Исследование элегазового выключателя

Цель работы - изучение принципа действия и конструкции элегазовых выключателей, ознакомление с процессами, протекающими в элегазовом промежутке при отключении электрического тока, с параметрами и с областями применения элегазовых выключателей.

Предмет исследования

В элегазовых выключателях применяется сравнительно невысокое давление. Это объясняется замечательными свойствами элегаза: высокой электрической прочностью и высокой дугогасительной способностью. Высокая электрическая прочность шестифтористой серы SF6 была установлена советскими физиками-ядерщиками Гохбергом и Зайделем начале 40-х годов прошлого века. Предвидя перспективы применения этого газа в электрооборудовании, шестифтористая сера была ими названа электрическим газом, а сокращенно — элегазом.

Молекула SF6 представляет собой правильный октаэдр, в центре которого находится атом серы (рис. 1). Радиус атома серы на 20 % больше радиуса фтора, поэтому атомы фтора плотно облегают атом серы, защищая его от внешних воздействий. Такое строение молекулы объяс­няет многие свойства шестифтористой серы.

Рис.1 Строение молекулы элегаза

Элегаз совершенно безвреден, химически неактивен, в обычных экс­плуатационных условиях не действует на материалы, применяемые в электроаппаратостроении. Он бесцветен, не имеет запаха, тяжелее воздуха примерно в пять раз, скорость звука в элегазе в два с лишним раза меньше, чем в воздухе. Удельная объемная теплоемкость элегаза выше в 3,7 раза, чем воздуха, а коэффициент теплоотдачи с поверхности такой же, как в водороде. Элегаз не горит и не поддерживает горение. По химической активности он сходен с азотом.

При горении дугового разряда происходит диссоциация и ионизация части элегаза, однако за этим следует рекомбинация без образования каких-либо продуктов разложения.

При атмосферном давлении элегаз может находиться в газообразном и твердом состоянии. Как видно из диаграммы (рис. 2), при атмосферном давлении в твердое состояние элегаз переходит при температуре -63,8°С, а в жидкое состояние элегаз может переходить только при давлении выше 0,228 МПа, тройная точка на диаграмме, где встречаются границы газообразного, жидкого и твердого состояний, соответствует температуре -50,8°С. Считается, что предел применения элегаза прихо­дится на -41...- 42°С при давлении 0,40.. .0,45 МПа.

Рис. 2. Состояние элегаза в зависимости от температуры и давления

Элегаз относится к числу электроотрицательных газов. Ряд химических элементов, таких как F, Cl, Br, I, О, имеют сродство к электронам, что выражается в образовании отрицательных ионов этими элементами при наличии свободных электронов.

Простейшим условием развити газового разряда является соотно­шение

α_эф·S > К,

где К— коэффициент, учитывающий тип газа, S - длина разрядного промежутка.

В свою очередь α_эф = α - η, где а — количество ионизаций, произве­денных одним электроном на единичном пути вдоль силовой линии элек­трического поля; η— коэффициент прилипания электронов.

Чтобы компенсировать убыль электронов за счет прилипания, необходимо повышать напряженность электрического поля для интенсификации процесса ионизации. Расчетно-экспериментальные значения относительных напряженностей (Е/р), характеризующих энергию набранную электроном за свободный пробег, и при которых выполняется условие развития разряда, составляют: для воздуха - 2,7-10-4 кВ/(см·Па), а для элегаза в три раза больше - 8,9- 10-4 кВ/(см·Па). Такая разница объясняется тем, что коэффициент прилипания в воздухе значительно меньше коэффициента прилипания в элегазе, в то время как коэффициенты ионизации а в этих газах примерно одинаковы.

