- Трехфазная емкостная электрическая цепь
В конденсаторе ток опережает напряжение на 90°. Если ток прерывается во время своего естественного перехода через нуль, то напряжение проходит в этот момент как раз через свое амплитудное значение. Это напряжение на емкости соответствует определенному заряду, который сохраняется в конденсаторе после размыкания выключателя. Сам конденсатор поддерживает свое напряжение в течение нескольких секунд почти неизменным.
Рис. 3
Затем питающее напряжение периодически изменяется и при этом также проходит через амплитудное значение с противоположным знаком, так что к разомкнутому выключателю при отключении конденсатора может быть приложено максимально удвоенное амплитудное значение питающего напряжения. При размыкании трехфазной емкостной электрической цепи эти процессы являются несколько более сложными. На рис. 3 показана такая трехфазная цепь с симметричным источником напряжения, представленным в виде однофазных источников напряжения, аналогичных источникам на рис. 1. Все три емкости С равны между собой и, следовательно, средняя точка О трех конденсаторов имеет в нормальном симметричном режиме потенциал земли. Для того чтобы после полного отключения еще можно было определять потенциалы, между средней точкой О трех конденсаторов и. землей Е в схеме учитывается емкость батареи, которая, однако, очень мала в сравнении с емкостью каждого из трех конденсаторов и, таким образом, не оказывает никакого влияния на процесс отключения.
На векторной диаграмме, приведенной на рис. 3,6 для ωt = 0, указаны питающие напряжения трех фаз. Буквы, внесенные в векторную диаграмму рис. 3, б, обозначают потенциал соответствующих точек в момент времени t = 0. Мгновенное значение всех потенциалов или напряжений равно проекции векторов на вертикальную штрих-пунктирную ось. Напряжение провода А является синусной функцией и, следовательно, его мгновенное значение в момент времени t = 0 равно нулю. Векторная диаграмма вращается с круговой частотой ω, вследствие чего при частоте 50 Гц угол 90° соответствует времени t = 5 мс. Для этого угла (соответствующего ωt = π/2) векторная диаграмма изображена на рис. 3, в. Напряжение на проводе А достигло теперь как раз своего амплитудного значения, а напряжения на проводах В и С равны половине фазного напряжения. Кривые изменения напряжений приведены на рис. 4 и 5.
Теперь, в момент времени, соответствующий ωt = π/2, разомкнем полюс А выключателя. При этом векторную диаграмму по рис. 3, в можно представить в виде двух векторных диаграмм, а именно векторной диаграммы по рис. 3, г для переменных напряжений, продолжающих действовать после размыкания полюса А в емкостной цепи, две фазы которой еще находятся под напряжением, и векторной диаграммы по рис. 3,д для остаточного заряда конденсатора после отключения полюса А. Правда, векторная диаграмма по рис. 3,6 «вращается» с угловой скоростью, равной нулю, и соответствует только постоянным во времени напряжениям. Векторная диаграмма по рис. 3,г указывает, например, на то, что полюс АА' разомкнут и что теперь напряжение имеется только между полюсами В' и С', причем средняя точка О конденсаторной батареи имеет по отношению к переменному напряжению половину потенциала точек В' и С'.
Поскольку полюс АА' разомкнут, точка А' имеет относительно переменного напряжения тот же потенциал, что и точка О. Исходной точкой для всех векторных диаграмм является точка Е с потенциалом земли.
Векторная диаграмма на рис. 3,д дополняет мгновенные значения, установленные по векторной диаграмме на рис. 3,г, до векторной диаграммы на рис. 3, в, действительной для момента времени непосредственно перед отключением. Это означает, что в векторной диаграмме точки А и А' имеют тот же потенциал. В векторной диаграмме на рис. 3,2 напряжение между точками А и А' равно 1,5-кратному фазному напряжению. Это смещение переменного напряжения компенсируется определяемым из векторной диаграммы рис. 3,e постоянным напряжением между точками А и А', также равным 1,5-кратному фазному напряжению, но с противоположным знаком, так что в момент времени, соответствующий ωt = π/2, точки А и А' еще сохраняют тот же потенциал.
В течение последующего времени векторная диаграмма рис. 3,2 вращается, а векторная диаграмма по рис. 3,д сохраняет свое прежнее положение. Вследствие этого точка О поворачивается вокруг точки Е до тех пор, пока по прошествии некоторого дальнейшего времени, соответствующего ωt=η/2, не достигнет на векторной диаграмме рис. 3, е потенциала земли. При этом следует различать два случая:
- Конденсаторная батарея остается соединенной с источником напряжения через две фазы, т. е. полюсы ВВ' и СС' выключателя остаются замкнутыми.
- Полюсы ВВ'и СС' размыкаются в момент следующего перехода тока через нуль, так что тогда конденсаторная батарея будет отключена по всем трем полюсам.
К случаю 1. Здесь также действительны векторные диаграммы рис. 3,2 и 3,(3. В момент времени, соответствующий ωt = π, точка А имеет потенциал земли (см. также векторную диаграмму рис. 3,2); то же самое относится и к точке О. Для точки А', которая в векторной диаграмме для переменных составляющих напряжений имеет потенциал точки О и, следовательно, в этот момент ее переменный потенциал равен потенциалу земли и согласно векторной диаграмме рис. 3, <3 прибавляется половинное постоянное остаточное фазное напряжение относительно земли. Это вытекает также и из рис. 4. В более поздний момент времени, соответствующий ωt = 3π/2 потенциал точки О в векторной диаграмме переменных составляющих напряжений достигает как раз половины фазного напряжения. Следовательно, точка А имеет потенциал, равный отрицательному амплитудному значению фазного напряжения. Точка А' получает дополнительно потенциал постоянного напряжения, равного 1,5-кратному фазному напряжению по векторной диаграмме на рис. 3,д. Таким образом, в сумме напряжение на зажиме А' достигает по сравнению с точкой Е (потенциал земли) удвоенного фазного напряжения.
