Глава VI
Колебательный контур проф. А. А. Горева
- Основные схемы колебательного контура
В 1937 г. проф. А. А. Горев предложил идею использования, для испытания выключателей, колебательного разряда батареи конденсаторов. Идея метода заключается в следующем. В лаборатории мощности отключения на ударных генераторах энергия, необходимая для испытания выключателей, получается за счет кинетической энергии вращающихся масс, сидящих на валу синхронного генератора. В колебательном контуре для этой цели используется запас электрической энергии заряженных конденсаторов. Разряжая батарею конденсаторов через реактор, при надлежащем подборе параметров, можно получить необходимую частоту колебательного разряда. Это позволяет создать мощную испытательную станцию при сравнительно ограниченных капиталовложениях. В настоящее время такие испытательные установки строятся не только в СССР. Колебательный контур используется в синтетических схемах и применяется в Англии, ФРГ, США и других странах. Использование энергии колебательного разряда для испытания выключающих аппаратов высокого напряжения получило дальнейшее развитие (гл. VII).
Рассмотрим основные схемы колебательного контура. Батарея высоковольтных конденсаторов С (рис. 87, а), рассчитанная на необходимое при испытании напряжение, заряжается через маломощную выпрямительную установку в течение некоторого промежутка времени (обычно порядка минут). После окончания заряда батарея С посредством вспомогательного так называемого оперативного выключателя ОВ замыкается через реактор L на испытуемый выключатель ИВ, контакты которого замкнуты. В этой цепи происходит колебательный разряд конденсаторов контура с медленно затухающей амплитудой тока. С небольшим запаздыванием по отношению к моменту замыкания контура (характеризующим время металлического короткого замыкания), привод выключателя ИВ приводится в действие, контакты ИВ начинают расходиться, между контактами возникает дуга, которая гаснет во время одного из переходов тока через нулевое значение. При обрыве тока в цепи контура напряжение на контактах выключателя ИВ начинает возрастать, стремясь, в пределе, к двойному значению напряжения батареи. Скорость восстановления напряжения при этом значительно превышает скорость восстановления напряжения в реальных электрических сетях. Для регулирования скорости восстановления напряжения параллельно контактам ИВ присоединяется емкость С0. Подбором величины С0 можно изменять скорость восстановления напряжения и форму восстанавливающегося напряжения. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы условия испытания на колебательном контуре соответствовали условиям испытания выключателя в сети. Подбором основных параметров
(C, L, С0) контура регулируются необходимые при испытании: сила тока в контуре, частота, скорость, форма и амплитуда восстанавливающегося напряжения. Выбор схемы соединения элементов колебательного контура в определенной степени зависит от значений испытательного тока и от напряжения на дуговом промежутке испытуемого выключателя, величина которого влияет на затухание колебательного разряда в испытательной цепи [44].
Одноконтурная схема колебательного контура
Рис. 87. Основные схемы колебательного контура: а — одноконтурная схема колебательного контура, состоящая из батареи конденсаторов С, реактора L. испытуемого выключателя ИВ, оперативного выключателя ОВ, выпрямителя В, трансформатора Тр и емкости С.
Простейшая схема колебательного контура (рис. 87, а), называемая одноконтурной, применима, главным образом, для испытания выключателей с небольшим напряжением на дуговом промежутке. Она используется для испытания высоковольтных выключателей на отключающую способность при больших токах отключения. Часто, однако, на колебательном контуре надо испытывать выключатели, номинальное напряжение которых ниже зарядного напряжения основной батареи конденсаторов. При недозаряде конденсаторов основной батареи испытательная мощность контура резко снижается, так как она пропорциональна квадрату напряжения: Р=U2ωC. Для более эффективного использования мощности контура, при указанных испытаниях, в одноконтурную схему рис. 87, аможно внести некоторые изменения. Так, например, в схеме рис. 87, б конденсаторная батарея С заряжается до номинального напряжения U, а индуктивность выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить в контуре С—L1 колебания с частотой f=50 гц. При этом индуктивность L2 не будет влиять на частоту и величину тока, так как она будет зашунтирована малым сопротивлением дуги на контактах ИВ. При восстановлении напряжения мгновенное значение напряжения батареи конденсаторов С разделяется между реакторами L1 и L2 в соответствии с их индуктивностями. При соответствующем выборе индуктивностей на испытуемом выключателе будет восстанавливаться номинальное напряжение выключателя U2. Следовательно, испытательная мощность в этом случае Р=UωCU2, т. е. будет снижаться пропорционально лишь первой степени напряжения.
Двухконтурная схема колебательного контура
При исследовании отключающей способности высоковольтных аппаратов надо установить надежность гашения ими дуги не только при больших, но и при малых отключаемых токах. Однако с уменьшением тока увеличивается напряжение на дуге и длительность ее горения, в связи с чем испытание в этом случае выключателя на одноконтурной схеме колебательного контура приводит к чрезмерно большому затуханию тока. В связи с этим испытания на отключение малых токов целесообразно производить по двухконтурной схеме, показанной на рис. 87, в. В двухконтурной схеме, по основному колебательному контуру С=L1, проходит большой ток при разряде конденсаторов батареи С, а через ответвление L2, включенное параллельно основному реактору, и испытуемый выключатель ИВ проходит малый ток. Таким образом, запас энергии батареи конденсаторов С такой же, как при испытаниях на большие токи, но величина потерь энергии в дуге при испытании ИВ относительно невелика, ибо через ИВ протекает лишь необходимая часть общего тока.
Вследствие этого затухание колебательного разряда в двухконтурных схемах будет сравнительно невелико, что дает возможность проводить полноценные испытания аппаратов высокого напряжения и в области малых токов отключения. Кроме того, двухконтурные схемы применяются и для испытания выключателей, номинальное напряжение которых ниже или выше зарядного напряжения батареи конденсаторов контура. В последнем случае (рис. 87, г) применяется воздушный автотрансформатор АТ, который повышает напряжение конденсаторной батареи при восстановлении напряжения на ИВ. При испытании выключателей, номинальное напряжение которых ниже зарядного напряжения конденсаторной батареи, применяется схема рис. 87, д, которая аналогична схеме рис. 87, б.
Трансформаторные схемы колебательного контура
Включение трансформатора в испытательную цепь колебательного контура показано на рис. 87, е. Испытуемый выключатель ИВ включается параллельно вторичной обмотке трансформатора Тр. Индуктивность трансформатора используется как составная часть общей индуктивности L реактора и, если Lтр=L, то реактор можно не устанавливать. В трансформаторных схемах колебательного контура трансформатор работает в режиме короткого замыкания, так как вторичная обмотка его замкнута через небольшое сопротивление дугового промежутка ИВ. При этом режиме работы активные потери в железе трансформатора будут значительно меньше, чем активные потери в меди, и наличие «железа» в цепи колебательного контура не приводит к заметному увеличению затухания колебательного разряда. Однако отношение r/l для трансформаторов выше, чем для реакторов, поэтому наличие трансформаторов в контуре на несколько процентов увеличит затухание за полупериод тока. Трансформаторы в цепи колебательного контура применяются для повышения или понижения испытательного напряжения и включаются по одноконтурной (рис. 87, е) и двухконтурной (рис. 87, ж) схемам. Применяется также автотрансформаторная схема (рис. 87, з). Таким образом, колебательный контур является достаточно гибкой установкой, позволяющей испытывать выключающие аппараты различных классов напряжения в большом диапазоне отключаемых токов. Однако для создания таких установок на большие мощности отключения необходимы большие капитальные затраты. Поэтому для исследования в дальнейшем были созданы искусственные синтетические схемы (гл. VII).
