Коммутационные перенапряжения возникают в электрических цепях при изменении режимов их работы. Каждое нарушение установившегося режима электрической цепи вызывает перераспределение запасов электрической и магнитной энергии в индуктивностях и емкостях цепи, сопровождающееся переходными процессами и, следовательно, перенапряжениями.
В устройствах СЦБ и связи образование коммутационных перенапряжений, вызывающих повреждения ПП, связано с изменениями режима работы низковольтных силовых цепей и цепей постоянного тока. В силовых цепях эти перенапряжения возникают, главным образом, в период переключения с основного фидера питания указанных устройств на резервный и наоборот. Как известно, электропитание устройств СЦБ и связи осуществляется от силовых трансформаторов мощностью от 0,3 до 100 кВ-А, в первичной или вторичной обмотке которых включены коммутирующие элементы. Наиболее опасные для ПП перенапряжения возникают при переключении электропитания (с основного на резервное и наоборот) в цепи первичной обмотки силового трансформатора. Амплитуда коммутационных перенапряжений зависит от режима коммутации (выключения и включения источника тока) и момента коммутации напряжения переменного тока. Максимальные коммутационные перенапряжения в цепи вторичной обмотки силового трансформатора (рис. 6, а) появляются при выключении источника тока (напряжения сети) в тот момент, когда мгновенное значение напряжения, сдвинутое относительно тока (7) на 90°, равно нулю (рис. 6,б). В этом случае отсутствует противоэлектродвижущая сила. В результате происходит резкое изменение магнитного потока в силовом трансформаторе, сопровождающееся образованием кратковременных (доли миллисекунд) импульсов перенапряжений в его вторичной обмотке (рис. 6, а). Амплитуда таких импульсов значительно превышает допустимые значения обратного напряжения р-п переходов в полупроводниковых диодах и транзисторах. Так, например, при выключении силового трансформатора мощностью 5 кВт, нагруженного на аварийное малогабаритное реле АСШ2-220, в его вторичной обмотке были зафиксированы импульсы перенапряжений длительностью 0,7 мс и амплитудой 1900—2000 В (рис. 6, а). Такие импульсы перенапряжений вызывают, как правило, пробои кремниевых диодов в выпрямителе КЦ402И пакетного типа. По техническим условиям максимальное допустимое обратное напряжение кремниевых диодов составляет 500 В постоянного тока.
Рис. 6. Схема включения реле АСШ2-220 (а) и кривые, иллюстрирующие возникновение в нем коммутационных перенапряжений: б — напряжение и ток в первичной обмотке трансформатора; в — максимальный выброс напряжения при отключении трансформатора; г — напряжение намагничивания трансформатора; д — максимальный выброс напряжения при включении трансформатора
В то же время их импульсное пробивное напряжение при наличии нагрузки достигает 1800 В (волна 10/500 мкс). Если же источники тока выключаются при максимальном мгновенном напряжении, т. е. когда ток в первичной обмотке трансформатора равен нулю, то перенапряжения в низковольтных силовых цепях не образуются.
Возникновение перенапряжений при включении трансформаторов связано с ударным током их намагничивания. Однако амплитуда этих перенапряжений значительно меньше перенапряжений, появляющихся при выключении источников тока, и обычно не превышает удвоенного значения рабочего напряжения (рис. 6, д).
Амплитуда коммутационных перенапряжений зависит также от мощности силового трансформатора и его нагрузки. Она определяется экспериментально. В цепях электропитания постоянного тока с индуктивностью, например, обмоткой реле, образование коммутационных перенапряжений связано прежде всего с электромагнитной энергией, запасенной в его обмотке при прохождении через нее тока.
При размыкании электрической цепи ток в обмотке реле резко снижается от первоначального (установившегося) значения до нуля, что в свою очередь вызывает соответствующее уменьшение магнитного потока в обмотке реле. Вследствие явления самоиндукции в ней появляется импульс напряжения (э.д.с. самоиндукции), амплитуда которого зависит от значения тока, проходившего по обмотке до размыкания контактов, скорости их размыкания и индуктивности обмотки реле. Э.д.с. самоиндукции имеет ту же полярность, что и источник тока, и теоретически может возрасти до бесконечности. В действительности она ограничивается параметрами цепи и может быть приблизительно определена по следующей формуле, В:
где I — ток, проходящий по обмотке реле до размыкания цепи, А;
L — индуктивность обмотки реле, Гн;
С — емкость, включающая в себя емкость монтажа и собственную емкость обмотки реле, Ф.
Э.д.с. самоиндукции определяют также экспериментально. Так, размыкания цепи трансмиттерного реле ТШ-65 с рабочим напряжением 12 В постоянного тока сопровождаются образованием импульсов коммутационных перенапряжении с амплитудой до 1200 В, которые могут пробить межвитковую изоляцию обмотки реле или вызвать искрообразование на контактах кодового трансмиттера. Эти перенапряжения ограничивают полупроводниковыми диодами, включаемыми параллельно обмотке реле. В таких случаях э.д.с. самоиндукции, приложенная к диодам в прямом направлении, неопасна, так как через диоды в прямом направлении проходит импульс тока с небольшой амплитудой, равной значению тока, проходящего по обмотке реле до размыкания электрической цепи.
Когда полупроводниковые диоды включают параллельно обмотке реле для замедления его работы (например, в реле присутствия кода ПКР дешифратора АЛС), образующаяся при размыкании э.д.с. самоиндукций прикладывается к диодам в обратном направлении, вызывая их пробой и выход из строя. Опасная по значению э.д.с. самоиндукции возникает также в транзисторах и тиристорах, которые служат для отключения тока в цепи питания реле или резонансного и высокочастотного колебательных контуров. Значение ее изменяется от 4- до 20-кратного значения рабочего напряжения цепи.
При разработке ПП следует учитывать коммутационные перенапряжения и ограничивать их до безопасных значений, что обычно осуществляют включением выравнивателей, варисторов, искрогасительных контуров (RС-цепочек) и др. [6, 8].