Глава VII
Синтетические схемы испытания выключающих аппаратов высокого напряжения
- Развитие синтетических схем испытания
Схема Μ. М. Акодиса
Схема искусственного увеличения отключаемой мощности установки для испытания выключателей представлена на рис. 93.
Схема состоит из двух контуров: токового, где трансформатор Тр питает испытательную цепь током пониженного напряжения, и конденсаторного контура, который подает высокое восстанавливающееся напряжение на выключатель после перехода тока через нулевое значение. Работает схема следующим образом. После замыкания защитного выключателя ЗВ через испытуемый выключатель ИВ будет протекать ток короткого замыкания. Затем следует отключение тока короткого замыкания испытуемым выключателем ИВ. После достижения током нулевого значения, если расстояние между контактами испытуемого выключателя достаточное, начинается восстановление напряжения. Это возрастание напряжения на дуговом промежутке используется для включения импульсной схемы и подачи высокого восстанавливающегося напряжения на испытуемый выключатель ИВ. Для синхронизации момента включения восстанавливающегося напряжения от импульсной схемы с моментом достижения током нулевого значения используется контур C1, К, С2. Величины сопротивления R и емкостей C1 и С2 подобраны так, чтобы во время горения дуги (низкая частота) напряжение на емкости равнялось небольшой части полного напряжения, которое в это время составляет примерно 2—3% от рабочего и менее. В момент гашения дуги напряжение на контактах испытуемого выключателя ИВ быстро возрастает до напряжения «пика гашения». Вследствие этого скорость изменения напряжения в этот период сильно увеличивается и напряжение на емкости C1 резко возрастает. Это напряжение подводится к трехэлектродному искровому реле промежуточных импульсных контуров ГИНа и ГИНб. В зависимости от полярности напряжения на емкости C1 зажигается контур ГИНа или ГИНб. Разряд контура ГИНа даст начало разряду контура Сгина или Сгинб, который «поджигает» основной контур Са или Сб. Восстанавливающееся напряжение от контура Са или Сб подается на испытуемый выключатель ИВ. При. повторном зажигании дуги в выключателе в конце следующего полупериода после прохождения тока короткого замыкания через нулевое значение сработает другой импульсный генератор Са—Сб. Таким образом, схема позволяет дважды получить восстанавливающееся напряжение, а следовательно, испытывать выключатели с длительностью горения дуги до 2 полупериодов. При удвоении количества импульсных контуров указанную длительность можно довести до 4 полупериодов. Однако при этом схема становится весьма громоздкой. Как указывает автор работы [3], схема позволяет испытывать выключатели с модностью отключения, в 5—10 раз превышающей натуральную мощность испытательной установки. Как отмечает Η. М. Чернышев, для удовлетворительной работы синхронизирующего устройства схемы надо, чтобы испытуемый выключатель работал с резкой форсировкой тока к нулевому значению, так как при этом будет хорошо выраженный «пик гашения». Необходимо также отметить, что после гашения дуги на контактах ИВ приложения восстанавливающегося напряжения будет происходить с запаздыванием, определяемым временем срабатывания искровых реле испытательной схемы. Время запаздывания может доходить до 100 мксек. Достигнуть большей точности синхронизации в этой схеме можно лишь в том случае, если применить современный метод синхронизации при помощи прибора автоматического управления опытом (ПАУ), предложенный Η. М. Чернышевым и А. М. Арзяевым (ВЭИ) [99].
Схема А. Я. Буйлова (ВЭИ)
Для испытания маломасляных импульсных выключателей и воздушных выключателей в 1937 г. была разработана синтетическая схема А. Я. Буйлова [27]. Схема Буйлова представлена на рис. 94. Трансформатор Τρ1 при закороченном ИВ дает ток до 5000 а, при напряжении 0,3 кВ, источником восстанавливающегося высокого напряжения является трансформатор Тр2, обмотка низшего напряжения которого питается от синхронного генератора Г2. Так как генераторы Г1 и Г2 находятся на одном валу, то э. д. с., индуктируемые во вторичных обмотках трансформаторов Тр1 и Тр2, совпадают по фазе. Следовательно, когда ток в испытуемом промежутке проходит через нуль, то одновременно и в фазе восстанавливается напряжение на емкостях и С2. Напряжение от С2 подводится к траверсе. При работе схемы напряжением от Тр2 будет пробит промежуток ИВ и ВВ. Начало работы измерительной схемы КО осуществляется замыканием контактов т и п. При замыкании этих контактов напряжение от Тр2 подается на трехэлектродное искровое реле вспомогательного контура ГИН КО, при пробое которого начинается запись исследуемого явления катодным осциллографом, подключенным к делителю напряжения ДН. В качестве вспомогательного разрыва может быть использована также вторая фаза выключателя при условии, что будет одновременное расхождение контактов этих двух фаз. При испытании по схеме рис. 94 с появлением дуги через испытуемый промежуток ИВ протекает ток короткого замыкания сильноточной цепи i1, а через вспомогательный выключатель ВВ протекает ток i0, величина которого определяется разностью мгновенных значений токов, вызванных э. д. с. соответствующих источников. Так как в действительности достигнуть полного совпадения по фазе токов трудно, то гашение дуги после прохождения тока через нуль будет поочередным. После гашения дуги на ВВ через ИВ будет протекать сравнительно с прежним меньший ток, который пройдет последовательно через оба источника э. д. с., в связи с чем в схеме произойдет автоматическая подача восстанавливающегося напряжения на ИВ без запаздывания, до прохождения через нуль тока, протекающего в ИВ. Необходимо отметить, что вопросы о соотношении напряжений и мощностей источника тока и источника восстанавливающегося напряжения, в значительной мере определяющие условия испытания в синтетической схеме, освещены в [27] недостаточно.