Рис. 4
Это происходит в момент времени, когда напряжение на зажиме А с другой стороны полюса АА' проходит как раз через отрицательное амплитудное значение фазного напряжения. Следовательно, напряжений на межконтактном промежутке разомкнутого полюса А в момент времени, соответствующий ωt = 4π/3, т. е. через 10 мс после отключения тока на полюсе АА', будет равно трехкратному амплитудному значению фазного напряжения.
Рис. 5
Это напряжение представляет собой значительную нагрузку на указанный полюс, которая особенно в выключателях старых конструкций, может приводить к обратным зажиганиям. Как уже упоминалось прежде, эти обратные зажигания вызывают перенапряжения и, следовательно, значительную нагрузку на изоляцию. На рис. 4 напряжение на межконтактном промежутке представлено вертикально заштрихованным участком. Указан также потенциал точки О относительно земли. Из рис. 4 видно, что переменная составляющая напряжения на зажиме А' имеет в точности такую же кривую, что и аналогичная часть напряжения на зажиме О. Это обусловлено тем, что зажим А' отключен от источника питающего напряжения и соединен только со средней точкой О конденсаторной батареи. Периодическая составляющая напряжения накладывается при размыкании полюса АА' на апериодическую составляющую, сохранившуюся на емкости в ветви А'.
К случаю 2. При размыкании тока во время его следующего перехода через нуль описанное выше состояние не достигается. Отключение тока на полюсах ВВ' и СС происходит одновременно, так как через эти два полюса выключателя протекает одинаковый ток при условии, что током через емкость цепи между точками О и Е можно пренебречь.
После того как через 10 мс в соответствии с ωt = π ток будет на полюсах ВВ' и СС' разомкнут, конденсаторная батарея окажется полностью отключенной от сети. Все три питающих напряжения больше не имеют никакой связи с этой конденсаторной батареей. Однако после отключения полюсов ВВ' и СС' в обеих емкостях ветвей В' и С' остается некоторый заряд, как это вытекает из векторных диаграмм на рис. 3.
Векторные диаграммы по рис. 3,д и ж справедливы теперь для одновременного расчета зарядов, сохраняющихся в емкостях ветвей А', В' и С', а следовательно, напряжения надо суммировать. Это означает следующее: ветвь А' имеет согласно векторной диаграмме по рис. 3,(9 напряжение относительно земли, равное 1,5-кратному фазному напряжению. Точки В' и С' имеют на векторной диаграмме по рис. 3, е потенциал земли. Однако согласно векторной диаграмме по рис. 3, е они получают напряжение, равное √3/2-кратному фазному, с противоположными знаками (В' — положительный, С' — отрицательный).
На рис. 5 приведены кривые напряжения после размыкания полюсов В и С. На отключенной стороне сохраняются только апериодические составляющие напряжения. Сравнение с кривыми напряжения на рис. 4 показывает, что зажим A' имеет теперь напряжение относительно земли, равное только 1,5-кратному, а не двойному, как в предыдущем случае, фазному напряжению. В соответствии с этим напряжение, восстанавливающееся на полюсе А, равно лишь 2,5-кратному амплитудному значению фазного напряжения, а не 3-кратному значению этого напряжения в соответствии с рис. 4.
Процессы, связанные с обратными зажиганиями дуги в трехфазных электрических цепях, можно анализировать следующим образом. Для исследования процесса отключения токов с рабочей частотой, протекающих через конденсаторы, применяется описанный выше метод. Для анализа переходного процесса
применяется эквивалентная схема, справедливая для условий между зажимами полюса, на котором происходит обратное зажигание. В эту эквивалентную схему кроме имеющихся в ней емкостей необходимо включить также и индуктивности цепи. Если эти индуктивности во всех фазах одинаковы, то получается, если, например, «смотреть» с полюса АА' на котором происходит обратное зажигание, последовательное соединение емкости полюса (фазы) А с обеими (соединенными друг с другом параллельно) емкостями полюсов (фаз) В и С. Таким образом, результирующая емкость равна ⅔ С. С этой емкостью последовательно соединена индуктивность L ветви А' которая, в свою очередь, связана последовательно с включенными параллельно индуктивностями ветвей В' и С'. При этом результирующая индуктивность равна /2 L. Таким образом, в случае идеального источника напряжения образуется электрическая цепь с неизменной частотой, которая просто поддается расчету. Исходя из условия идеального источника напряжения, расчет можно производить в хорошем приближении в том случае, когда от сборной шины, от которой отключена конденсаторная батарея, отходят несколько кабелей или если к ней присоединена другая конденсаторная батарея. При этом питающее напряжение равно 1,5-кратному фазному напряжению, определенному по векторной диаграмме на рис. 3, г. Эквивалентная схема для первого гасящего полюса АА' показана на рис. 6. Индуктивность L следует полагать в трехфазной схеме соединенной последовательно с емкостью С.
Эти соображения справедливы для отключения трехфазной конденсаторной батареи со свободной нейтралью. При заземленной нейтрали процессы упрощаются и носят такой же характер, как при отключении присоединенных по трем фазам конденсаторов с фазным напряжением.
