Дугогасительные устройства элегазовых выключателей

Рассмотрим типичные конструкции дугогасительных устройств автокомпрессионных и автогенерирующих элегазовых выключателей.

Схема дугогасительного устройства двухстороннего дутья показана на рис. 1. На рисунке верхняя половина дугогасительного устройства изображена во включенном положении, а нижняя — в отключенном. Внутри герметичной изоляционной камеры 2, заполненной элегазом, соосно установлены два соплообразных неподвижных контакта 2 и 4 и неподвижный поршень 5. Цепь тока при включенном выключателе образована скользящим неподвижным мостиком 3, кинематически связанным с подвижным дутьевым цилиндром 6. При отключении 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 нулевое значение.

Рис. 1. Дугогасительное устройство элегазового выключателя

Рис. 2 Дугогасительное устройство элегазового выключателя с изоляционным соплом

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. 2 приведена другая схема дугогасительной камеры элегазовых выключателей. Аппарат находится в отключенном положении. Главные контакты 2, 5 и дугогасительные контакты 3, 6 находятся в разомкнутом состоянии. В полостях К, В, Б давление элегаза постоянно: Рк = Рв = РБ = const. Изоляционная покрышка 1 отделяет внутренние полости элегазового выключателя от внешнего пространства. При подаче команды на включение внешний привод (на рис. 2 не показан) обеспечивает перемещение справа налево подвижной системы элегазового выключателя: подвижного дутьевого цилиндра 8, подвижного главного 7 и дугогасительного 2 контактов, которые жестко связаны через тягу с силовым приводным механизмом. Вначале замыкаются дугогасительные контакты 2, 4, а затем главные контакты 7, 5. 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 дугогасительного устройства постоянно.

При подаче команды на отключение внешний привод обеспечивает перемещение с большой скоростью подвижной системы элегазового выключателя слева направо. Сначала размыкаются главные контакты 7,5, а затем дугогасительные 4, 2. Уменьшение объема камеры К (поршень 1 неподвижен) вызывает повышение давления элегаза в этой полости рк>рв> Рс. Как следует из рис. 2, дугогасительные контакты размыкаются с задержкой по ходу. После размыкания контактов 2, 4 начинается истечение элегаза через сопло в подвижном контакте 2 и изоляционное сопло 3, где 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 дугогасительного устройства становится равным исходному.

В дугогасительных устройствах автокомпрессионных элегазовых выключателей 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 — 0,05 с. Одним из способов 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 (рис. 3).

Рис. 3 Дугогасительное устройство элегазового выключателя с полостью разряжения

На этапе гашения дуги (после размыкания контактов) поршень остается практически неподвижным, а дутьевой цилиндр продолжает перемещаться вплоть до своего конечного положения. Взаимное перемещение цилиндра и поршня обеспечиваются кинематической схемой привода выключателя. Сокращение времени отключения выключателя может быть достигнуто также за счет уменьшения длительности горения дуги. Так, в автокомпрессионном дугогасительном устройстве, принципиальная схема которого приведена на рис. 3, перепад давления в дутьевой системе создается не только за счет сжатия элегаза, но и за счет разряжения в объеме выхлопа через подвижный дугогасительный контакт — сопло 1. В этом ДУ по сравнению с ранее рассмотренной системой ДУ с неподвижным поршнем (см. рис. 3) имеется зона разряжения 2, которая образуется при движении дополнительного поршня 3. Отработанный элегаз сначала попадает в зону разряжения, а затем при открытии окон 4 для выхлопа под оболочку изоляционной камеры элегазового выключателя.

Совершенствование элегазовых выключателей связано с повышением номинального напряжения и номинального тока отключения на один разрыв выключателя (на один модуль выключателя), в сочетании с понижением энергоемкости приводного механизма. Однако понижение энергоемкости привода вызывает падение перепада давления в момент гашения дуги, что снижает отключающую способность выключателя. Повышение эффективности использования дугогасящих свойств элегаза при горении электрической дуги в сопловом канале возможно при выполнении сопла малого диаметра из фторопласта, что позволяет при малой энергоемкости привода обеспечить необходимый перепад давления элегаза в момент гашения дуги. В данном случае энергия дуги частично используется для повышения давления и создания дополнительного газового дутья за счет выделения элементарного углерода и CF4 с внутренней поверхности изоляционного сопла под влиянием энергии излучения.