INCLUDEPICTURE "I:\\работа\\institut\\Apparat\\методичка\\media\\image1.jpeg" \* MERGEFORMATINET

На рис. 3 представлены напряжения пробоя промышленной частоты промежутков с электрическим полем, близким к однородному, для воздуха при атмосферном давлении и для элегаза при атмосферном и повышенных давлениях. Согласно этим данным при атмосферном давлении средняя пробивная напряженность в воздухе составляет 20 кВ/см, а в элегазе - 60 кВ/см. Следует отметить, что наибольшее преимущество элегаза проявляется при сравнительно невысоких давлениях, например, уже при повышении давления до 0,5 МПа наблюдается только 2-кратное повышение электрической прочности элегаза.

Рис. 3. Напряжения пробоя элегазовых промежутков при различных давлениях и воздушных промежутков при атмосферном давлении

Элегаз обладает высокой дугогасительной способностью, что объясняется особенностями горения дуги в элегазе. Из-за более низкой теплопроводности при высоких температурах токопроводящий канал в элегазе имеет меньший диаметр, но более высокую температуру. Затухание проводимости канала интенсивно охлаждаемой дуги при подходе тока к естественному нулю в элегазе происходит очень быстро. Принято скорость исчезновения проводимости дуги характеризовать псевдопостоянной времени Г, которая прямо пропорциональна теплосодержанию дуги и обратно пропорциональна мощности теплоотвода. В момент перехода тока через нуль Т интенсивно охлаждаемой дуги в элегазе составляет 1 мкс, что на несколько порядков меньше Т дуги, горящей в воздухе. Сравнительные испытания показали, что дугогасительная способность элегаза примерно на порядок выше, чем воздуха. С другой стороны, проводящий канал дуги в элегазе весьма устойчив к механическим воздействиям и сохраняется почти до самого момента перехода тока через нуль, т.е. срез тока бывает незначительным при отключении.

Гашение дуги в выключателях происходит при интенсивном теплоот­воде за счет дутья с целью создания дисбаланса между подводимой и рассеиваемой энергии. Основными механизмами потерь являются радиальная диффузия и излучение. В элегазовых выключателях газ не выбрасыватся наружу.

По способу гашения дуги в элегазе дугогасительные устройства можно разделить на четыре типа:

• дугогасительные устройства, в которых дутье обепечивается поступающим из резервуара газом, с высоким давлением. Функционирование таких устройств предполагает наличие компрессорного хозяйства;

• автокомпрессионные дугогасительные устройства с дутьем в элегазе, создаваемым компрессионым устройством;

• с электромагнитным дутьем, при котором дуга вращается в поперечном магнитном поле, создаваемом отключаемым током или постоянными магнитами;

• с продольным дутьем, когда происходит повышение давления в сравнительно замкнутом обьеме за счет энергии дуги, вращающейся в поперечном магнитном поле.

Автокомпрессионый способ гашения дуги широко используется в элегазовых выключателях напряжением от 6 до 750 кВ. Характерными элементами автокомпрессионных дугогасительных устройств являются поршневое устройство и изоляционное сопло. При размыкании контактов на возникшую дугу направляется струя элегаза из объема с помощью поршня и изоляционного дугостойкого сопла. В этом устройстве используется то, что скорость звука в элегазе невысокая, это обуславливает меньший "расход" газа на гашение дуги. При отключении больших токов гашению дуги способствует также дополнительное дутье в результате повышенного давления в зоне горения дуги, ограниченной дугогасительными соплами.

Электромагнитное дутье также широко используется для гашения дуги в элегазовых выключателях. Принудительное движение дуги осуществляется в поперечном магнитном поле, которое создается либо соленоидом с отключаемым током, либо постоянными магнитами. Сила воздействия на заряженные частицы дуги, измеряемая в ньютонах, как известно, равна

F = I·H·10^-6,

где I — ток дуги, А; H — напряженность магнитного поля, А/см.

