Группы, действие и конструкция воздушных выключателей
Широкое применение воздушных выключателей в энергосистемах обуславливается их высокими техническими характеристиками. Конструктивно воздушные выключатели оказались хорошо приспособленными для различных условий работы современных распределительных устройств высокого напряжения при внутренней и наружной установке. Недостаточно высокая электрическая прочность воздуха (Епр = 20 кВ/см) не позволяет получать модули с напряжением 350-500 кВ, что и приводит в последнее время к интенсивному развитию выключателей с использованием другой дугогасящей среды - элегаза. В настоящее время воздушные выключатели превосходят все остальные по своим параметрам.
По назначению воздушные выключатели разделяются на следующие группы:
сетевые выключатели на напряжение 6 кВ и выше, применяемые в электрических сетях и предназначенные для пропуска и коммутации тока в нормальных условиях работы цепи и в условиях КЗ;
генераторные выключатели на напряжение 6-27 кВ, предназначенные для пропуска и коммутации токов в нормальных условиях, а также в пусковых режимах и при КЗ;
выключатели для электротермических установок с напряжениями 6-220 кВ, предназначенные для работы как в нормальных, так и в аварийных режимах;
выключатели специального назначения.
По виду установки воздушные выключатели можно разделить на следующие группы:
опорные (основная изоляция относительно земли опорного типа); подвесные (подвешиваются к портальным конструкциям на ОРУ); выкатные (имеют приспособления для выкатки из РУ); встраиваемые в комплектные разъединительные устройства. К достоинствам воздушных выключателей можно отнести следующие показатели:
высокую отключающую способность; пожаробезопасность; высокое быстродействие; способность коммутации токов КЗ с большим процентом апериодической составляющей (вплоть до коммутации цепей постоянного тока).
Недостатками воздушных выключателей являются: наличие дорогостоящего постоянно действующего компрессорного оборудования; высокая чувствительность к скорости восстанавливающегося напряжения при неудаленном КЗ; возможность „среза" тока при отключении малых индуктивных токов (отключение ненагруженных силовых трансформаторов).
Принцип действия воздушных выключателей и дугогасительные устройстваСжатый воздух является эффективной средой, обеспечивающей надежное гашение электрической дуги. Это достигается интенсивным воздействием с максимально возможными скоростями потока воздуха на дуговой канал. В дугогасительных устройствах воздушных выключателей гашение электрической дуги происходит в дутьевых каналах (соплах), которые конструктивно в совокупности с оконечной частью контактов дугогасителя образуют дутьевую систему. Столб дуги, образовавшейся на размыкающихся контактах, под действием воздушного потока растягивается и быстро перемещается в сопла, где происходит ее гашение.
В зависимости от формы и взаимного расположения контактов и сопел гашение дуги в таких устройствах может происходить при: одностороннем дутье - через металлическое сопло (рис. 1,а); одностороннем дутье через изоляционное сопло (рис. 1,б); двустороннем симметричном дутье через соплообразные полые контакты (рис. 1,в);
двустороннем несимметричном дутье через соплообразные полые контакты (рис. 1,г).
Наилучшие показатели получены в выключателях с дугогасительными системами, использующими двустороннее асимметричное дутье.
В механизме гашения электрической дуги тесно переплетаются как электрические процессы в столбе дуги, так и газотермодинамические процессы истечения газовой струи. Газодинамические процессы устанавливает два отличающихся друг от друга закона истечения воздуха, обусловленные разницей между абсолютным давлением среды Р, из которой происходит истечение, и противодавлением среды Р„, в которую происходит истечение. При небольшой разнице давлений скорость истечения воздуха зависит от противодавления. Если разница давлений достаточно велика, то скорость истечения газовой струи является только функцией параметров вытекающего воздуха и не зависит от противодавления окружающей среды.
Рис. 1. Схемы продольного воздушного дутья
Отношение давления воздуха к противодавлению, определяющее переход от одного закона истечения к другому, называется критическим и определяется соотношением
где к = 1,4 - показатель адиабаты воздуха; Р„ - абсолютное противодавление среды; Р - абсолютное давление среды.
Давление в опоражниваемом резервуаре достигает критического значения, если PKp = 1,89 Р„ при адиабатном истечении воздуха.
В современных выключателях используются дугогасительные устройства с давлением до 6-8 МПа. При этом если Р > РКр, непосредственно в дугогасительных соплах скорость истечения газовой среды приблизительно равна скорости звука. Для воздуха при нормальных условиях (давление 105 Па и температура 20°С) скорость звука Скр = 330 м/с.
