной комплектующей аппаратуры. К общим требованиям, предъявляемым к комплектующей аппаратуре, относятся минимальные весогабаритные характеристики, обеспечение наиболее целесообразной компоновки конденсаторных установок, удобство и безопасность монтажа, производственная эстетика, высокие надежность и экономичность. Основным коммутирующим аппаратом КУ является выключатель, предназначенный для включения и отключения чисто емкостной нагрузки, выполняемой с учетом мероприятий по ограничению переходных процессов.
Обычные выключатели не обладают достаточной механической прочностью, необходимой при работе с конденсаторными установками. Так, например, масляные выключатели выше 1000 В обеспечивают только 2000 включений и отключений, однако в конденсаторных установках с автоматическим регулированием указанное гарантированное количество срабатываний может быть превышено, поэтому применение обычных выключателей приводит к быстрому износу и частой их замене.

Процессы, происходящие при отключении конденсаторов, имеют некоторые особенности по сравнению с процессами при отключении другого вида электрооборудования. При отключении конденсаторов напряжение на их зажимах в течение всего процесса отключения остается практически постоянным благодаря наличию в конденсаторе электрического заряда. При разрядке конденсатора даже с разрядными сопротивлениями требуется значительно больше времени, чем для перемещения контактов выключателя из одного крайнего положения в другое. Поэтому можно считать, что на зажимах присоединенного к конденсатору выключателя напряжение остается постоянным в течение всего процесса отключения, а на зажимах выключателя, присоединенного к сети, меняется синусоидально.
В момент начала отключения напряжение между подвижными и неподвижными контактами равно нулю, но через половину периода, т. е. через 0,01 с, оно равно удвоенной амплитуде напряжения сети. В этот момент расстояние между контактами выключателя может быть еще настолько мало, что воздушный промежуток будет пробит и ток возобновится. Так как в этот момент па конденсатор действует двойное напряжение, то и ток может в 2 раза превысить ток включения разряженного конденсатора. Таким образом, ток при отключении конденсатора может возобновляться несколько раз, пока не произойдет окончательного разрыва его на контактах выключателя.

 Переходные процессы, возникающие при отключении конденсаторов, аналогичны процессам при их включении. При переходных процессах возникают кратковременные броски тока переходного режима, превосходящие номинальный ток КУ. Все это заставляет подходить к коммутационным процессам с особой осторожностью, а иногда даже возникает необходимость в применении устройств, ограничивающих эти переходные процессы. При исследовании процесса включения существенное значение имеет расположение подключаемой конденсаторной установки—отдельное, обособленное от других конденсаторных установок (рис. 4.21).

Первый случай может иметь место при централизованной компенсации, когда вся КУ включается одним выключателем, во втором случае конденсаторной установки может быть разделена на секции, каждая из которых включается отдельным выключателем. Имеется в виду также включение и отключение конденсаторной установки, работающих параллельно с другой установкой или при коммутации под напряжением отдельных секций регулируемой конденсаторной установки .

                          
Рис. 4.21. Схема подключения обособленной, КУ к электрическим сетям

Броски тока и перенапряжение, сопровождающие переходные процессы в обособленных КУ, как правило, не представляют опасности ни для конденсаторов, ни для другого оборудования установки. При параллельной работе КУ или отдельных ее секций броски тока и перенапряжение могут быть более значительны. Однако отечественный и зарубежный опыт показывает, что даже для мощных КУ максимальный ток включения меньше ударного тока КЗ, который выдерживает выключатель. Броски тока и перенапряжение при отключении конденсаторных установок могут быть более значительными, чем при ее включении, если отключение происходит недостаточно быстро. В отечественной и зарубежной технической информации приводится значительное количество теоретических и экспериментальных данных о переходных процессах при коммутации конденсаторной установки. Однако их нельзя считать достаточно полными, так как протекание переходных процессов зависит от многих факторов: схемы конденсаторных установок, ее рабочего напряжения, мощности, типа выключателя, технической характеристики энергетической системы, к которой будет подключена данная КУ, и др.

Б) Перенапряжения при включении длинных линий.

При включении длинных ненагруженных на конце линий электропередач и при их АПВ возможны перенапряжения, опасные для установленного оборудования. Для борьбы с этими перенапряжениями используются два способа. При первом способе специальной схемой управления контакты выключателя замыкаются тогда, когда разность потенциалов на них равна нулю. При этом исключается причина возникновения переходного процесса , создающее перенапряжение. Выключатель должен иметь стабильное время включения, поддерживаемое с высокой точностью, и довольно сложную схему управления. Поэтому пока этот способ распространения не получил. При втором способе применяется схема с предвключаемым резистором (рисунок 4.22.). Здесь е(t) - ЭДС источника, х - его индуктивное сопротивление,  - напряжение на левом выводе выключателя, - напряжение в начале линии длиной . При включении линии вначале включаются вспомогательные контакты  и в цепь вводится резистор. Введение этого резистора усиливает процесс затухания и снижает перенапряжения. Спустя 1,5 - 2 периода сети переходной процесс заканчивается, включаются главные контакты  и процесс включения завершается.

Рис.4.22. Отключение ёмкостного тока. Длинная линия с предвключаемым резистром R_ш.