5.3. Динамические характеристики масляных и маломасляных дугогасительных устройств

В дугогасительных устройствах (ДУ) в ВМ и ВММ гашение дуги осуществляется в результате эффективного ее охлаждения в потоке газообразной среды (парогазовой смеси), генерируемой самой электрической дугой отключения за счет испарения и разложения масла.

При оценке термодинамического состояния этой среды исходят из средних значений температуры и усредненного химического состава, где основное внимание уделяется водороду H₂ (47– 66 % от объема), который обладает высокой теплопроводностью (по сравнению с воздухом), но меньшей электрической прочностью. Длина электрической дуги отключения в масляных ДУ превышает межконтактный промежуток в 1,2-2,6 раза, а диаметра дуги в парогазовой смеси относительно условный параметр.

Установлено [8], что средняя по сечению дуги и времени температура при амплитудном значении тока составляет 7000–10000 К, а при подходе к нулю тока (за 0,1 мс) она уменьшается до 5500 К. Температура центральной части парогазового пузыря равна 2500 К (средняя температура газопарового пузыря около 2000 К) [8]. Напряженность электрического поля на стволе дуги 70-100В/см на этапе «парогазовый пузырь» и 200–300В/см на этапе «газовое дутье». При больших токах охлаждение ствола происходит, главным образом, за счет конвекции при больших давлениях в парогазовом пузыре.

При относительно малых токах отключения (критические токи) давление и конвекция в зоне гашения снижаются, следовательно, ухудшаются условия гашения дуги, вследствие чего наблюдается увеличение продолжительности горения дуги. Характеристики ДУ различного типа приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Критические токи для ду

Тип выключатля	Номинальное на Пряжение Uном, кВ	Критический ток Iкр А
Маломасляные	6 –10 35	150 100
Баковые	35	600

Повышение давления в зоне гашения дуги за счет принудительной подачи масла под действием внешних источников механической энергии не показало существенного улучшения условий гашения дуги и сокращения времени горения дуги при отключении (анализ причин слабой эффективности данных мероприятий приведен в Приложении 8).

Опыт эксплуатации и модернизации ВМ и ВММ показывает, что основными условиями для наиболее эффективного гашения дуги являются:

а) интенсивное дутье парогазовой смеси ан этапе «газовое дутье» в области нуля тока отключения;

б) высокое давление парогазовой смеси в области нуля тока;

в) малое расстояние между стволом дуги и изоляционными поверхностями канала ДУ. В этом случае создаются благоприятные условия для автогенерации.

Наибольшее распространение получили дугогасительные устройства с автодутьем (рис. 2.3). В ДУ с автодутьем повышение отключающей способности достигается оптимальной организацией газового дутья, выбором соответствующих размеров, формы дугогасительных контактов и рабочих каналов (дутьевых щелей) изоляционной камеры.

В современных камерах ВМ и ВММ применяются ДУ поперечного дутья (рис. 5.5, а) и ДУ со смешанным способом дутья (рис. 5.5, б, где 1–подвижный контакт, 2 – парогазовый пузырь на этапе «газовое дутье», 3 –электрическая дуга, 4 – неподвижный контакт, 5 – воздушный буфер).

Показано [8], что гашение малых токов происходит только в режиме замкнутого пузыря. В ДУ поперечного автодутья горение дуги происходит преимущественно в режиме развивающегося замкнутого пузыря, но интенсивная деионизация дугового столба при средних и больших токах начинается только тогда, когда парогазовый пузырь соединяется с воздухом надкамерного пространства. Истечение парогазовой смеси в надкамерное пространство может происходить как в критическом, так и подкритическом режимах. Анализ экспериментальных данных показал, что мощность дуги является наиболее характерным энергетическим параметром, определяющим процесс газообразования при разложении дугой трансформаторного масла. За время горения дуги (доли секунды) даже при интенсивном перемешивании газовой смеси с трансформаторным маслом в нем растворяется только 3-10 % объема образовавшейся газовой смеси.

Рис. 5.5. Схемы ДУ различного типа

По указанным причинам при горении дуги в дегазированном трансформаторном масле несущественно снижается давление за счет интенсивного растворения в масле образующихся газов.

Экспериментальные данные для ВМП-10 (рис. 5.5, б) представлены на рис. 5.6 при отключении тока 7 кА выключателем ВМП-10-20: кривая 1 — ток; 2 и 3 — соответственно экспериментальная и расчетная кривые давления (избыточного) в парогазовом пузыре; 4 и 5 — соответственно экспериментальная и расчетная кривые в дополнительном газовом переменном объеме для увеличения интенсивности гашения в области нуля тока; I — длительность этапа «парогазовый пузырь»; II — длительность этапа «газовое дутье».

Рис. 5.6. Экспериментальные и расчетные данные для ВМП-10

Результаты исследований процесса восстановления электрической прочности U_ВЭП от времени для межконтактного промежутка в ВММ (тип ВМП-10-20) после нуля тока представлены на рис. 5.7, где кривые 1 и 3 — I = 6,2 кА, = 10 мс и 20 мс, 2 и 4 — I = 12,0 кА, = 10 и 20 мс; I —– среднеквадратические отклонения; — момент окончания нарастания U_ВЭП в первой зоне; — момент скачка U_ВЭП.

Рис. 5.7. Восстановление электрической прочности между контактами ДУ

В данных экспериментах характеристики U_ВЭП (t) получены зондированием межконтактного промежутка ДУ линейно нарастающими импульсами напряжения, прикладываемыми с задержкой после нуля тока, при du/dt = 3 кВ/мкс. При одинаковых начальных условиях опытов выявлен значительный статистический разброс U_ВЭП. Этим определяется разброс времени дуги в данных ДУ. Обобщение экспериментальных данных показывает зависимость U_ВЭП (t) от отключаемых токов, времен дуги и режимов ее гашения. В частности, при токах докритических и небольших временах дуги U_ВЭП мало (единицы киловольт) и в течение длительного времени после нуля тока (до 100 мкс) практически постоянно. С увеличением времени дуги U_ВЭП возрастает; при дальнейшем возрастании отключаемых токов до значений, при которых начинается гашение дуги в режиме газового дутья, закономерность U_ВЭП (t) аналогична указанной при малых токах, однако при больших временах дуги (25-35 мс), примерно через 100 мкс после нуля тока, начинается резкое увеличение U_ВЭП со скоростью около 0,8 кВ/мкс, прекращающееся при напряжениях около 50 кВ. При средних и больших токах U_ВЭП (t) сильно зависит от режима гашения дуги (рис. 5.7): в режиме замкнутого пузыря, как и при малых токах, она мала и в течение длительного времени (десятка микросекунд) практически постоянна; в режиме же газового дутья U_ВЭП существенно выше и имеет в общем случае три зоны: первую (0-20 мкс) — с быстрым, на один–два порядка выше, чем в режиме парогазового пузыря, нарастанием (du/dt)_cp = 1,5-3,0 кВ/мкс; вторую (10–70 мкс) — с практически постоянным или малоизменяющимся значением и третью с повторным резким возрастанием U_ВЭП.

Мощность дуги при некоторой ее длине l_д для момента времени t может быть рассчитана по формуле

Р_д = U_д i_д = E_д.ср l_д i_д, (5.1)

где U_д — напряжение на дуге; E_д.ср — средняя напряженность электрического поля в дуге; i_д — мгновенное значение тока дуги.

При горении дуги в замкнутом пузыре напряженность электрического поля может быть принята постоянной.