Воздушные выключатели на напряжение 110 кВ и выше и элегазовые выключатели на напряжение выше 220 кВ состоят из нескольких последовательно включенных дугогасительных разрывов, число которых определяется конструктивным исполнением дугогасительных устройств, параметрами газовой среды и др. При этом в процессе отключения КЗ, а также в отключенном положении, если не приняты специальные меры, распределение напряжения по разрывам может быть крайне неравномерным, что следует из анализа эквивалентной схемы замещения выключателя (рис. 1).
В качестве параметра, характеризующего неравномерность распределения напряжения по разрывам выключателя, принимается отношение напряжения, приходящегося на г-й разрыв выключателя, к напряжению на разрыве при равномерном распределении напряжения :
Рис. 1. Схема замещения выключателя:
Сш — шунтирующие емкости; Ср — емкости дугогасительных разрывов; Ср.з. — емкости разрывов на землю: Св.р — взаимные емкости между разрывами
Наибольшее значение flimax называется коэффициентом неравномерности и определяет требования к наружной изоляции модуля выключателя, а также к восстанавливающемуся напряжению на модуле. Для продольной изоляции многоразрывного выключателя наиболее неблагоприятным является случай несимметричного приложения напряжения (например, воздействие коммутационного перенапряжения на один вывод при заземленном другом или приложение к другому выводу напряжения промышленной частоты, амплитудное значение которого совпадает по времени с амплитудой напряжения противоположной полярности).
Для выравнивания распределения напряжения по разрывам наиболее часто применяются шунтирующие конденсаторы. Конденсаторы для наружной установки изготовляются в изоляционном (фарфоровом) кожухе. Обеспечить приблизительно равномерное распределение напряжения (с,- < 1,1) при большом числе разрывов N > 4 затруднительно, так как для этого требуются конденсаторы весьма большой емкости, что в свою очередь вызывает трудности при конструировании выключателей (конденсаторы закрепляются параллельно вводу модуля выключателя и создают большие дополнительные механические нагрузки). Для уменьшения суммарной емкости конденсаторов в конструкциях многоразрывных выключателей при числе разрывов N > 4 разрывы шунтируются конденсаторами неодинаковой емкости Сш. Поскольку перенапряжение в общем случае может возникать на любом выводе выключателя, шунтирующие конденсаторы должны быть установлены симметрично. При этом возникает задача подбора шунтирующих емкостей для принятой конструкции выключателя и расчетного случая воздействия напряжения на разомкнутые контакты выключателя. Оптимальный вариант набора шунтирующих емкостей (с наименьшим средним значением шунтирующей емкости обеспечивается при равенстве относительных напряжений на половине разрывов со стороны вывода, к которому приложено большее напряжение.
Задавая размеры выключателя и его электродов, рассчитав схему замещения и принимая различные средние значения СШ1, можно вычислить оптимальные наборы шунтирующих емкостей.
Зависимости оптимальных шунтирующих емкостей на каждом разрыве выключателя 750 кВ (число разрывов N = 6) от Сш приведены на рис. 2. Аналогичный вид эти зависимости имеют и для другого числа разрывов и конструктивного выполнения выключателя. В _ широком диапазоне изменения Сш зависимости Сщ,- опт =/(Сш) прямолинейны и ограничены снизу емкостью разрывов Сшт;п (минимальное значение, соответствующее отсутствию шунтирующих конденсаторов на средних разрывах выключателя).
Рис. 2. Зависимости шунтирующих емкостей Сш, (i = 1, 2, 3) при их оптимальном наборе от Сш для выключателя 750 кВ с шестью разрывами ( кривые 1 — 3) и зависимость коэффициента неравномерности (а) от Сш при оптимальном наборе емкостей (кривая 5) и одинаковых шунтирующих емкостях (кривая 4)
Шунтирующие конденсаторы выбираются из дискретного ряда номинальных емкостей, которые могут отличаться от оптимальных. Кроме того, фактические значения высоковольтных конденсаторов, применяемых для шунтирования разрывов, имеют отклонения от номинальных. Это может привести к изменению распределения напряжения по разрывам выключателя. Как показал анализ, при дискретных значениях емкостей и их разбросе в диапазоне ±5% отклонение коэффициента неравномерности составляет не более 5% расчетного.
При очень быстром изменении напряжения (воздействие прямоугольного импульса) распределение напряжений определяется емкостной схемой замещения, а при напряжении промышленной частоты — схемой замещения, учитывающей только резистивные элементы. Сопротивление шунтирующих резисторов, предназначенных для выравнивания распределения напряжения (несколько десятков килоом на один разрыв), существенно больше, чем это необходимо для повышения отключающей способности дугогасительного устройства или для ограничения коммутационных перенапряжений. Шунтирующие резисторы должны быть рассчитаны на длительное протекание тока в отключенном положении выключателя, поэтому они не нашли сколько-нибудь широкого применения. Более перспективно применение для шунтирования разрывов выключателя варисторов, причем характеристики варисторов должны подбираться с учетом их влияния на процессы дугогашения.