Рис. 94. Синтетическая схема А. Я. Буйлова;
Τρ1 и Тр2 — понизительный и повысительный трансформатор-j; TH — трансформаторы канала кенотронов ГИН КО; КО — катодный осциллограф; ДН — емкостный делитель напряжения; Γ1 и Г2 — синхронные генераторы.
Как показал В. В. Каплан [53], схема рис. 94 имеет следующие недостатки. В момент гашения дуги в ВВ происходит скачкообразное изменение формы кривой тока в испытуемом выключателе. Наличие излома в кривой тока, вызванного изменением скорости уменьшения тока в ИВ, до перехода через нулевое значение, приводит к тому, что нарушается эквивалентность условий испытания в синтетической схеме по сравнению с реальными условиями отключения в эксплуатации.
Из приближенного анализа работы [53] вытекает:
- скорость изменения тока до гашения дуги на электродах ВВ приближенно будет определяться параметрами первого источника э. д. с.:
- после гашения дуги на контактах ВВ величина скорости изменения тока по времени будет определяться параметрами последовательно соединенных источников э. д. с.:
Для устранения заметного излома в кривой тока необходимо выдержать условие
что приближенно требует соотношения
Соблюдение этого условия, будет обеспечено в том случае, если источник восстанавливающегося высокого напряжения будет иметь мощность, при которой
или
Однако при этом ток i0, протекающий через ВВ, будет близок к нулю, и необходимость в ВВ отпадает. Схема при таком соотношении параметров источников э. д. с. будет представлять схему из двух последовательно соединенных агрегатов с эквивалентной испытательной мощностью, равной сумме мощностей этих агрегатов. В этом случае схема не даст увеличения испытательной мощности и эффект синтетической схемы будет отсутствовать. Для соотношений, при которых схема дает увеличение испытательной мощности, ток i2 должен быть значительно меньше тока i1, но при этом 
и появляется излом в кривой тока, что является недостатком такой схемы. В результате анализа недостатков схемы В. В. Каплан [53] сформулировал требование, предъявляемое к эквивалентной синтетической схеме — схема должна обеспечить подключение источника восстанавливающегося высокого напряжения к ИВ за 200—300 мксек до перехода тока через нулевое значение, но при этом в кривой тока через ИВ не должно быть заметного излома.
Схемы Скитса (США)
Первая схема Скитса. Синтетическая схема для испытания выключателей (128, 129, 130], предложенная Скитсом (Skeats) в 1936 г., показана на рис. 95. При испытании последовательно с испытуемым промежутком ИВ включен вспомогательный выключатель ВВ, назначение которого заключается в разделении цепей трансформаторов Τρ1 и Тр2 после гашения дуги. Понижающий трансформатор Тр2. является источником тока. При замкнутых контактах ВВ и ИВ напряжение первичной обмотки трансформатора Τρ1 мало и равно падению напряжения в подводящих к выключателю проводах. Через ИВ и ВВ протекает ток короткого замыкания трансформатора Тр2. При отключении на контактах ИВ и ВВ горит дуга. Вслед за прохождением тока через нулевое значение дуга гаснет и начинается восстановление напряжения на зажимах трансформатора Тр2. При этом растет напряжение на зажимах, трансформатора Тр1. Если напряжение на зажимах обмотки высокого напряжения трансформатора Тр1 достигает значения, при котором будет пробит искровой промежуток П, то с этого момента к испытуемому выключателю будет приложено восстанавливающееся высокое напряжение.
