Принципы гашения дуг в выключателях

При отключении выключателем цепи со значительными токами между его размыкающимися контактами загорается дуга. Без применения специальных мер она может гореть продолжительное время, что вызывает негативные последствия в коммутируемых цепях и повреждение самого выключателя (оплавление контактов, разрушение дугогасительных камер и т.д.). Поэтому при конструировании выключателей применяют различные способы и устройства для быстрого гашения дуги.

Общее условие гашения дуги переменного тока в выключателях можно сформулировать следующим образом: если после погасания дуги при нулевом значении тока электропрочность дугового промежутка остается все время больше напряжения, приложенного к дуговому промежутку, то дуга больше не восстанавливается и процесс отключения заканчивается; если же в какой-то момент времени приложенное к дуговому промежутку напряжение оказывается больше электрической прочности промежутка, то дуга загорается вновь и горит до следующего перехода тока через нуль. Время существования дуги между контактами выключателя зависит от разрываемого тока, cos j, напряжения и параметров сети (L и C), а также от типа дугогасительного устройства (ДУ) [11].

На рис. 2.1 приведена часть осциллограммы гашения дуги при чисто активной нагрузке (cos j = 1^{cos φ = 1}). При этом следует помнить, что контакты выключателя за время гашения дуги расходятся с некоторой скоростью. Поскольку сопротивление дуги активное, то напряжение u_д меняет свой знак вместе с током. Кривая u_д u_д имеет седлообразную форму, так как с увеличением тока, протекающего через дугу, сопротивление ее уменьшается, а следовательно, уменьшается и напряжение, необходимое для ее поддержания. В момент О погасания дуги при нулевом значении тока дуговой промежуток обладает некоторой электрической прочностью Оа₁а₁, зависящей от типа ДУ, среды, в которой горит дуга, расстояния меду контактами и ряда других факторов. Вследствие этого немедленного нового зажигания дуги после перехода тока через нуль не последует. Далее нарастание электрической прочности дугового промежутка происходит по кривой 1, характер которойи ее наклон к оси абсцисс зависят от типа ДУ, примененного в данном выключателе. Чем совершеннее ДУ, т.е чем энергичнее деионизация промежутка между контактами, тем круче кривая изменения электрической прочности промежутка (например, кривые 2 и 3). Одновременно возрастает и напряжение на дуговом промежутке (по синусоиде u). Пересечение этих кривых (точка с₁) соответствует моменту пробоя дугового промежутка и новому зажиганию дуги. Напряжение является напряжением зажигания дуги. Таким образом, в течение времени t₁дуга не горит. После погасания в момент О^׳ она не горит в течение времени , что объясняется большей величиной электрической прочности промежутка (кривая 1^׳) при новом, большем расстоянии между контактами. При этом увеличилось и напряжение зажигания дуги . После погасания дуги в момент О^״ дуга больше не восстанавливается, так как электрическая прочность промежутка (кривая 1^״) остается все время больше напряжения на дуговом промежутке. Процесс отключения закончен.

Рис. 2.1. Осциллограмма отключения цепи переменного тока

при активной нагрузке cos φ = 1:

u – напряжение сети, i – ток, протекающий через дугу,

u_д – напряжение на дуге

Если выключатель снабдить более совершенным ДУ, то электрическая прочность дугового промежутка будет изменяться по кривым 2 и 2^׳. При этом после погасания дуги в момент О дуга восстанавливается через время t₂ и при значительном большем напряжении зажигания . После погасания в момент О^׳ она уже не восстанавливается, так как электрическая прочность промежутка (кривая 2^׳) все время остается больше напряжения, восстанавливающегося на контактах выключателя. Применением ДУ с еще более энергичной деионизацией (кривая 3) можно достичь погасания окончательного в момент О. Таким образом, усиливая деионизацию дугового промежутка применением специальных ДУ, можно сократить время существования дуги в выключателе.