Своеобразие истечения газа из дугогасительного устройства заключается в том, что его поток встречает на своем пути мощный источник тепла, каким является дуга и который тормозит воздушный поток, т.е. уменьшается расход воздуха, протекающего через сопло с дугой. Это явление, называемое „термодинамический эффект", может приводить к полной закупорке сопла электрической дугой, что вызывает разрушение дугогасительной системы. Таким образом, размеры (диаметр сопла dc рис. 1,г) дутьевой системы определяют максимально возможный ток отключения выключателя.
Рис. 2. Схема течения холодного газа и плазмы столба дуги в системе продольного дутья дугогасительного устройства:
1 - область потока холодного газа; 2 - область столба дуги; 3 - граничная турбулентная область
Высокая эффективность охлаждения канала столба дуги аксиальным потоком газа объясняется возникновением интенсивной турбулентной конвекции на границе двух потоков (рис. 2). При этом соотношение скоростей (Сх/Сг = 50) потоков и их плотностей сильно различаются. Это приводит к интенсивному отбору тепла единицы объема плазмы столба дуги, возрастающему в 104 раз по сравнению со свободно горящей дугой. Вместе с тем, очевидно, что чем выше ток отключения, тем больше энергии запасено в плазме дуги, тем дольше будет продолжаться процесс ее отвода. Кроме того, теплофизические свойства газа воздуха таковы, что значения удельной теплоемкости и коэффициент теплопроводности, зависящие от температуры, достигают своих максимальных значений при температуре (6-8) • 103 К (рис. 3). Канал столба дуги обладает высоким теплосодержанием, а окружающие дугу горячие слои газа соответственно обладают минимальными значениями этих величин. Этим обстоятельством объясняется значительная величина тепловой постоянной времени столба дуги Т — 100 мкс, что оказывает большое влияние на процесс охлаждения столба дуги после перехода тока через нуль. Увеличение сопротивления дугового промежутка, определяющего электрическую прочность в воздушных выключателях, в большой степени зависит от отключаемого тока.
Увеличение электрической прочности промежутка не является процессом, начинающимся с момента достижения током его нулевого значения, а процессом, начинающимся задолго до перехода тока через нуль.
Быстрое удаление продуктов горения дуги (раскаленные газы и пары) из зоны промежутка позволяет подвести канал дуги с весьма малым сечением к моменту перехода тока через нуль и, следовательно, с малой постоянной времени. Чем выше значение отключаемого тока, тем больше теплосодержание и постоянная времени столба дуги и тем большее время потребуется для деионизации остаточного столба дуги.
Рис. 3. Зависимости удельной теплоемкости (а) и теплопроводности (б) от температуры: 1 - элегаз; 2 - воздух
Рис. 4. Соотношение между восстанавливающимся напряжением (2) и восстанавливающейся прочностью (1) при различных удалениях от места КЗ
Разрушение остаточного столба дуги может происходить как термодинамически, так и механически: в начальной стадии нарастания электрической прочности после перехода тока через нуль происходит снижение температуры остаточного столба дуги. В дальнейшем поток газа, направленный вдоль столба дуги за счет интенсивных турбулентных процессов, может вызвать механическое разрушение канала и обеспечить последующее увеличение прочности в результате внедрения в межэлектродное пространство прослойки холодного газа. Эта прослойка возрастает со временем и увеличивает прочность. Особенность нарастания электрической прочности воздушных выключателей с увеличением тока отключения вызывает большие трудности при отключении воздушными выключателями токов неудаленных КЗ (на расстояниях 2-5 км). При этих условиях создается тяжелый режим работы выключателя, так как достигается сочетание высокой скорости восстановления напряжения с большой мощностью КЗ. На рис. 3 показано соотношение между восстанавливающимся напряжением/и восстанавливающейся прочностью 2 по мере удаления места КЗ на линии за выключателем. Как видно из рисунка, при удалении КЗ от выключателя частота колебаний восстанавливающегося напряжения падает, а первый пик его возрастает. Восстанавливающаяся прочность увеличивается все быстрее из-за уменьшения тока КЗ, ограничиваемого все возрастающим сопротивлением участка линии до точки КЗ. В этом трудности отключения неудаленного КЗ воздушным и элегазовым выключателями.
"