Дугогасительные устройства элегазовых выключателей

Скачать работу - Дугогасительные устройства элегазовых выключателей

Чистый газообразный элегаз совершенно безвреден, химически не активен, поэтому в обычных эксплуатационных условиях он не действует ни на какие материалы, применяемые в аппаратостроении, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасительной средой, позволяющей производить отключение очень больших токов при больших скоростях восстановления напряжения. В однородном поле электрическая прочность элегаза в 2,3-2,5 раза выше прочности воздуха.

Низкие температуры сжижения и сублимации дают возможность при обычных условиях эксплуатировать элегазовые аппараты без специального подогрева.

Элегаз не горит и не поддерживает горения, следовательно, элегазовые аппараты являются взрывои пожаробезопасными.

Стоимость элегаза существенно зависит от объёма его производства. При большом его потреблении стоимость единицы объёма элегаза, имеющего такую плотность, при которой достигается равная с маслом электрическая прочность, незначительно будет отличаться от стоимости единицы объёма масла. Но при правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует поэтому такого тщательного ухода за собой, как масло.

Элегаз представляет собой соединение, имеющее химическую формулу SF 6 . При нормальных условиях это бесцветный, не имеющий запаха газ, плотность которого 6,52 кг/м 3 при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 ° C . Он приблизительно в пять раз тяжелее воздуха.

Молекулярная масса элегаза 146,06. В нём содержится 21,95% серы и 78,05% фтора. Одним из необходимых условий возможности использования того или иного соединения в электрических аппаратах является его химическая инертность. Оно не должно вступать в реакцию ни с каким материалом, применяемым в электроаппаратостроении.

Чистый элегаз при обычных условиях удовлетворяет этому требованию, несмотря на то, что в состав его молекулы входит фтор, являющийся одним из наиболее активных химических элементов. По химической инертности чистый элегаз при нормальных условиях сравним с азотом или даже инертными газами.

Строение молекулы и её энергетическое состояние определяют высокую стабильность элегаза.

Отметим также электроотрицательные свойства элегаза, способствующие активному захвату свободных электронов и повышению эффективности гашения дуги.

Молекула элегаза содержит шесть атомов фтора, расположенных в вершинах правильного октаэдра, и атом серы, который находится в центре молекулы на равных расстояниях от атомов фтора. При таком геометрическом расположении атомов в молекуле обеспечивается максимальное перекрытие электронного облака серы и фтора и понижается общая энергия молекулы. В случае недеформированных электронных оболочек атомов фтора радиус молекулы элегаза равен 3,07 . 10 -10 м.

Радиус атома серы лишь на 20% больше радиуса атома фтора. При этом соотношении радиусов атомы фтора плотно облегают центральный атом серы, обеспечивая идеальную его защиту от внешних воздействий. В возбуждённом состоянии атом серы может образовывать шесть ковалентных связей. При атмосферном давлении элегаз, как и углекислый газ, может находиться только в газообразном состоянии. При p аб = 10 5 Па температура перехода из твёрдого состояния в газообразное (температура возгонки) равна - 63,8 ° C . При давлении свыше р аб = 2,28 . 10 5 Па элегаз в зависимости от температуры может находиться во всех трёх агрегатных состояниях. При этом давлении температура тройной точки равна -50,8 ° C . В дугогасительных устройствах (ДУ) элегазовых выключателей применяются различные способы гашения дуги в зависимости от номинального напряжения, номинального тока отключения и условия восстановления напряжения. 1. Дугогасительные устройства с системой продольного дутья Интенсивное газодинамическое воздействие аксиального потока элегаза на ствол электрической дуги является наиболее эффективным способом гашения дуги.

Поэтому оно используется в большинстве конструкций ДУ современных элегазовых выключателей переменного тока высокого напряжения.

Гашение дуги в ДУ происходит в дутьевых соплах в потоке элегаза высокого давления (0,5—0,6 МПа), куда ствол дуги попадает после размыкания контактов.