На рис. 2.2 осциллограмма отключения цепи переменного тока при индуктивной нагрузке, что соответствует отключению цепи при КЗ. Обозначения оставлены те же, что и на рис. 2.1. В данном случае характер восстановления напряжения на контактах выключателя после перехода тока через нуль иной. Если при отключении активной нагрузки напряжение на контактах восстанавливалось по синусоиде промышленной частоты, то при отключении отстающего тока восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя изменяется по некоторой кривой и_в.В момент перехода тока через нуль (момент О) напряжение на дуговом промежутке равно и_п – напряжению погасания дуги, а напряжение источникаи₂ (генератора) имеет противоположное направление и близко к максимальному значению U_m. Электрическая прочность промежутка мгновенно восстанавливается до значения О_а и далее увеличивается по некоторой кривой 1.

Рис. 2.2. Осциллограмма отключения цепи переменного тока

при индуктивной нагрузке

Новый, повторный пробой промежутка между контактами выключателя и зажигание дуги возможно при условии, что напряжение на дуговом промежутке будет равно напряжению зажигания дуги. Если бы после погасания дуги напряжение на дуговом промежутке и_в мгновенно изменилось по направлению и величине и стало равным мгновенному значению напряжения источника и₂,то повторное зажигание дуги произошло бы немедленно (и₂ > О_а). Но в действительности мгновенное значение напряжения на дуговом промежутке невозможно вследствие наличия в сети некоторой индуктивности и емкости. Действительно, всякое изменение напряжения на дуговом промежутке сопровождается одновременным изменением напряжения и на емкости сети (например, в простейшем случае и_с = и_в), вследствие чего в сети появляется ток, вызывающий потерю напряжения в сопротивлении сети. По мере заряда емкости ток, а следовательно, и потери напряжения в сети уменьшаются – напряжение на дуговом промежутке восстанавливается. Как только это восстанавливающееся напряжение достигает значения, равного напряжению зажигания дуги (моменты b и b′рис. 2.2), дуга вновь зажигается и горит до следующего перехода тока через нуль, после чего описанные явления повторяются. Если же восстанавливающееся напряжение остается все меньше пробивного (криваяa″ - 1″), то дуга больше не восстанавливается и процесс работы выключателя заканчивается (момент О″).

Процесс изменения напряжения на дуговом промежутке от значения напряжения погасания дуги u_π до напряжения источника называется процессом восстановления напряжения. Чем интенсивнее деионизация на дуговом промежутке, тем больше его электрическая прочность Оа в момент перехода тока через нуль и тем круче изменение кривой 1, а следовательно, тем длительнее паузы тока t, t′ и т.д. С увеличением деионизации дугового промежутка уменьшается общая длительность горения дуги в выключателе.

Скорость восстановления напряжения на дуговом промежутке зависит от L и C сети. С увеличением L и C сети скорость восстановления напряжения уменьшается. Чем больше скорость восстановления напряжения, тем меньше паузы тока t, t′ и т.д. Следовательно, с увеличением скорости восстановления напряжения общая длительность горения дуги в выключателе увеличивается [11].

Восстановление напряжения может проходить апериодически или по колебательному закону. Во втором случае условия гашения дуги сложнее, так как при слабом затухании амплитуда восстанавливающегося напряжения может достигать двойной амплитуды напряжения промышленной частоты до коммутации. Скорость восстановления напряжения в бестоковую паузу при этом зависит от вида КЗ, конструкции дугогасящего устройства и ряда других причин. Ориентировочно ее можно оценить как

,

где и₀ – мгновенное значение напряжения на контактах при переходе тока через нуль; - частота колебаний восстанавливающегося напряжения, определяемая параметрами L и С коммутируемой цепи.

Интенсивность гашения дуги определяется соотношением скоростей нарастания напряжения и деионизации промежутка в бестоковую паузу (рис.2.3.) [6].