Наличие в схеме реакторов L позволяет регулировать при испытании величину отключаемого тока. По данным [128] могут быть различные случаи работы схемы при испытаниях. Схема Скитса (рис. 95) была применена для испытания импульсного выключателя на 287,5 кВ, с двумя разрывами на фазу. Испытания проводились при значениях тока до 8300 α и восстанавливающемся напряжении в 132 кВ, что соответствовало мощности отключения
Рис. 95. Первая схема Скитса:
Г — генератор, L— реактор; Тр2 — трансформатор токовой цепи синтетической схемы; Tp1 — трансформатор для подачи восстанавливающегося напряжения; П — искровой промежуток.
Напряжение источника тока короткого замыкания трансформатора Тр2, составляло 44 кВ, что соответствовало действительной мощности короткого замыкания (в пересчете на мощность при трехфазном коротком замыкании).
Как видно из этого примера, при помощи такой установки испытывались выключатели на мощность отключения, превышающую действительную модность испытательной установки в
Основным недостатком рассматриваемой схемы с точки зрения эквивалентности условий испытания реальным условиям отключения мощности является запаздывание в приложении восстанавливающегося напряжения к контактам выключателя после гашения дуги на ИВ. Как видно из осциллограммы, приведенной в работе [129], после обрыва тока короткого замыкания восстанавливающееся высокое напряжение от трансформатора Τρ1 подается на испытуемый выключатель через 100—120 мксек. Запаздывание зависит как от скорости роста напряжения на трансформаторе Тр1, так и от величины разрядного искрового промежутка П, который не должен быть малым, чтобы не вызвать преждевременного пробоя за счет напряжения на дуге до ее гашения. За время запаздывания в приложении восстанавливающегося напряжения, в связи с развитием деионизации, электрическая прочность испытуемого дугового промежутка может существенно возрасти. Поэтому по сравнению с реальным развитие процесса отключения будет искажено и результаты испытания могут оказаться неполноценными. К недостаткам этой схемы следует также отнести нестабильность работы искрового промежутка.
Вторая схема Скитса. Для устранения недостатков первой схемы Скитсом в 1938 г. были внесены изменения [129], направленные на стабилизацию работы искрового разрядника (рис. 96). Здесь источник восстанавливающегося напряжения — трансформатор Тр — присоединен к ИВ при помощи двух последовательно включенных искровых разрядников P1 и Р2. Каждый разрядник зашунтирован сопротивлением r1=120000 ом. Кроме того, разрядник P1 зашунтирован еще выпрямителем В с последовательно включенным сопротивлением r=1000 ом. Испытание при помощи второй схемы происходит следующим образом. Замыкание цепи тока синхронным замыкателем 1 (рис. 96) должно быть произведено в такой момент времени, при котором напряжение на дуговом промежутке ИВ имеет такую полярность, при которой выпрямитель В не пропускает тока. В этом случае напряжение обмотки высокого напряжения трансформатора Тр при одинаковых величина r2 будет распределено равномерно на каждом искровом промежутке P1 и Р2. После перехода тока через нулевое значение дуга на ИВ гаснет, напряжение обмотки высокого напряжения трансформатора Тр изменяет свой знак, выпрямитель В становится проводящим и шунтирует искровой разрядник Р1.
Рис. 96. Вторая схема Скитса:
Г — генератор; 1 — синхронный замыкатель; Тр — трансформатор цепи восстанавливающегося напряжения; В — выпрямитель; r1 и r1 — сопротивления; Р1 и Р2 — искровые разрядники; ИВ — испытуемый выключатель; ВВ — вспомогательный выключатель.
В связи с этим практически почти все напряжение приходится на искровой промежуток Р2 и пробивает его, что в свою очередь снова вызывает перераспределение напряжения и завершается пробоем искрового промежутка Такая ступенчатая работа устройства для подачи напряжения от трансформатора Тр (рис. 96) обусловит соответствующее изменение величины восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке ИВ. Когда дуга на контактах ИВ погаснет, но P1 и Р2 еще не будут пробиты, сравнительно небольшое напряжение от трансформатора Тр все же будет приложено к ИВ. Распределение напряжения в этой цепи будет зависеть от соотношения величин последовательно включенных сопротивлений: обмотки трансформатора Тр, величины 2r1 и сопротивления дугового промежутка ИВ. В этот отрезок времени значительная часть напряжения будет приходиться на сопротивление 2rt и лишь после пробоя Рх и Р2 к дуговому промежутку ИВ будет приложено полное напряжение источника восстанавливающегося напряжения. Таким образом, и вторая схема Скитса не полностью обеспечивает нормальный характер восстановления напряжения на контактах ИВ, так как в первый отрезок времени имеется запаздывание в приложении к ИВ соответствующей величины восстанавливающегося напряжения. Необходимо, однако, отметить, что с помощью механизма синхронизации работы сильноточной и высоковольтной цепей во второй схеме можно уменьшить общее время запаздывания разряда, так как ступенчатый характер разряда на Р2 и Р1 снизит разрядное напряжение отдельного искрового промежутка примерно в 2 раза по сравнению с первой схемой. Появляющееся за счет этого на электродах искрового разрядника перенапряжение ускоряет пробой. Следует отметить, что действие замыкателя 1, от четкой работы которого зависит работа всей схемы, не освещена в работе [129], поэтому не может быть сделана оценка этого важного элемента схемы.
