Terhelő áramok megszakítása nagyfeszültségen

Nemcsak a nagy zárlati áramok megszakítása jár nehézséggel. A sokkal kisebb terhelő áramok megszakítása is problémákat okozhat, ha az ív a megszakítás után újragyullad. Két ilyen esetet tárgyalunk. Az egyik a kapacitív terhelő áramok megszakítása, amely a gyakorlatban üresen járó távvezeték, kábel vagy kondenzátortelep áramának megszakítását jelenti. A veszélyhelyzet áramlevágás nélkül is kialakul, tehát a jelenség az ívfeszültség elhanyagolásával is bemutatható. A másik eset a kis induktív terhelőáramok megszakítása. Ez nagy transzformátorok vagy középfeszültségű aszinkron motorok üresjárási áramának megszakításakor csak akkor veszélyes, ha az íváramot a megszakító levágja. A jelenség bemutatásakor tehát figyelemmel kell lennünk az ívfeszültségre is. Itt jegyezzük meg, hogy az áramigénybevételek is épp a kapacitív terhelések (2.1.2.2 pont) és az üresen járó transzformátorok (2.1.2.3 pont) bekapcsolásakor növekszenek meg, de természetesen más okokból kifolyólag.

3.3.1. Kapacitív áram megszakítása

A kapacitív áram megszakításának folyamatát a 2.53. ábrán látható kapcsolási vázlattal modellezzük, és az ívfeszültség elhanyagolásával tárgyaljuk. A megszakítandó i terhelőáramot a terhelés C 2 kapacitása határozza meg, amely a hálózat C 1 szórt kapacitásánál sokkal nagyobb értékű ( C 2 >> C 1 ). A kis értékű L 2 induktivitásnak ( L 2 << L 1 ) csak újragyújtáskor lesz szerepe. A (2-50) összefüggés jelen esetben is érvényes, tehát a VSF a két kondenzátor feszültségének különbségeként képezhető. A kikapcsolást megelőzően ( L 2

elhanyagolásával) írható:

(2-75)

2.53. ábra. Kapacitív áram megszakításának hálózati modellje

Ennek alapján megállapítható, hogy az áramnullaátmenet pillanatában a két kondenzátor azonos értékű feszültsége határozottan nagyobb, mint a tápfeszültség maximuma, tehát U 1 = U 2 >; U m . Ez a 2.54. ábrán bemutatott időfüggvényeken is látható. A megszakító érintkezői még alig távolodtak el egymástól, amikor a kis értékű i kapacitív terhelőáram megszakadt. A megszakítás után a tápoldali kondenzátor feszültsége a tápfeszültség körül

(2-76)

önfrekvenciával lengve, csillapodással éri el a tápfeszültség időfüggvényét, míg a terhelésoldali kondenzátor az U 2 feszültségre feltöltött állapotban marad.

2.54. ábra. Kapacitív áram megszakítása. Időfüggvények.

A két kondenzátor feszültségének különbsége a megszakító még csak kis távolságra kinyitott és még nem regenerálódott elektródaközét könnyen átütheti, miáltal az ív újragyulladhat. Tételezzük fel, hogy az ív újragyulladása abban a 2.54. ábrán látható időpillanatban következik be, amikor az érintkezők közötti feszültség U m + U 2 értékű (ez az újragyújtás legkedvezőtlenebb esete).

2.55. ábra. „Első” rezgőkör

Az ív felgyulladásával két rezgőkörben egyszerre tranziens rezgések indulnak meg. A 2.55. ábra szerinti „első”

rezgőkörben, amely a kis értékű L 2 induktivitást is tartalmazza, i 3 áram kezd el folyni, amelynek hatására a két kondenzátor feszültsége a közös U k értékre kiegyenlítődik. Az i 3 áram igen nagyfrekvenciájú lesz, mert a C e

eredő kapacitás is kicsi:

(2-77)

így az önfrekvencia:

(2-78)

A „második” rezgőkörben folyó i 2 áram frekvenciájára a 2.56. ábra alapján írható:

(2-79)

2.56. ábra. „Második” rezgőkör

periódusideig - az első nullaátmenetében megszakad. A megszakítás után a tápoldali kondenzátor feszültsége a tápfeszültség körül ω 1 önfrekvenciával, de az első megszakításnál jóval nagyobb amplitúdóval lengve csillapodással éri el a tápfeszültség időfüggvényét, míg a terhelésoldali kondenzátor is sokkal nagyobb feszültségre feltöltött állapotban marad mint az előző - hálózati frekvenciás - áram nullaátmenetében. A 2.54.