Основными конструктивными параметрами систем продольного элегазового дутья (рис. 1) являются: площадь сечения S c или диаметр d c горловины сопла, относительное расположение контактов, определяемое расстоянием z 0 , размеры элементов входной части сопла ( z 1 , z 3 ), а также геометрическая форма и размеры диффузоров ( z 2 , —полуугол расширения), площадь сечения S BC или диаметр d BC горловины вспомогательного сопла.

Оптимальные условия для гашения дуги в таких системах во многом определяются геометрическими параметрами дутьевых систем и особенно входной части, которые должны удовлетворять следующим основным требованиям: -форма потенциального поля течения во входной части должна способствовать коаксиальной стабилизации ствола дуги потоком; -в межконтактном промежутке должна быть образована оптимальная форма электрического поля, обеспечивающая наибольшую электрическую прочность промежутка.

Рис. 1 Системы продольного элегазового дутья

Для оценки эффективности дутьевых систем элегазовых выключателей воспользуемся выражением удельной мощности отводимой потоком и отнесенной к площади сечения горловины сопла и к давлению в горловине сопла.

Давление элегаза р с в горловине сопла связано с давлением р к в дугогасительной камере, которое обычно задано, следующим соотношением: р с = p р к Коэффициент p зависит от режима работы дутьевого сопла. Из уравнения: S с = E эф l эф I /( P уд p с ) можно приближенно определить площадь сечения S С и диаметр d c горловины сопла при заданных значениях I , E эф , р к , P уд . В дугогасительных устройствах с несимметричным дутьем (рис. 1 г, е) оптимальные условия для гашения дуги выполняются более полно по сравнению с системами одностороннего дутья (рис. 1 а, д). На рис. 2 представлены опытные зависимости предельного минимального давления р гаш в камере, необходимого для успешного Рис. 2 Зависимость предельного давления гашения от расстояния между контактами 1-одностороннее дутье; 2-несимметричное дутье гашения дуги при отключении тока I т = = 3 кА и скорости восстановления напряжения 1 кВ/мкс, от конструктивных параметров системы одностороннего и несимметричного дутья в элегазе.

Оптимальные относительные расстояния z 0 / d c для этих систем примерно одинаковы: ( z 0 / d c ) одн ( z 0 / d c ) нес =0,7 0,75 Кроме того, найдено, что для системы несимметричного дутья оптимальное отношение площадей сечений S BC / S c 0,20—0,25. Таким же образом были получены оптимальные относительные расстояния для систем двухстороннего дутья (рис. 1 в, ж) ( z 0 / d 1 ) дв 0,35 0,45. При выборе оптимальных параметров диффузоров дутьевых систем элегазовых ДУ, которые обычно работают при относительно небольшом (по сравнению с ДУ воздушных выключателей) избыточном давлении, принимают удлиненную форму сопла с углом расширения 2 =10 12°. 2. Автокомпрессионные ДУ Другой способ применяется в автокомпрессионных выключателях, в которых бак заполнен элегазом при давлении 0,3-0,4 МПа. При этом обеспечивается высокая электрическая прочность газа и возможность работы без подогрева при температуре до -40 ° C . В таких выключателях перепад давления, необходимый для гашения дуги, создаётся специальным компрессионным устройством, механически связанным с подвижным контактом аппарата. В процессе гашения получается перепад D p =0,6 0,8 МПа. При этом обеспечиваются условия для получения критической скорости истечения и эффективного гашения дуги.

Рис. 3 Автокомпрессионный элегазовый выключатель

Рассмотрим типичную конструкцию автокомпрессионных ЭВ (рис. 3). Аппарат находится в отключенном положении, и контакты 5 и 3 разомкнуты. К неподвижному контакту 3 ток подводится через фланец 2, а к подвижному контакту 5 — через фланец 9. В верхней крышке 1 монтируется камера с адсорбентом. При включении ЭВ срабатывает пневмопривод 13 (укрепленный на основании 11), шток 12 которого соединен через изоляционную тягу 10 и стальной стержень 8 с подвижным контактом 5. Последний жестко связан с фторопластовым соплом 4 и подвижным цилиндром 6. Вся подвижная система ЭВ (элементы 5, 6, 8, 10, 12) движется вверх относительно неподвижного поршня 7, и полость К дугогасительной системы ЭВ увеличивается. При отключении ЭВ шток 12 приводного силового механизма тянет подвижную систему выключателя вниз и в полости К создается повышенное давление элегаза по сравнению, с давлением в камере ЭВ. Такая автокомпрессия элегаза обеспечивает истечение газовой среды через сопло 4, интенсивное охлаждение электрической дуги, возникающей между контактами 3 и 5 при отключении.

