Коммутация цепей. 
Источники помех

В электрической силовой цепи имеются выключатели, разъединители, отделители и т. д., которые могут замыкать (включать) или размыкать (отключать) электрические цепи. То же самое можно делать и в слаботочных цепях релейной защиты, автоматики, связи и т. д. с помощью контактов реле или других специальных устройств.

При производстве переключений в распределительных устройствах высокого напряжения, при операциях разъединителями возникают многочисленные повторные перекрытия (зажигания). Рассмотрим случай подключения (подачи напряжения) на короткий обесточенный участок линии (рис. 3.15). При приближении подвижного контакта разъединителя Р к неподвижному, если напряжение пробоя сближающихся контактов становится меньше максимального значения переменного напряжения, происходит первый пробой, во время которого подключаемый участок заряжается емкостным током, линия приобретает потенциал шин, с которых подается напряжение и емкостный ток подает до нуля, дуга между контактами разъединителя гаснет. Потенциал линии во времени не меняется, а на шинах меняется по синусоидальному закону. Если в некоторый момент времени напряжение между контактами раздъединителя превысит напряжение пробоя, то произойдет второй пробой. Этот процесс неоднократно повторяется до тех пор, пока контакты разъединителя не сомкнутся.

На рис 3.16 показан качественный характер изменения напряжения на шинах (U_C) и на линии (U_Л).

Эти рассуждения справедливы только для «электрически коротких линий, время пробега волны по которым мало по сравнению со временем развития пробоя». Если время пробега волны в отключенной линии больше, чем время развития повторных зажиганий, то при каждом пробое возникают волны напряжения и тока, которые в конце линии отражаются, возвращаются к месту горения дуги, накладываются на напряжение и ток дуги и анализ процессов в искровом промежутке усложняется. При размыкании разъединителей протекают аналогичные процессы. На рис. 3.17 с помощью осциллографа с максимальной частотой дискретизации 1 ГГц записан реальный ток при коммутации разъединителей. Максимальные зафиксированные уровни помех при работе разъединителей составляют более 5 кВ.

Колебательные затухающие импульсы тока и напряжения распространяются по шинам, ошиновкам распределительного устройства и создают на территории действующей подстанции электрические и магнитные поля. На рис. 3.18 приведены осциллограммы величин тока и напряженности полей при отключении разъединителя 500 кВ.

При размыкании разъединителей в элегазовых распределительных устройствах высокого напряжения, где времена нарастания процессов первичного и повторного зажигания лежат в наносекундном диапазоне, могут вызвать переходные процессы, сопровождающиеся волнами, которые из-за неравномерности волнового сопротивления (изолированные фланцевые соединения, ответвления) частично отражаются, частично проходят дальше или даже могут выходить во внешнее пространство. В табл. 3.3 приведены характерные значения напряженностей электрического и магнитного полей, частота их колебаний при операциях отключения различными разъединителями.

Можно отметить следующие основные отличия переходных процессов на подстанции с элегазовой изоляцией от процессов на подстанции с воздушной изоляцией:

основная частота колебаний переходного процесса на подстанции с элегазовой изоляцией, по крайней мере, в 10 раз выше;

максимальные напряженности электрических и магнитных полей на подстанции с элегазовой изоляцией несколько ниже;

постоянная времени затухания колебаний напряжения на подстанции с элегазовой изоляцией меньше;

напряженность электрического поля на подстанции с элегазовой изоляцией за небольшой промежуток времени снижается до нуля.

Таблица 3.3. Напряженность электрического и магнитного полей.

Вероятной основной причиной уменьшения напряженности магнитного и, особенно, электрического полей служит наличие металлического экрана (корпус КРУЭ).

Коммутации выключателями менее опасны, чем разъединителями, поскольку выключатель имеет дугогасящую систему, которая не позволяет электрической дуге между контактами гореть слишком долго. При коммутациях разъединителями многократный пробой промежутка и горение дуги может продолжаться более 10 секунд. Многократность пробоя обеспечивается изменением полярности питающего напряжения. В этом случае возникает целая серия затухающих колебательных помех, следующих друг за другом через 5 — 15 мс.

Спектр частот помех существенно зависит от протяженности коммутируемых участков шин. Частота бывает тем выше, чем меньше протяженность (и, следовательно, эквивалентная ёмкость и индуктивность) коммутируемого участка. В то же время при коммутации значительных участков шин время горения дуги и, соответственно, длительность пачки импульсов будет выше. Так, например, в случае коммутации короткого участка ошиновки длиной несколько метров спектр частот достигает нескольких десятков мегагерц. В случае же коммутации длинного участка (например, обходной системы шин) основная часть спектра помехи будет лежать в диапазоне сотен килогерц.

Электромагнитные помехи возникают и при коммутациях в цепях релейной защиты и автоматики. В качестве примера рассмотрим простейший случай питания катушки промежуточного реле KL через переключатель П от источника постоянного тока Б (рис. 3.19).

В нормальном режиме контакты переключателя П замкнуты, в цепи протекал постоянный ток i. В реле KL создается магнитный поток Ф.

При отключении переключателя П ток пытается снизиться до нуля, а вместе с ним пытается снизиться до нуля поток Ф. Это приводит к появлению на выводах катушки KL ЭДС самоиндукции.

.

Поскольку мы предположили, что ток i, а вместе с ним и поток Ф мгновенно снизились до нуля, то, т. е. стремится к бесконечно большому значению (нескольких киловольт).

В действительности величина U_L будет ограничена. При размыкании переключателя П к его контактам приложено ЭДС самоиндукции U_L в несколько кВ. Это напряжение пробивает воздушный промежуток между подвижным и неподвижным контактами П, и в цепи снова появляется ток, что приводит к снижению тока, росту U_L и пробою контактов П. Процесс прекратится только тогда, когда контакты переключателя П удалятся друг от друга настолько, что необходимое напряжение горения дуги превышает фактически имеющееся напряжение на контактах.

Таким образом, при отключении катушки реле KL будем иметь серию токовых импульсов большой крутизны (рис. 3.20). Крутизна импульса ограничивается наличием некоторого активного сопротивления в катушке KL. Импульсы тока являются первопричиной (источником) возникновения электромагнитных полей (помех).

Это особенно опасно там, где современную цифровую аппаратуру устанавливают рядом с электромеханическими системами защиты и автоматики.