Третья схема Скитса. Из опубликованной в 1942 г. третьей схемы [130] (рис. 97) видно, что в ней искровые промежутки отсутствуют. Источник восстанавливающегося высокого напряжения — трансформатор
Τρ — своей низковольтной обмоткой подключен между землей и свободной фазой 3 генератора Г, питающего также цепь короткого замыкания. Напряжение на емкости С опережает ток короткого замыкания примерно на 90 эл. град и в момент гашения дуги напряжение на емкости С близко к амплитудному значению. Через ИВ и ВВ при замкнутых контактах вместе с током короткого замыкания сильноточного источника протекает также ток от источника восстанавливающегося напряжения (трансформатор Тр), который ограничивается сопротивлением R1 до значения 5—50 а.
Рис. 97. Третья схема Скитса:
Г — генератор токовой цепи; Тр — трансформатор; С — емкость; R1 и R2 — активные сопротивления; L — реактор.
Хотя данных о характере и скорости нарастания восстанавливающегося напряжения не приводится, все же по сравнению с предыдущими схемами устранен такой серьезный недостаток схемы, как наличие паузы в приложении восстанавливающегося напряжения после обрыва дуги в ИВ.
Схема Э. Маркса
Описанная в работе [125] искусственная схема предложена Э. Марксом в 1936 г. в основном для исследования запирающей способности мощных дуговых вентилей при токе 2000 а и напряжении 150 кВ. Одновременно указывалось на возможность испытания на этой установке мощных выключателей. Схема (рис. 98) состоит из двух основных элементов источника большого тока и источника высокого напряжения. Схема имеет два дуговых промежутка: вспомогательный и испытуемый/ Напряжения источника тока и источника напряжения совпадают по фазе. Дуга в испытуемая объекте Р (дуговой выпрямитель) зажигается с помощью вспомогательного электрода d. Появившаяся дуга замыкает цепь сильного тока dclh, которая питается от синхронного генератора Г. Управление процессом приложения к испытуемой цепи восстанавливающегося, напряжения осуществляется через управляющую сетку тиратрона электронного реле. При погасании дуги в контуре R3—С1—L2 возникают высокочастотные колебания. Подключенное к шунту R3 электронное реле срабатывает при первом переходе через нуль тока этих высокочастотных колебаний. С помощью цепи выдержки времени, как это видно из блок-схемы рис. 99, включаемой цепью управления, определяется то заданное время, по истечении которого на испытуемый объект подается импульс от ударного контура высокого напряжения. Напряжение импульса прикладывается между точками I и «земля». Защита источника главного тока от импульса высокого напряжения осуществляется с помощью реакторов L1 и L2 (рис. 98) и емкости С1. В схеме имеется автотрансформатор АТ для осциллографирования процесса испытания. Ординатные пластины подключаются к точкам b и f.
Рис. 99. Блок-схема испытательной установки Э. Маркса:
1 — цепь наблюдения; 2 — цепь зажигания; 3—цепь главного тока; 4 — объект испытания; 5 — цепь испытательного напряжения; 6 — цепь управления; 7 — цепь выдержки времени.
Рис. 98. Принципиальная электрическая схема синтетической испытательной установки Э. Маркса:
Г — синхронный генератор; Р — испытуемый объект (дуговой вентиль); d — вспомогательный электрод; L1 и L2 — реакторы; C1 — емкость, предназначенная для защиты обмоток генератора; АТ — автотрансформатор; R3 — шунт.
Амплитуда импульса высокого восстанавливающегося напряжения измеряется шаровым разрядником, присоединенным к точкам с и l. Наименьшее время запаздывания, прошедшее от момента погасания дуги на электродах Рдо момента приложения восстанавливающегося напряжения, составляет 30 мксек. Этот интервал характеризует время срабатывания синхронизирующего устройства.