Указатель, положения 14 дает возможность визуального контроля исходного положения контактной системы ЭВ. В некоторых конструкциях автокомпрессионных ЭВ используются пружинные, гидравлические силовые приводные механизмы, а организация истечения элегаза через сопла в дугогасительной камере происходит но принципу двухстороннего несимметричного дутья.

Рис. 4 Дугогасительное устройство элегазового выключателя

Схема ДУ двухстороннего дутья показана на рис. 4. На этом рисунке верхняя половина ДУ изображена во включенном положении, а нижняя — в отключенном.

Внутри герметичной изоляционной камеры 1, заполненной элегазом, соосно установлены два соплообразных неподвижных контакта 2 и 4 и неподвижный дутьевой поршень 5. Цепь тока при включенном положении выключателя образована скользящим неподвижным контактным мостиком 3, жестко связанным с подвижным дутьевым цилиндром 6. При отключении тока тяга 7 перемещает дутьевой цилиндр и контактный мостик вправо, в рабочем объеме цилиндра повышается давление. Дуга, возникающая между контактным мостиком и левым соплом, потоком сжатого элегаза затягивается внутрь сопел.

Двухстороннее продольное дутье интенсивно воздействует на ствол дуги, которая гаснет в один из переходов тока через нуль. В конце хода цилиндра на отключение между соплами остается свободный изоляционный промежуток обеспечивающий необходимую электрическую прочность.

Отработанный элегаз сбрасывается под оболочку изоляционной камеры. На рис. 5 представлена другая схема дугогасителыюй камеры ЭВ.

	Рис. 5 Дугогасительное устройство элегазового выключателя с изоляционным соплом

Аппарат находится в отключенном положении.

Главные контакты 5, 7 и дугогасительные контакты 2, 4 находятся в разомкнутом состоянии. В полостях К, В, Б давление элегаза постоянно: р=р В =р Б = const . Изоляционная покрышка 6 отделяет полости ЭВ от внешнего пространства. При подаче команды на включение внешний привод (на рис. 5 не показан) обеспечивает перемещение справа налево подвижной системы ЭВ: подвижного дутьевого цилиндра 8, подвижного главного 7 и дугогасительного 2 контактов, которые жестко связаны через тягу с силовым приводным механизмом. В начале замыкаются дугогасительные контакты 2, 4, а затем — главные контакты 5, 7. Вся подвижная система движется относительно неподвижного поршня 1 и неподвижных контактов 5 и 4. В положении «включено» ток проходит по главным контактам, а давление в полостях р=р В =р Б = const . При подаче команды на отключение внешний привод обеспечивает перемещение подвижной системы ЭВ с большой скоростью слева направо.

Сначала размыкаются главные контакты 5, 7, а затем дугогасительные 4, 2. Уменьшение объема камеры К (поршень 1 неподвижен) вызывает повышение давления элегаза в этой полости: р>р В Как следует из рис. 5, дугогасительные контакты размыкаются с задержкой на ходу. После размыкания контактов 2, 4 начинается истечение элегаза через сопло подвижного контакта 2 и изоляционное сопло 3, где и происходит гашение дуги под действием двухстороннего продольного дутья.

Дополнительное дутье через канал небольшого диаметра (по сравнению с диаметром основного сопла) в неподвижном дугогасительном контакте 4 может способствовать отключению малых токов на начальной стадии отключения, а также создавать благоприятные условия для распада остаточного ствола дуги вблизи оконечности дугогасительного контакта 4. После окончания перемещения подвижной системы истечение элегаза затухает и давление в полостях ДУ становится равным исходному. В ДУ автокомпрессионных ЭВ необходимое для гашения дуги давление достигается после определенного хода поршневой системы.