Применяемые в выключателях методы гашения дуги направлены на повышение скорости нарастания электрической прочности промежутка в бестоковой паузе. Большинство из них базируются на увеличении теплоотдачи от столба дуги, а следовательно, на снижении ее температуры и повышении скорости деионизационных процессов. К таким методам в первую очередь относятся методы, связанные с увеличением длины дуги.

При этом, однако, повышается напряжение горения и выделяющаяся в дуге энергия. Поэтому чрезмерный рост длины дуги обычно вызывает обратный эффект. Для компенсации этого явления в выключателях часто используют несколько разрывов на полюс. Требуемая длина дуги в простейших выключателях обеспечивается ходом траверсы с контактами. В более современных выключателях используется дутье, которое осуществляется в специальных дугогасительных камерах.

Применяются различные способы создания дутья:

· электромагнитное дутье, которое возникает при взаимодействии тока дуги с другими токами;

· магнитное дутье – при взаимодействии с магнитным полем, создаваемым специальными устройствами;

· механическое дутье – за счет продувки камеры газами (продольное или поперечное).

Кроме увеличения длины дуги дутье создает условия для усиленной диффузии ионов из разрядного промежутка и интенсивного охлаждения дуги за счет ее контакта со стенками камер.

Ускорению процессов гашения дуги способствует выбор среды, в которой она горит. В качестве жидкой среды, генерирующей газы при горении дуги, применяют масло. При испарении 1 г масла образуется около 1500 см³ газа, который состоит из паров масла (до 50% по объему), водорода и углеводородов различного состава.

Другим видом рабочей среды является сжатый воздух с давлением 2…4 МПа. Увеличение давления вызывает рост электрической прочности воздуха (рис. 2.5), что способствует ускорению гашения дуги. Аналогичный эффект возникает и при низком давлении воздуха (10^-3 …10^-4) Па, когда после прохождения тока через нуль из-за больших длин свободного пробега молекул ионизирующих столкновений не происходит

Условия существования и гашения дуги в вакууме имеют свои особенности. Дуга в вакууме существует из-за ионизации паров контактного материала вначале за счет материала контактного мостика, а затем в результате испарения материала электродов под воздействием энергии дуги. Поэтому, если поступление паров контактного материала будет недостаточно, вакуумная дуга должна погаснуть [1, 6].

При подходе тока к нулю тепловая энергия, выделяющаяся в дуге, уменьшается, количество паров металла соответственно снижается и дуга должна погаснуть на первом переходе тока через нуль. Время горения дуги в вакуумной дугогасительной камере (ВДК) не превосходит 10 мс. Кроме того, для вакуумной дуги характерна очень высокая скорость деионизации столба дуги (диффузная деионизация носителей тока электронов и ионов), обеспечивающая быстрое восстановление электрической прочности после погасания дуги.

Для интенсификации процессов гашения дуги используют и элегаз (шестифтористая сера SF₆) или электроотрицательный газ, получивший свое название из-за способности его молекул захватывать свободные электроны и превращаться в тяжелые и малоподвижные отрицательно заряженные ионы. Этот процесс имеет наибольшую вероятность при подходе тока к нулю и приводит к рекомбинации положительно и отрицательно заряженных ионов, что обеспечивает эффективное гашение дуги.

Элегаз при нормальной температуре и давлении – газ без цвета и запаха, плотность его почти в 5 раз выше плотности воздуха, электрическая прочность около 59 кВ/см. Это позволяет уменьшить расстояние между электродами по сравнению с воздушными выключателями. К недостаткам элегаза следует отнести его относительно низкую температуру сжижения - 64°С при 0,1 МПа и повышающуюся с ростом давления температуру точки росы. Поэтому выключатели наружной установки должны иметь дополнительные устройства подогрева элегаза. Давление заполнения герметизированного внутреннего объема выключателя не превышает 0,5…0,7 МПа.