ábrán látható, hogy a nyitott érintkezők közötti feszültségkülönbség is sokkal nagyobb. Egy újabb (sorozatos) újragyújtás esetén a feszültségek a megszakító mindkét oldalán egyre nagyobbakká válnak, amelynek végül átütés, majd zárlat lehet a következménye.

Áramlevágás is előfordulhat, amely növeli a tápoldali lengés amplitúdóját. A terhelésoldalon viszont az u ív ívfeszültséggel kisebb értéken marad feltöltve a kondenzátor, amely csökkenti a megszakító igénybevételét ( u 2

= u 1 - u ív ).

3.3.2. Kis induktív áram megszakítása

2.57. ábra. Kis induktív áramok megszakításának hálózati modellje

A 2.57. ábrán L 2 egy üresen járó transzformátor vagy aszinkron motor induktivitását, C 2 a menet- és a szórt kapacitásokat helyettesíti, az L 3 kis értékű induktivitásnak csak a visszagyújtáskor lesz szerepe. A megszakító az i induktív terhelőáramot a t =0 időpillanatban áramlevágással szakítja meg. Az időfüggvényeket a 2.58.

ábrán rajzoltuk meg abból kiindulva, hogy a megszakítást megelőzően:

(2-80) és

(2-81)

a megszakítás után pedig a két kondenzátor feszültségének különbsége a VSF.

2.58. ábra. Kis induktív áram megszakítása, időfüggvények

A 2.58. ábrán megfigyelhető, hogy a megszakítás után a tápoldali u 1 feszültség az állandó U m értékűnek tekintett tápfeszültség értéke körül

(2-82)

frekvenciával lengve, csillapodás után a tápfeszültséghez tart, és a megszakítás előtti időfüggvény azzal azonos kezdeti meredekséggel folytatódik. A terhelésoldali u 2 feszültség időfüggvénye is azonos kezdeti meredekséggel folytatódik, de az a zérus érték körül

(2-83)

frekvenciával ( ω 2 <; ω 1 ) lengve (és lecsillapodva) nullához tart. A VSF természetesen a nagy meredekségű ív feszültségének meredekségével folytatódik a megszakítás után és véges értékről indul, ezért igen könnyen újragyulladhat. A kis áram megszakítása miatt a dielektromos újragyulladási mechanizmust feltételezve, az ív visszagyújtása a U 0 értéknél következik be, amint az a 2.58. ábrán látható. Ekkor nagyfrekvenciás kisütőáram ( i

3 ) indul meg a C 1 -L 3 -C 2 körben az íven keresztül (lásd a 2.57. ábrát). A két sorba kapcsolt kondenzátor eredő kapacitása:

(2-84)

amely U 0 feszültségre van feltöltve az újragyújtás pillanatában, tehát - a veszteségek elhanyagolásával - ez az energia alakul át az L 3 induktivitás energiájává:

(2-85)

tehát a nagyfrekvenciás kisütőáram lehetséges legnagyobb csúcsértéke:

(2-86)

és körfrekvenciája:

(2-87)

Az íven azonban még az 50 Hz-es áram is átfolyik. A 2.59. ábrán mutatjuk be az áramok és feszültségek kinagyított időfüggvényeit egy újabb áramlevágás, majd egy további visszagyújtás és végleges ívkialvás esetén.

Látható, hogy a visszagyújtás esélyei a hálózati frekvenciás áram nullaátmenete felé haladva csökkennek, mert a levágott áramok és a tárolt mágneses energiák is mérséklődnek. Ha azonban az 50 Hz-es nullaátmenet után is folytatódnak a visszagyújtások, a végleges ívkialvásnak már nem igen van esélye, és a feszültségek egyre növekszenek, amely átütésekhez és zárlathoz vezethet.

2.59. ábra. Az íváram sorozatos újragyulladása, időfüggvények