Способ гашения дуги исследуемого выключателя демонстрируется на рис. 4. Чтобы обеспечить высокую дугогасительную способность, используют одновременно два механизма гашения дуги: электомагнитное дутье и дутье за счет теплового расширения элегаза и перемещения его в зону пониженного давления. В левой части рис. 6 показаны стадии горения дуги в элегазе в экспериментальной дугогасительной камере по мере приближения значения переменного тока к нулю.

Рис.4. Комбинированное воздействие электромагнитного и продольного дутья за счет термического расширения газа в гасительной камере элегазового выключателя

Одной из важных характеристик выключателей являются временные параметры: время включения и время отключения. С одной стороны, они имеют значение для настройки систем автоматики и релейной защиты, а с другой — по ним можно судить об исправности или неисправности выключателя. Контролю подлежат следующие параметры выключателя с приводом: время включения t_вкл и собственное время отключения t_{c откл}.

Время включения — это время с момента подачи напряжения на меха­низм включения выключателя до момента замыкания контактов выключателя. Собственное время отключения выключателя — это время с момента подачи напряжения на электромагнит расцепителя отключения до момента начала расхождения контактов выключателя.

Оценка результатов измерений производится путем их сравнения с паспортными данными и с браковочными нормами завода изготовителя.

Описание лабораторного стенда

В аппаратном зале представлен образец элегазового выключателя 10 кВ серии LF

производства Merlin-Gerin группы Schneider Electric. Выключатели серии LF 1,2,3 применяются в установках с номинальным напряжением 6 и 10 кВ, номинальными токами 630...3150 А, имеют номинальные токи отключения 25...50 кА, собственное время отключения 48 мс, время отключения и включения 65 мс.

Эти выключатели предназначены для установки в КРУ, однако могут устанавливаться также стационарно в КСО и идти на замену старых маломасляных выключателей в действующих РУ. Выключатели стойки к вибрационным воздействиям (ускорение до 0,7g) и к сейсмическим воздействиям интенсивностью до 9 баллов, предназначены для работы в условиях производственной и морской среды. Максимальная допустимая температура окружающего воздуха: +50 °С, если выключатель вне ячейки, +40 °С, если выключатель в составе КРУ; нижнее рабочее значение температуры окружающего воздуха составляет -25 °С. Интенсивность отказов при доверительной вероятности 0,9 не более чем 3,6-10^-4 1/год.

Выключатель выполняет автоматическое повторное включение (АПВ) с бестоковой паузой 3 мин: О—Змин—ВО—Змин—ВО. Могут быть также реализованы циклы: О—0,3с—ВО—15с—ВО или О—0,3с—ВО— Змин—ВО.

Элегазовый выключатель LF2, представленный в лаборатории, имеет следующие параметры:

• номинальное напряжение - 10 кВ;

• максимальное рабочее напряжение - 12 кВ;

• уровень изоляции (50 Гц, 1мин/импульс 1,2/50 мкс) — 42кВ/75 кВ;

• номинальный ток — 1250 А;

• номинальный ток отключения — 40 кА;

• номинальный ток включения — 50 кА/128 кА макс;

• ток термической стойкости — 40 кА/3 с;

• ток электродинамической стойкости — 128 кА макс;

• нормированное содержание апериодической составляющей — 30 %;

• ресурс по коммутационной стойкости: при / = 40 кА — 20 циклов

отключений, при I = 1250 кА — 10 000 циклов отключений;

• емкостной ток отключения — 440 А;

• время включения выключателя, с, не более, при напряжении на зажимах расцепителя включения: 0,85U_ном— 130 мс; 1,0 U_ном — 65 мс; 1,1 U_ном — 35 мс;

• собственное время отключения выключателя, с, не более, при напряже­нии на зажимах расцепителя отключения: 0,85 U_ном — 120 мс; 1,0 U_ном —45 мс;

1,1 U_ном ^—30 мс^.

Выключатель способен отключать токи намагничивания трансфор­маторов.

