Опасные перенапряжения, вызываемые размыканием ветвей в цепях, содержащих индуктивные катушки

При размыкании ключей в электрических цепях, содержащих катушки с большой индуктивностью, на отдельных участках могут возникать напряжения, во много раз превышающие установившиеся. Напряжения, превышающие установившиеся, называют перенапряжениями. Они могут оказаться настолько значительными, что при определенных условиях вызовут пробой изоляции и выход из строя измерительной аппаратуры.

Пример 79.

К зажимам индуктивной катушки с R = 100 Ом; L = 10 Гн подключен вольтметр (рис. 8.18). Сопротивление вольтметра = 3000 Ом; Е = 100 В. Найти приближенное значение напряжения на зажимах вольтметра при t = 0₊, если допустить, что размыкание ключа произойдет мгновенно и искры не возникнет.

Рис. 8.18.

Решение. До размыкания ключа через L протекает ток i = E/R = 1 А. В индуктивной катушке была запасена магнитная энергия Li²/2. Если допустить, что размыкание ключа произошло мгновенно и искры не появилось, и учесть, что ток через L должен оставаться равным 1 А, то по замкнутому контуру, составленному вольтметром и катушкой, за счет запаса энергии магнитного поля индуктивной катушки в первое мгновение будет протекать ток в 1 А. При этом на вольтметре возникнет пик напряжения 2 кВ. Прохождение большого импульса тока через вольтметр может вызвать перегорание катушки прибора и выход его из строя.

При размыкании ключа с конечной скоростью между его расходящимися контактами возникнет электрическая искра. Это приведет к тому, что увеличение напряжения на вольтметре будет меньше, чем в только что рассмотренном идеализированном случае, когда ключ размыкался мгновенно без искры.

При более детальном рассмотрении процесса необходимо еще учесть влияние межвитковых емкостей и емкостей на землю (см. параграф 11.1). Если не учитывать возникновение искры, распределенные емкости и индуктивности, то приведенный расчет является грубым и носит иллюстративный характер.

Чтобы не «сжечь» вольтметр в цепи (см. рис. 8.18), сначала следует отключить вольтметр, а затем разомкнуть ключ. Перенапряжения проявляются тем сильнее, чем больше индуктивность в цепях. Особенно опасны они в цепях постоянного тока, содержащих индуктивности порядка единиц и десятков генри. В таких цепях при отключениях соблюдают специальные меры предосторожности (ключ размыкают после введения дополнительных резисторов в цепь).