2.4 Гашение дуги высоким давлением

Степень ионизации х уменьшается обратно пропор­ционально квадратному корню из давления. С ростом дав­ления возрастает плотность газа, при этом увеличиваются теплопроводность и отвод тепла от дуги. Если при данном токе в дуге увеличить давление окружающей среды, то увеличится отвод тепла. Для того чтобы сохранить тот же ток, необходимо к дуге подвести большую мощность, что при неизменном токе требует повышения напряжения на ду­ге (градиента Еп).

На этом принципе основано гашение дуги в предохрани­телях и других аппаратах низкого напряжения. Внутренний объем предохранителя герметизирован. При перегорании плавкой вставки дуга загорается и выделяет энергию, которая расходуется на повышение давления во внутреннем объеме предохранителя. Из кинетической теорий газов известна связь между давлением р, объемом V и энергией W_T газа:

pV= = L = L .

Энергия, полученная газом, Wг равна энергии, выделен­ной дугой, , которая может быть приравнена к электро­магнитной энергии отключаемого контура L . Таким об­разом, давление р во внутреннем объеме предохранителя зависит от отключаемого тока и индуктивности коммутируемой цепи L.

По опытным данным, градиент Еп в процессе гашения дуги быстро растет с ростом давления:

Еп= Ео ; k=0,5÷1,

где E_о — градиент напряжения в дуге при атмосферном давлении (давление р в мегапаскалях).

В некоторых аппаратах (предохранителях, пакетных выключателях и др.) стенки дугогасящей камеры делаются из газогенерирующих материалов — фибры. Благодаря вы­сокой температуре дуги такие стенки выделяют газ, и дав­ление в объеме поднимается до 10—15 МПа за доли полу­периода. Из-за резкого подъема напряжения на дуге ток обрывается до своего естественного нуля, не достигнув максимального значения. В таких аппаратах проявляется эффект токоограничения.

2.5 Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

В электрических аппаратах высокого напряжения коммути­руются токи в десятки килоампер при напряжении до В. Для решения такой сложной задачи используется воздей­ствие на электрическую дугу потока сжатого воздуха или других газов. Сжатый воздух обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка.

Рис. 2.7 - Камеры ДУ с воздушным дутьем

Камеры с воздушным дутьем показаны на рис. 2.7. Сжатый воздух из компрессоров очищается от механических примесей с помощью фильтров и проходит специаль­ную сушку от влаги. Давление, применяемое в воздушных выключателях, колеблется от 1 до 4 МПа. Возможны варианты ДУ с поперечным и продольным дутьем. В первом (рис. 2.7, а) воздушный поток направлен перпендикуляр­но дуге, во втором — вдоль ее оси. Дуга 3, возникающая между контактами 1 и 4, подвергается воздействию сжато­го воздуха и прижимается к перегородкам 2. При этом обеспечивается эффективное охлаждение дуги. Из-за боль­ших габаритов и наличия органической изоляции в обла­сти дуги в настоящее время эти камеры не выпускаются (но в эксплуатации еще имеются). В настоящее время для аппаратов на все классы напряжения наиболее распростра­нены ДУ продольного дутья (рис. 2.7, б - е). Наиболее совершенными являются камеры по рис. 2.7, д и е. Корпус камеры 5 выполнен из фарфора. Дуга 3, образующаяся между торцами контактов 1 и 4, потоком воздуха быстро вдувается в их внутреннюю полость. При этом обеспечивается малый износ контактов. Пары металла электродов не попадают в междуконтактный промежуток и потоком воз­духа выносятся в атмосферу. Благодаря этому пары метал­ла электродов не уменьшают скорости восстановления элек­трической прочности промежутка. Элемент 6, в котором электрическая дуга подвергается продольному охлаждению воздухом, называется соплом. После расхождения контак­тов в дуге выделяется мощность

Под действием этой мощности происходит быстрый подогрев воздуха и местное поднятие давления, в результате количество воздуха, охлаждающего дугу, и его скорость резко уменьшаются. При определенных условиях возможна вообще остановка воздушного потока. Происходит закупор­ка сопла ДУ. Это явление необходимо учитывать при про­ектировании ДУ, обеспечивая при амплитудном значении отключаемого тока минимальную скорость истечения воз­духа не ниже 8—10 м/с.

После прохождения тока через нуль междуконтактный промежуток заполнен плазмой, нагретой до 12 000— 15 000 К. При охлаждении плазмы дуги воздухом электриче­ская прочность промежутка восстанавливается с конечной скоростью. Чем больше отключаемый ток, тем труднее ох­ладить плазму и тем медленнее идет процесс восстановле­ния электрической прочности. Поэтому для ДУ с продоль­ным дутьем характерно уменьшение отключаемого тока с ростом скорости восстановления напряжения. При боль­ших значениях отключаемого тока необходимо снижать скорость восстановления напряжения сети с помощью шун­тирующих резисторов.

Одним из способов дальнейшего увеличения номинальных напряжений установок и допустимых токов КЗ явля­ется применение новых дугогасящих газов. Наилучшие результаты получены с электротехническим газом - элегазом (SF₆), примененным впервые в Советском Союзе. По сравнению с воздухом элегаз обладает следующими преимуществами:

1. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза выше, чем у воздуха, и при давлении 0,2 МПа близка к электрической прочности трансформаторного масла.

2. В ДУ продольного дутья дугогасящая способность элегаза примерно в 5 раз выше, чем у воздуха.

3. Высокая удельная плотность улучшает теплоотдачу токоведущих систем, что позволяет увеличить допустимую плотность тока и уменьшить массу меди в выключателе.

4. Малое значение градиента Еп электрической дуге уменьшает эффект закупорки сопла. Это позволяет увеличить междуконтактный зазор и повысить напряжение на каждом разрыве. При этом сокращается число разрывов на выключатель.

5. Элегаз является инертым газом, не вступающим в ре­акцию с кислородом и водородом, слабо разлагается дугой. Элегаз нетоксичен, хотя некоторые продукты, образующие­ся при воздействии дуги, опасны.

Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. Так, например, при давлении 1,31 МПа переход из газообразного состояния в жидкое происходит при 0 °С. Это заставляет при высоком давлении прибегать к подогре­вающим устройствам. В элегазовом ДУ высокого давления гашение дуги происходит так же, как и в воздушном ДУ. Из-за сложности и пониженной надежности такие ДУ не используются.

Широкое применение в выключателях нашли автопнев­матические элегазовые ДУ. В выключателе поддерживается давление 0,35МПа, при котором температура сжижения элегаза составляет -40^оС. При отключении выключателя его механизм воздействует на поршневое устройство, созда­ющее в зоне горения дуги давление 0,7—0,8 МПа. При этом обеспечивается надежное гашение дуги. В настоящее время воздушные ДУ вытесняются элегазовыми.