2. Электрическая дуга отключения в дугогасительных устройствах выключателей высокого напряжения
2.1. Основные принципы гашения электрической дуги отключения высокого напряжения
При выполнении ВВ операции «отключение» в дугогасительном устройстве (ДУ) между контактами возникает электрическая дуга. Повышение эффективности дугогашения в ДУ непосредственно зависит как от параметров ВВ (быстродействие, конструкция, привод, контактные материалы и сопловые элементы ДУ и т. д.), так и энергосистемы (параметры сети, режимы, КЗ и т. д.).
Наибольшее влияние на параметры электрической дуги отключения оказывают конструкция ДУ, условия на границе плазма — дугогасящая среда, изменение диаметра дуги отключения с изменением тока отключения, взаимодействие в области нуля тока остаточного следа плазмы с дугогасящей средой и ПВН. Конструкция и материал контактов влияют на состав плазмы и ее электропроводимость в области нуля тока.
Электрическая дуга отключения деформируется под действием собственных и внешних электромагнитных сил, турбулентного перемешивания с путным потоком для газовых ДУ и имеет длину, превышающую межконтактный промежуток ДУ.
В высоковольтных коммутационных аппаратах применяются ДУ с открытым разрывом, ДУ с металлическими пластинами, ДУ продольного газового дутья, масляные (маломасляные) и вакуумные ДУ.
Для конструкций высоковольтных ДУ с открытым разрывом [4] на Uн = 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ на рис. 2.1 приведены экспериментальные данные исследований зависимости наибольшего «вылета» дуги отключения lM от тока отключения I. Отсюда следует, что даже при малых токах 10-20 А длина дуги значительна (от 1 м до 4-10 м), время ее горения превышает 0,1 сек, что может привести к аварийной ситуации в пространстве ОРУ или ЗРУ (см. рис. 2.1).
Рис. 2.1. Зависимости «вылета» дуги отключения от тока отключения для открытого разрыва
Поэтому основными задачами совершенствования ДУ высоковольтных выключателей являются: повышение отключающей способности, ресурса (механического и коммутационного), надежности, при уменьшении габаритов и веса ДУ, времени отключения, с учетом современных требований по экологии и безопасности.
Рассмотрим некоторые ДУ высоковольтных выключателей.
ДУ с продольным газовым дутьем. В современных газовых ВВ (элегазовые и воздушные ВВ) используется система продольного одностороннего газового дутья (рис. 2.2), где дуговой разряд 1 (электрическая дуга отключения) между контактами 3 – 4 взаимодействует через сопло 2 с продольным потоком дугогасящего газа, обеспеченного перепадом давлений р/рb, где р — давление газа вверх по потоку; рb — давление газа вниз по потоку (в камере выключателя), или система двустороннего дутья (потоки газа направлены в противоположные стороны).
Рис. 2.2. Система продольного одностороннего газового дутья
ДУ с автогенерацией. Применение эффекта автогенерации в газовых ДУ (рис. 2.3, а), когда в дугогасительной камере К под действием излучения и высокой температуры дугового разряда 1 между контактами 3 – 4, изоляционные стенки 2 камеры К выделяют газ, позволяет увеличить давление газа в камере К не только благодаря высокой температуре, но и дополнительному массовому расходу от газогенерирующих стенок этой камеры. В газовых ДУ с электромагнитным дутьем (рис. 2.3, б) взаимодействие дуги отключения 1 с магнитным полем катушки S вызывает интенсивное движение дуги по контактам 3 – 4 и повышение уровня взаимодействия дуги отключения с газом в камере К. Обычно в данных ДУ дуга отключения 1 перебрасывается на дополнительный дугогасительный контакт 2 (в виде разрезанного кольца R). Вращательное движение дуги отключения вызывает интенсивную турбулизацию и нагрев газа в камере К.
Рис. 2.3. Система газовых ДУ с автогенерацией (а) и с электромагнитным дутьем (б)
Масляные и маломасляные ДУ. Горение и гашение дуги отключения осуществляется в парогазовой смеси генерируемой самой электрической дугой отключения: за счет испарения и разложения масла под ее воздействием (этап «парогазовый пузырь»).
Эффективность дугогашения повышается, если гашение дуги осуществляется в результате ее охлаждения в потоке парогазовой смеси через сопловые конструкции ДУ ВМ и ВММ (этап «газовое дутье»).
При оценке термодинамического состояния этой дугогасящей среды исходят из средних значений температуры и усредненного химического состава, который принимается следующим: водород H2 (47-66 % от объема), ацетилен C2 H4 (14-27 %), метан C2H2 (9-15 %), этилена C2H6 (10-15 %), углекислый газ CO2 (3-2,6 %). Отсюда следует, что в составе парогазовой смеси значительную долю составляет водород, обладающий по сравнению с воздухом высокой теплопроводностью, но меньшей электрической прочностью.
Следует отметить, что на этапе («парогазовый пузырь») в масляных и маломасляных ВВ эффективно используется эффект автогенерации. На рис. 2.4 представлен ДУ с продольным автодутьем.
Рис. 2.4. Схема ДУ с продольным автодутьем
При размыкании контактов 1 и 4 возникает электрическая дуга 5.
На первом этапе горение и гашение дуги в ДУ осуществляется в парогазовом пузыре 2 (этап «парогазовый пузырь») в результате разложения масла под воздействием электрической дуги отключения (сопло 3 закрыто подвижным контактом 4). Высокое давление парогазовой смеси в пузыре 2 пропорционально мощности электрической дуги отключения и массовому расходу газогенерирующих изоляционных стенок 6 ДУ. Отключение предельных мощностей таких ДУ осуществляется на втором этапе «газовое дутье», который следует после открытия сопла 3. Наибольшая эффективность дутья при гашении дуги на втором этапе «газовое дутье» получена в конструкциях таких ДУ, где пузырь 2 соединяется с газовым объемом над маслом в баке (камере) ДУ с системой встречно-поперечного дутья.
Вакуумные ДУ. Гашение электрической дуги в вакуумных выключателях происходит в вакууме (1,10-4 – 1,10-5 Па), обладающем высокой электрической прочностью. Для дуги в вакууме характерны низкое падение напряжения, большая плотность тока в области катодного падения напряжения, высокая концентрация плазмы в прикатодной области [5].
При размыкании контактов и образовании вакуумной дуги источником поставки частиц в межконтактный промежуток является катод. Поэтому своеобразие дугового разряда обусловлено процессами на катоде и в области катодного пятна катода [5].
Вакуумная дугогасительная камера ВВ выполняется с одним разрывом на полюс. Дугогасительная камера состоит из следующих основных элементов (рис. 2.5): изоляционного корпуса 5, токоведущих стержней 1, 6 с коммутирующими контактами 4, системы металлических экранов 3, сильфона 2. Система экранов обеспечивает защиту внутренней поверхности изоляционного корпуса от попадания испарившихся частиц материала контактов, выравнивание распределения напряженности поля внутри камеры. Сильфон 2 применяется для перемещения подвижного контакта без нарушения герметичности камеры.
Рис. 2.5. Вакуумная дугогасительная камера |
Рис. 2.6. Зависимости разрядных напряжений от длины межконтактного промежутка для различных изоляционных сред |
Электрическая прочность межконтактного промежутка lк в вакууме превышает разрядные характеристики других сред в однородном поле (см. рис. 2.6, где кривые 1 — вакуум, 2 — масло, 3 — элегаз, 4 — воздух); при длине промежутка lк = 10 мм разрядное напряжение превышает 200 кВ.