Поэтому при создании выключателей этого типа возникают трудности с обеспечением времени отключения менее 0,04 с. Одним из способом сокращения времени отключения является уменьшение длины хода подвижной системы до момента размыкания контактов. Для того чтобы давление элегаза к моменту размыкания контактов (этап предварительного сжатия элегаза) сохранялось на необходимом уровне, поршень на этой части хода ускоренно перемещается навстречу движущемуся цилиндру (см. рис. 4). На этапе гашения дуги (после размыкания контактов) поршень остается неподвижным, а дутьевой цилиндр продолжает перемещаться вплоть до своего конечного положения.

Взаимные перемещения цилиндра и поршня обеспечиваются кинематической схемой привода выключателя.

Сокращение времени отключения выключателя может быть достигнуто также за счет уменьшения длительности горения дуги. Так например, в автокомпрессионном ДУ (на рис. 6) перепад давления в дутьевой системе создается не только в результате сжатия элегаза, но и в результате разрежения в области выхлопа через подвижный дугогасительный контакт — сопло 1.

Рис. 6 ДУ с полостью разрежения

В этом ДУ по сравнению с ранее рассмотренной системой ДУ с неподвижным поршнем (см. рис. 5) имеется зона разрежения 2, которая образуется при движении дополнительного поршня 3. Отработанный элегаз сначала попадает в зону разрежения, а затем при открытии окон 4 для выхлопа — под оболочку изоляционной камеры. 3. ДУ с электромагнитным дутьем Гашение мощной дуги в аппаратах высокого напряжения возможно лишь при интенсивном теплоотводе, который в высоковольтных выключателях обеспечивается интенсивным дутьем.

Теплоотвод от дуги существенно возрастает при быстром её перемещении силами магнитного поля в неподвижном газе.

Электромагнитное дутьё в воздухе широко используется в аппаратах низкого напряжения. При замене воздуха элегазом электромагнитный способ гашения дуги оказалась возможным распространить и на область высоких напряжений.

Принципиальные схемы дугогасительных устройств с электромагнитным гашением дуги в элегазе показаны на рисунке 7.

Рис. 7 Принципиальные схемы устройств с электромагнитным гашением дуги в элегазе: а одна катушка, б две встречно включенные катушки 1-путь тока при включенном положении аппарата, 2-путь тока в процессе отключения, 3-главные контакты, 4-дугогасительные контакты, 5-катушка

В них на каждую единицу длины дуги действует сила F , возникающая при взаимодействии тока дуги с нормальной к её стволу составляющей напряжённости магнитного поля. Под действием этой силы дуга перемещается по электродам со скоростью, зависящей от различных параметров, и в частности конструктивных.

Магнитное поле создаётся самим отключаемым током при прохождении его по одной катушке (рис. 7, а) или по двум встречно включенным катушкам (рис. 7, б). Во включенном состоянии аппарата катушки шунтированы главными контактами, которые при отключении размыкаются первыми.

Возникающая между подвижными и неподвижными контактами дуга начинает двигаться не сразу, а лишь после того, как сила F достигнет некоторого значения, ибо, чтобы сдвинуть дугу с места первоначального её образования, необходимо приложить вполне определённую силу F мин , которую можно вычислить (в ньютонах) по формуле F мин = I . H . 10 -6 (где I -ток дуги, H -напряжённость магнитного поля катушки), исходя из следующих соображений. Для гашения дуги с током до нескольких десятков a мпе p достаточно весьма незначительной скорости дуги, причем необязательно, чтобы ее опорные точки перемещались. Зная максимальное значение тока, который надежно гаснет в элегазе при неподвижных опорных точках дуги, для различных конкретных условий экспериментально определяют значения напряженности магнитного поля H мин , при которых дуга, включая и ее опорные точки, приходит в движение. Для каждого конкретного конструктивного исполнения дугогасительного устройства существует свое значение тока, который надежно гаснет при указанных условиях.

Например, в камере на 10 кВ при искусственно созданном резко неравномерном поле надежно гаснет дуга с током до 80 А. Необходимо, чтобы уже при этом токе и более высоких его значениях дуга двигалась.