Разложение элегаза под воздействием высокой температуры дуги приводит к образованию низших фторидов серы SF₂, SF₄. При наличии паров воды они легко гидролизуются с образованием фтористоводородной кислоты и диоксида серы. Для их поглощения в элегазовые выключатели включаются фильтры-сорберы из активированного алюминия А1₂О₃, кроме того, в его присутствии после гашения дуги происходит восстановление продуктов распада элегаза до исходного состояния. Поэтому элегазовые выключатели работают практически без обслуживания в течение всего срока службы с запаянным или герметизированным корпусом при уходе элегаза не более 1% в год.

Продукты распада элегаза под действием дуги ядовиты. Поэтому вскрытие бака и выемка гасительного устройства производятся в противогазах. Необходимо принимать меры по сохранению элегаза в целях дальнейшего его использования.

По способу гашения дуги в элегазе различают следующие типы дугогасительных устройств (ДУ):

· автокомпрессионное дутье - создается дополнительный перепад давления под поршнем 0,2 МПа, обеспечивающий истечение элегаза в дугогасительном сопле с критической скоростью, охлаждающего столб дуги;

· с электромагнитным дутьем, приводящим к вращению дуги в неподвижном элегазе;

· комбинированный - автокомпрессионный с газовым ду-тьем из-под поршня и с магнитным дутьем с использованием автогенерации при вращении дуги в замкнутом объеме.

В разных типах ДУ предъявляются различные требования к мощности приводных устройств при сопоставимой мощности коммутируемой цепи: максимальные - при автокомпрессионном и минимальные - соответственно при комбинированном.

При отключении между неподвижным и подвижным контактами загорается дуга. Через сопло из фторопласта (дугостойкого изоляционного материала) поток элегаза продольно омывает дугу и гасит ее. Чем дальше подвижные элементы уходят вправо, тем сильнее сжимается газ между перегородкой и поршнем, тем мощнее поток воздействует на дугу.

В современных элегазовых выключателях чаще применяются ДУ с одной ступенью давления поршневого типа с подвижным дутьевым цилиндром и неподвижным поршнем. Выключатель заполняется элегазом с единым уровня давления: 0,4-0,7 МПа. Повышение давления имеет только место в дутьевом цилиндре в процессе отключения на протяжении очень небольшого промежутка времени. Современные конструкции ДУ обеспечивают создание повышенного давления в дутьевом цилиндре уже к моменту размыкания дугогасительных контактов и использование энергии дуги для формирования потока элегаза. Применение энергии дуги для ее гашения позволяет снизить мощность привода по сравнению с поколениями автокопрессионных элегазовых выключателей. Эффективное гашение тока КЗ и отключение малых токов без перенапряжений обеспечиваются оптимизацией геометрии дутьевого сопла и контактов. Для изготовления сопла применяют материалы с повышенной дугостойкостью. Применяющиеся ДУ позволяют отключать одним разрывом ток 63 кА при напряжении 245 кВ и 50 кА при напряжении 362 кВ. Многоразрывные ДУ обеспечивают токи отключения до 80 кА. Время отключения находится в диапазоне 35 - 50 мс. Главная токоведущая система ДУ (рис. 2.7) [16] обеспечивает пропускание номинальных токов длительной нагрузки 2000, 3150 и 4000 А.

а б

Рис. 2.7. Дугогасительное устройство выключателя LТВ-D1:

а – включенное положение; б – отключенное положение; 1 – верхний фланец;

2 – главный неподвижный контакт; 3 – дугогасительный

неподвижный контакт; 4 – дугогасительный подвижный контакт;

5 – дутьевое сопло; 6 – главный подвижный контакт; 7 – дутьевой

цилиндр; 8 – дутьевой поршень; 9 – изолятор; 10 – нижний фланец;

11 – абсорбционный фильтр; 12 – предохранительный диск

В дутьевом цилиндре 7 имеется перегородка с клапаном, разделяющая объем находящегося в цилиндре элегаза на две части и . Объем является постоянным и не зависит от положения дутьевого цилиндра, перемещающегося в процессе отключения вместе с подвижным контактом 4 относительно поршня. Объем уменьшается при перемещении дyтьeвoгo цилиндра в процессе отключения.