Номинальное избыточное давление элегаза 0,15 МПа при 20 °С. Вы­ключатель сохраняет указанные выше параметры при снижении давления вплоть до 0,1 МПа. При разгерметизации при нулевом избыточном давлении выключатель способен отключить 12 раз номинальный ток или 2 раза ток, равный 80 % номинального тока отключения. Нормируемая утечка элегаза не более 0,1 %/год. Выключатели могут оснащаться реле давления с одним замыкающим контактом, уставка реле 0,1 МПа. Корпус камеры имеет мембранную защиту от повышения давления, она срабатывает при избыточном давлении, превышающем 0,65 МПа.

Все выключатели серии LF имеют главные, или рабочие, контакты и вспомогательные, или дугогасительные, контакты (рис. 5), последние шунтируют главные контакты. Как и весь токопровод выключателя, его рабочие контакты медные, к тому же они посеребрены. Во включенном состоянии основная часть тока течет через главные контакты. При отключении выключателя сначала размыкаются главные контакты, весь ток переходит на дугогасительные контакты, затем через 7 мс размыкаются дугогасительные контакты. Происходит пробой между дугогасительными контактами, переходящий в дуговой разряд, который гасится продольным дутьем за счет энергии дуги, вращающейся в поперечном магнитном поле соленоида, находящегося на неподвижном дугогасительном контакте.

Рис.5. Положение контактов выключателя в процессе отключения.

Благодаря такой конструкции рабочие контакты не подвергаются дуговой эрозии и, значит, контактное сопротивление остается в допустимых пределах во время эксплуатации. Сопротивление контактов нового выключателя не превышает 40 мкОм. Дугогасительные контакты сделаны из дугостойкого материала W+Cu.

Разновременность замыкания и размыкания контактов составляет не более 5 мс.

INCLUDEPICTURE "I:\\работа\\institut\\Apparat\\методичка\\media\\image11.jpeg" \* MERGEFORMATINET

Назначения элементов панели управления выключателя LF показаны на рис. 6.

1 - ручка завода пружины

2. - кнопка включения

3. - кнопка отключения

4. - счетчик операций

5. - индикатор положения выключателя:

“включен” или “отключен”

2. - индикатор состояния пружины:

“заряжена” или “разряжена"

2. - отверстие для установки замка

Рис. 6. Панель управления выключателя серии LF

Для измерения времени включения выключателя LF2 необходимо собрать схему согласно рис. 9, номера указывают места подключения к клеммнику выключателя, находящемуся на правой боковой стенке выключателя. На секундомере РТ должен стоять ноль. После проверки схемы вручную взвести пружину включения выключателя. Затем подать напряжение на схему измерений, когда выключатель окажется в положении "ON", снять показания с секундомера.

INCLUDEPICTURE "I:\\работа\\institut\\Apparat\\методичка\\media\\image12.jpeg" \* MERGEFORMATINET

Рис.7. Схема измерения времени включения выключателя LF

Для измерения собственного времени отключения выключателя LF2 необходимо собрать схему согласно рис. 8. На секундомере РТ должен стоять ноль. После проверки схемы включить выключатель. Затем подать напряжение на схему измерений, когда выключатель окажется в положении "OFF", снять показания с секундомера.

Измерения повторяются пять раз при каждом значении напряжения оперативного тока: 0,85t/„_OM; l,0t/„_OM; 1,Ш„_0М.

INCLUDEPICTURE "I:\\работа\\institut\\Apparat\\методичка\\media\\image13.jpeg" \* MERGEFORMATINET

Рис. 8. Схема измерения времени отключения выключателя LF

Порядок выполнения работы

1. Изучите конструкцию элегазового выключателя серии LF2.

2. В отчете укажите основные элементы выключателя LF, объясните работу контактной системы, отметьте последовательность коммутаций контактов.

3. Нарисуйте электрическую дугу на контактах и покажите направле­ния дутья.

4. Измерьте время включения и собственное время отключения с помощью измерительной схемы.