Минимальное значение напряженности H мин , при котором дуга с током 80 А придет в движение, равно 90 А/см. Этот параметр является исходной величиной при определении минимального числа витков катушки мин . Для схемы рис. 7, а напряженность магнитного поля на оси катушки известна: где l — длина катушки, х — расстояние точки, для которой определяется напряженность H , от середины катушки, R — радиус катушки. От числа витков катушки зависит напряженность магнитного поля и, следовательно, скорость движения дуги v д , которая является основным параметром, определяющим отключающую способность дугогасительного устройства. Кроме числа витков, на скорость дуги влияет давление газа и значение отключаемого тока.

Поскольку скорость в течение полупериода меняется, целесообразно говорить о максимальной скорости движения дуги v д.м. . Максимальное допустимое число витков катушки определяется из условия надежного гашения дуги, возникающей при размыкании главных контактов, шунтирующих катушку. Это условие соблюдается при индуктивности катушки L 4 Гн.

Скорость дуги зависит не только от напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой, но и от конструктивного исполнения контактов: разрезные или неразрезные; в случае неразрезного контакта скорость дуги зависит от соотношения между активным и индуктивным сопротивлением его контура. Под действием переменного магнитного потока в неразрезных контактах, представляющих собой короткозамкнутые кольца, возникает ток.

Создаваемый этим током магнитный поток накладывается на основное поле катушки, вследствие чего максимум результирующего магнитного потока не совпадает с амплитудным значением отключаемого тока, а кривые скорости смещены по отношению к кривым тока. Из-за потерь в контактах амплитуда результирующего магнитного поля снижается по сравнению с амплитудой основного поля катушки. Для выключателей на 6—35 кВ междуконтактный промежуток будет лежать в пределах 10—30 мм. В результате обработки экспериментальных данных для средних значений указанного промежутка была получена следующая эмпирическая зависимость: где k 0 — коэффициент, зависящий от геометрических параметров катушки, р — давление газа в камере выключателя.

Следует отметить, что, хотя при увеличении давления скорость дуги и уменьшается, дугогасительная способность растет вследствие повышения электрической прочности междуконтактного промежутка.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что максимальное значение индукции магнитного поля в момент перехода тока через нуль и, следовательно, максимум скорости при подходе тока к нулю получится тогда, когда индуктивное сопротивление кольцевого неразрезного контакта равно его активному сопротивлению, т. е. L = r . Такой характер изменения скорости благоприятным образом сказывается на дугогасительной способности.

Действительно, при отключении тока с амплитудой 1265 А и прочих равных условиях за 200 мкс перед переходом тока через нуль мгновенное значение скорости при неразрезных контактах равно 67 м/с, в то время как при разрезных оно оказалось всего лишь 14 м/с. Эта разница в скорости перед переходом тока через нуль сказалась на подготовке промежутка к гашению дуги.

Лучшая подготовка промежутка к гашению дуги существенным образом влияет на его поведение после перехода тока через нуль, что подтверждается рис. 8, на котором

Рис. 8 Области начального роста электрической прочности междуконтактного промежутка 1-неразрезные контакты, 2-разрезные контакты

изображены огибающие кривые начального роста восстанавливающейся прочности. Этот рисунок наглядно показывает, что при электромагнитном гашении дуги в элегазе обеспечивается высокая скорость нарастания электрической прочности, причем при неразрезных контактах скорость значительно выше, чем при разрезных.

Исследования характера нарастания электрической прочности междуконтактного промежутка после перехода тока через нуль, выполненные при постоянном значении отключаемого тока, равного 1250 А, и атмосферном давлении элегаза, показали, что скорость этого процесса зависит от величины промежутка и числа витков катушки. При увеличении промежутка скорость нарастания напряжения растет.

Особенно сильно влияние длины междуконтактного промежутка ощущается в начальные моменты времени после перехода тока через нуль, что очень важно при отключении неудаленных коротких замыканий.

Процесс нарастания электрической прочности при упомянутых выше условиях описывается уравнением u пр = [(3,75 + 0,01 ) Ig —0,5] t 0,665 0,0035 , где —длина зазора, мм; t — время, мкс; — число витков.

Установлено, что зазор свыше 30—40 мм нецелесообразен, так как при возрастании его сверх указанного значения приращение прочности для заданного значения t становится несущественным.