При отключении выключателя сначала размыкаются главные контакты 2 и 6, затем через некоторый промежуток времени дугогасительные контакты 3 и 4. К моменту размыкания дугогасительных контактов в дутьевом цилиндре в результате его перемещения относительно неподвижного дyтьeвoгo поршня 8 создается уже повышенное давление.

После размыкания дугогасительных контактов между ними возникает электрическая дуга отключения, которая обдувается потоком элегаза. При отключении небольших токов поток элегаза создается в результате сжатия элегаза в дyтьeвом цилиндре. Клапан в перегородке, разделяющей объемы и , открыт, клапан в дyтьeвом поршне закрыт. Таким образом, используется автокомпрессионный принцип гашения дуги, применявшийся в течение длительного времени.

При отключении больших токов в результате повышения давления клапан в перегородке дyтьeвoгo цилиндра давлением элегаза закрывается, клапан в дyтьeвом поршне открывается, выпуская элегаз из объема в подпоршневое пространство. Выделяющаяся в дугетепловая энергия заставляет горячий газ протекать в объем Горячий элегаз турбулентно смешивается с холодным, в результате в объеме образуется охлажденный газ высокого давления. Когда при изменении переменного тока в полупериод горения дуги он уменьшается, приближаясь к нулевому значению, возникает обратный поток элегаза из объема , которым обеспечиваются гашение дуги и отключение тока. Таким образом, при гашении дуги большого тока используется автогенерирующий принцип гашения дуги - поток элегаза, гасящий дугу, создается непосредственно самой дугой.

Камера имеет центральный канал для прохода подвижного контакта и боковые щели. Когда подвижный контакт 4 отходит от неподвижного 1, между ними возникает дуга 2, вокруг которой образуется газовый пузырь 3, в результате чего давление в верхней части камеры (полностью погруженной в масло) сильно повышается. Это заставляет масло перемещаться через зазоры между подвижным контактом и перегородками 5. Когда подвижный контакт минует одну-две перегородки, начинается газовое дутье вдоль дуги, зажатой в канале.

В дугогасительных камерах с поперечным дутьем факторами, влияющими на продолжительность горения дуги, дополнительными к вышеперечисленным, являются удлинение и механическое разрушение дуги поперечным потоком воздуха.

Дугогасительная камера находится в баке с маслом (рис.2.9) маломасляного выключателя.

Принцип действия дугогасительного устройства воздушных выключателей заключается в том, что дуга, образующаяся между контактами, подвергается интенсивному охлаждению потоком сжатого воздуха, вытекающего в атмосферу.

Камера с продольным дутьем (рис. 2.10, а) представляет собой сопло, при включенном положении закрываемое подвижным контактом с коническим наконечником. При отключении подвижный контакт отходит вниз, через сопло выбрасывается сжатый воздух, который выдувает дугу наружу. Используются и камеры с поперечным дутьем (рис. 2.10, б). Их важной особенностью является быстрое увеличение мощности отключения воздушного выключателя при повышении давления подаваемого воздуха.

В электромагнитных выключателях применяется принцип магнитного дутья. Катушку дугогасительного устройства располагают таким образом, чтобы ее магнитный поток был направлен перпендикулярно дуге и создавал условия для перемещения дуги в дугогасительную камеру.

а б

Рис. 2.10. Типы дугогасителей воздушных выключателей:

а - с камерами продольного дутья; б - скамерами поперечного дутья

Этапы прохождения и гашения дуги в дугогасительном устройстве видны из рис. 2.11.

Дугогасительная камера состоит из пластин циркониевой керамики с L-образным вырезом 9, склеенных между собой в единый блок. Керамика обладает высокой электрической прочностью и дугостойкостью, малым газовыделением и водопогло-щением. Камера выполнена так, чтобы обеспечить максимальную скорость движения воздушных потоков вверх. Пластины имеют левый и правый вырезы, и их чередование позволяет при малых размерах камеры иметь зигзагообразную дугу длиной 1,5…1,8 м. В нижней части камеры к пластинам прижимаются керамические плиты 10 и 14, ограничивающие зону горения дуги, а в верхней части установлено выхлопное устройство 8, состоящее из вертикально расположенных изоляционных пластин, предназначенных для предотвращения пробоя щелей камеры по горячим газам.