Рассмотрим конструкцию автогенерирующего элегазового дугогасительного устройства (рис. 4, а). При отключении между контактами 1 и 2 горит электрическая дуга 3. Повышение давления в межконтактном промежутке способствует увеличению давления в камере накачки Кн. В момент открытия изоляционного сопла 4 истечение газа из полости Уи в постоянный объем выключателя Уб обеспечивает продольное дутье и эффективное воздействие на остаточный ствол дуги (этап газового дутья). В фазе большого тока (в большей части полупериода тока) горловина изоляционного сопла блокируется электрической дугой отключения (рис. 4, б), что вызывает разрушение внутренних стенок сопла и увеличение его диаметра. Вопросы оптимизации проектирования подобных дугогасительных устройств связаны с оптимальным согласованием динамики привода с работой дугогасительного устройства (где эффект автогенерации ограничен требованием надежности работы данного аппарата в эксплуатации).

Изоляционное сопло. Сопло из фторопласта благодаря прочным связям С — F обладает высокой термической и химической стойкостью и может использоваться при Г от -80 до 260 °С, плотность р = 2,2 кг/м3).

Рис. 4. Дугогасительное элегазовое устройство с автогенерацией

При Т > 200 °С начинается разложение материала с выделением фторосодержащих продуктов. При контакте фторопласта с плазмой дугового разряда отмечается малая степень разрушения (по сравнению с металлами) — благодаря низкой теплопроводности и отсутствию жидкой фазы (последнее сводит к минимуму действие давления, которое играет главную роль, в частности, при разрушении металлов). На поверхности фторопласта появляются множество мелких микроуглублений, образующих эрозионную лунку. Зона поражения покрывается черным углеродным налетом (под ней зона пиролиза). Черные точки на поверхности разрушения являются центрами, в которых происходит образование газовых продуктов разложения. Выход каждого отдельного газового факела образует микролунку. Разрушение происходит за счет возгонки вещества, поэтому потери массы (по сравнению с металлами) незначительны. Когда нет прямого контакта плазмы дугового разряда с фторопластом, то основной причиной разрушения сопла является энергия излучения, поглощаемая в поверхностном слое материала. В этом случае происходит частичное разрушение молекул политетрафторэтилена с выделением газообразных продуктов (свободного углерода, CF4) и сажи. Выделение свободного углерода делает процесс разложения взрывоподобным (взрыв отдельных фрагментов фторопласта, когда на дне этих каверн образуется сажистый слой).

При неполном открытии каверн сажа не сдувается газовым потоком и электропроводный сажистый слой искажает распределение электрического поля и может приводить к снижению пробивного напряжения. Наполненный фторопласт (в качестве наполнителя берется микропорошок оксида алюминия) поглощает излучение в поверхностном слое толщиной в доли миллиметра, так как наличие частиц наполнителя приводит к усиленному рассеиванию света. В таком материале эрозия перестает идти в форме отрыва фрагментов фторопласта и отсутствует сажистый слой. Потеря массы сопла резко уменьшается, что повышает стабильность его критического сечения.

Дугогасительные автогенерирующие элегазовые устройства используются в конструкциях выключателей на средние напряжения при номинальном токе отключения 31,5 — 40 кА, а также в комбинированных автокомпрессионных выключателях высокого и сверхвысокого напряжения.

Характерной особенностью рассмотренных дугогасительных устройств является продольное газовое дутье через сопло в заключительной стадии взаимодействия потока газа с электрической дугой отключения, что обеспечивает ее гашение при переходе тока через нулевое значение.

Интенсивное газодинамическое воздействие аксиального потока элегаза на ствол электрической дуги является наиболее эффективным способом гашения дуги. Поэтому оно используется в большинстве конструкций дугогасительных устройств современных элегазовых выключателей переменного тока высокого напряжения.

Типичные схемы продольного элегазового дутья приведены на рис. 5. Основными конструктивными параметрами таких систем являются: площадь сечения Sc или диаметр dc горловины сопла, относительное расположение, определяемое расстоянием z0, размеры элементов входной части сопла (zb z3), а также геометрическая форма и размеры диффузоров (z2, а — полуугол расширения), площадь сечения SBC или диаметр dBC горловины вспомогательного сопла.

Оптимальные условия для гашения дуги в таких системах во многом определяются выбором геометрических параметров дутьевых систем и особенно входной их 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. 5. Системы продольного элегазового дутья

Если в дугогасительных устройствах воздушных выключателей при выборе геометрических форм и размеров дутьевых систем принимают компромиссные решения, пытаясь в определенной мере удовлетворить обоим условиям, то в дугогасительных устройствах элегазовых выключателей большее внимание уделяется форме электрического поля в промежутке. Последнее вызвано тем, что появление неоднородностей в электрическом поле приводит к резкому снижению электрической прочности элегаза. Такой подход можно проиллюстрировать путем сравнения геометрической формы и размеров оконечности сплошного контакта и входной части сопла в системе одностороннего дутья элегазовых и воздушных выключателей.