Напряженность магнитного поля в центре катушки зависит от ее длины и числа витков.

Однако эти параметры влияют на напряженность магнитного поля H в противоположных направлениях, вследствие чего при большом дальнейшее увеличение числа витков незначительно сказывается на напряженности поля.

Соответственно этому замедляется и рост скорости перемещения дуги, а следовательно, и рост электрической прочности.

Поэтому для катушки следует брать провод прямоугольного сечения с намоткой на ребро, чтобы на единице длины катушки расположилось большее число витков. При неизменном числе витков скорость возрастает с увеличением отключаемого тока и при больших его значениях в несколько раз превышает скорость звука в элегазе. С ростом скорости увеличивается теплоотвод от дуги.

Однако улучшение условий гашения дуги в элегазовых выключателях с электромагнитным гашением дуги кладет предел скорости рассеяния энергии из области кольцевого междуконтактного промежутка. При больших отключаемых токах и, следовательно, высоких скоростях перемещения дуги может произойти следующее: в данной точке промежутка высокая проводимость еще не исчезла, а дуга возвратилась вновь. В этих условиях гашение дуги становится невозможным. Для его обеспечения необходимо усилить отвод энергии из промежутка.

Экспериментально установлено, что при электромагнитном гашении дуги в воздухе ионизированное состояние промежутка достигается уже при сравнительно небольших токах. В элегазе же даже при сравнительно небольших размерах междуконтактного промежутка предела дугогасительной способности не было обнаружено и при токе 13 кА. Кроме того, для расширения предела отключаемого тока можно применить вспомогательную систему дутья, которая практически не отразится на мощности привода, или же контактную систему большого диаметра. Одно из преимуществ магнитного способа гашения дуги—быстрое перемещение ее опорных точек по поверхности контактов. Так как скорость движения дуги возрастает при увеличении отключаемого тока, износ контактов при больших значениях отключаемого тока незначителен, что очень важно для выключателей, предназначенных для частых срабатываний. По схеме - 7, а созданы простые и надежные выключатели.

Конструкция дугогасительного устройства становится чрезвычайно простой, если магнитное поле создается встречно включенными постоянными магнитами.

Правда, в этом случае и дугогасительная способность невысока, однако, она вполне достаточна для отключения всех токов вплоть до номинального, т.е. для создания выключателей нагрузки.

Рис. 9 Кривые изменения индукции в междуконтактном пространстве выключателя нагрузки

Движение дуги в выключателях нагрузки осуществляется силой dF , действующей на элемент дуги dl , возникающей при взаимодействии тока дуги I с радиальной составляющей магнитного поля В r , создаваемого встречно включенными постоянными магнитами.

Принципиальная схема дугогасительного устройства выключателя нагрузки с магнитным гашением дуги в неподвижном элегазе показана на рис. 9. При данном расстоянии S между торцами постоянных магнитов 1 радиальная составляющая индукции магнитного поля В r имеет максимум при r , равном радиусу магнита.

Оптимальные условия гашения дуги обеспечиваются при горении ее в области максимальной индукции магнитного поля В r т . Эти условия будут обеспечены, если внутренний радиус трубчатых электродов 2 будет равен внешнему радиусу постоянных магнитов. При выполнении этих условий dF = IB rm d l . Максимальное значение индукции В r т в пределах междуконтактного промежутка не остается постоянным.

Кривые В r т для четырех различных расстояний S между торцами встречно включенных постоянных магнитов 1 приведены на рис. 9. Рисунок показывает, что по мере удаления от торцевой поверхности одного из магнитов индукция В r т уменьшается, достигая минимума при S /2 . Вследствие того, что торцы контактов 2 выступают над поверхностями постоянных магнитов, на дугу воздействует лишь часть магнитного поля на участке АБ. Вывод В России эксплуатация элегазовых выключателей ограничивается климатом. В основном абсолютное давление элегаза в выключателях, приведённое к +20°С, составляет 0,7 МПа. Такие аппараты могут применяться только в тёплых районах.

оценка новостройки в Твери
оценка стоимости сооружений в Орле
консалтинг оценка заказать в Брянске