Рис. 2.11. Дугогасительное устройство электромагнитного выключателя ВЭ-10

По краям пакета помещены рога 4 и 12, по которым перемещается дуга в процессе отключения. Система магнитного дутья состоит из двух катушек 6 и 11, сердечника 5 и боковых щек 1, 13, набранных из изолированных друг от друга стальных листов. Катушка левая 6 соединяется одним концом с передним рогом, другим - через неподвижный контакт 7 с верхним выводом выключателя. Правая катушка соединяется с задним рогом и через промежуточную шинку с нижним выводом выключателя. Имеется экран 2, изолирующий зону горения дуги от левой катушки, и гребенка 3, способствующая охлаждению и погасанию дуги воздухом из цилиндра воздушного дутья, проходящим через нее, в момент, когда дуга шунтирует катушку магнитного дутья. При отключении выключателя сначала размыкаются рабочие контакты, а затем - дугогасительные. При размыкании под действием электродинамических сил контура и тепловых потоков дуга перемещается вверх и занимает положение А. Часть дуги располагается между передним рогом и неподвижным контактом, шунтируя левую катушку магнитного дутья. Как только дуга оторвется от неподвижного контакта, весь ток начнет проходить через катушку магнитного дутья. Теперь дуга горит между рогом 4 и подвижным контактом. Тем временем подвижный контакт подойдет к заднему рогу, на который перебросится второй конец дуги (положение Б на рис. 2.11). Мощное магнитное дутье, создаваемое последовательно включенными катушками электромагнитов, будет перемещать дугу в узкие щели-каналы дугогасительной камеры. Напряженность магнитного поля будет пропорциональна току, а полярность магнитного поля должна обеспечивать перемещение дуги вверх. Под влиянием магнитного дутья дуга последовательно занимает положения В, Г. Быстро возрастающее в гасительной камере сопротивление дуги играет роль ограничительного сопротивления в отключаемой цепи, что уменьшает значение тока КЗ и облегчает условия гашения дуги.

Повышение давления в каналах и высокая скорость движения дуги в магнитном поле (рис. 2.12) обусловливает эффективное охлаждение дуги и повышение напряженности поля, что уменьшает длительность ее существования.

При воздействии магнитного поля на дугу она удлиняется и загоняется в дугогасительную камеру узкощелевого типа, где, тесно взаимодействуя со стенками камеры (диаметр дуги значительно превосходит ширину щели d_д > δ_щ), происходит ее охлаждение. Для дугогасителей этого типа характерным является большое напряжение на столбе дуги. Из экспериментальных исследований было установлено, что градиент напряжения на столбе дуги не зависит от тока, а определяется лишь шириной канала камеры, с уменьшением ширины канала δ_щ напряженность увеличивается , В/м.

Гашение дуги в дугогасительной камере щелевого типа отличается от других процессов гашения рядом особенностей. Условия гашения в конце полупериода тока наступают при большой длине дуги. Это приводит к ограничению тока. После прохождения тока через ноль остаточная проводимость области существования дуги велика, что придает процессу восстановления напряжения апериодический характер. Как известно, это значительно облегчает задачу выключателя по отключению цепи. Условия гашения дуги наступают тогда, когда в момент перехода тока через нуль напряжение на дуге становится равным напряжению сети, а условный угол сдвига фаз между напряжением и током φ, уменьшается при увеличении активной составляющей отключаемой цепи (рост сопротивления столба дуги за счет увеличения ее длины), достигает некоторого минимального значения , где φ = 32,5°.

Тогда .

Из этого следует, что условия гашения дуги в узкощелевом дугогасителе оказываются значительно более легкими, чем в других типах выключателей.