книги / Электрические аппараты. Общий курс

метизируется и разведенные контакты находятся при давлении 4,0 МПа.

4.Привод контактов расположен на потенциале земли. Переда­ ча силы от привода к механизму контактов осуществляется через легкую изоляционную стеклопластиковую тягу.

5.При тяжелых условиях восстановления напряжения параллель­ но каждому разрыву включается низкоомный шунтирующий ре­

зистор (40 Ом). Из конструктивных соображений резистор разбит на две части (два контейнера). Ток резистора отключается двухсту­ пенчатой контактной системой, расположенной в одном ^из контей­ неров.

Полное время отключения не более 0,04 с. Применяя индукцион­ но-динамический привод контактов (рис. 19-27), это время может быть значительно сокращено.

шения дуги в качестве дугогасящей среды начинает применяться шестифтористая сера (элегаз) [Л.7-2, 19-9]. По сравнению с возду­ хом этот газ обладает следующими преимуществами:

а) Электрическая прочность в 2,5 раза выше, чем у воздуха. При давлении 0,2 МПа прочность элегаза приближается к прочности трансформаторного масла.

б) Высокая удельная объемная теплоемкость (почти в 4 раза выше, чем у воздуха) позволяет увеличить нагрузку токоведущих ча­ стей, уменьшить массу меди в выключателе.

в) Дугогасящая способность камеры продольного дутья с эле­ газом в 5 раз выше, чем с воздухом.

г) Малая напряженность электрического поля в столбе дуги. Благодаря этому резко сокращается износ контактов. Уменьшается эффект термодинамической закупорки сопла. Это позволяет увели­ чить расстояние между контактами, повысить напряжение на каж­ дом контактном промежутке, поднять допустимую скорость восста­ новления электрической прочности.

д) Элегаз является инертным газом, не вступающим в реакцию с кислородом, водородом, слабо разлагается дугой. Сам элегаз не токсичен, хотя некоторые продукты разложения опасны.

Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. Так, например, при давлении 1,31 МПа он из газообразного состоя­ ния переходит в жидкое при температуре 0° С. Это заставляет либо прибегать к подогревающим устройствам, либо использовать газ при низком давлении. При давлении 0,35 МПа температура сжижения — 40° С. Для получения хороших результатов требуется газ с высо­ кой чистотой (без примесей). Это усложняет и удорожает получение газа.

б) Конструкции элегазовых выключателей. Наиболее эффектив­ но используется дугогасящая способность элегаза в том случае, когда струя газа с большой скоростью омывает горящую дугу.

В настоящее время применяются следующие конструктивные ис­ полнения.

а) с автопневматическим дутьем. Принудительное дутье созда­ ется за счет энергии отключающих пружин;

б) с движением дуги в элегазе за счет взаимодействия дуги с магнитным полем;

15 кА и длительным током 1000 А (рис. 19-21). Небольшое давление элегаза исключает необходимость подогрева.

Отечественный и зарубежный опыт говорит о том, что автопневматическая схема может быть использована в выключателях на­ пряжением до 220 кВ. Наибольшее напряжение на один разрыв не более 72 кВ. Особенно успешно эта схема применяется в выключате­ лях нагрузки [Л. 19-9]. Опытная эксплуатация выключателя ВЭИ да­ ла хорошие результаты. Ведутся работы по улучшению параметров выключателя.

На рис. 19-22 показано дугогасительное устройство с магнитным дутьем. Устройство располагается в фарфоровом изоляторе 1, на­ полненном элегазом при давлении 0,40 МПа. При расхождении кон­ тактов 2 и 4 между ними возникает дуга, на которую действует ра­ диальное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами 3. Сила взаимодействия дуги и поля направлена по касательной и дви­ жет дугу с достаточной скоростью. Такое устройство используется в выключателях нагрузки. В более мощных аппаратах магнитное поле создается катушкой, по которой протекает отключаемый ток. Наибо­ лее эффективным является дугогасительное устройство с двойным давлением. На рис. 19-23, а представлена дугогасительная камера модуля выключателя фирмы «Вестингауз», США. На опорной изо­ ляционной колонке укреплен металлический бак 2 с элегазом при давлении 0,30 МПа. Неподвижные контакты камер 10 укреплены на вводах /. Напряжение по разрывам выравнивается с помощью кон­ денсаторов 3. Элегаз под высоким давлением (1,50 МПа) находится в баке 4. Выходом газа из этого бака в камеру 6 управляет клапан 5. Для уменьшения перенапряжений при включении линии имеются резисторы 8 со своей контактной системой 7. Вращение подвижных

вижный главный контакт; 5 —дугогасительное сопло из изоляционного материала; 6 —токосъемный контакт; 7 —поршень; Я—ры­ чаг привода контактов; 9 —»трансформатор тока.

Контактов с камерами в осуществляется приводным механизмом 9. Разрез дугогасителя дан на рис. 19-23,6. Во включенном положении неподвижный трубчатый контакт 10 соединяется с пальцами 11 ро-

Рис. 19-23. Дугогасительная камера элегазового выключателя сдвой­ ным давлением.

в бак высокого давления 4. Интересно отметить, что указанные пара­ метры выключателя получены при очень тяжелых условиях восста­ новления напряжения. Выключатель способен отключать без ревизии до 40 коротких замыканий с номинальным током отключения. Таких результатов не удалось добиться с воздушными выключателями.

Конструкция и расчет воздушных и элегазовых выключателей рассмотрены в [Л. 7-2, 19-6].

19-8. Электромагнитные выключатели

Масляные и воздушные выключатели имеют ряд свойственных

им недостатков.

Масляные выключатели требуют ухода за маслом, взрыво- и по­ жароопасны. Маломасл'яные выключатели имеют значительно мень­ ший .объем масла, чем баковые, но обладают другим недостатком: количество операций ограничено, так как при частых отключениях

Б-Б

О

Рис. 19-24. Эскиз контактной и дугогасительной систем элект­ ромагнитного выключателя ВЭМ-6, £/н = 6 кВ, /н=1600 А, Рн=400 МВ-А

небольшое количество масла быстро загрязняется частицами углеро­ да, образующимися при горении дуги. Для работы воздушного вы­ ключателя необходим источник сжатого воздуха.

Электромагнитный выключатель для своей работы не требует масла или сжатого воздуха и может совершать большое количест­ во включений и отключений без ревизии.

Эскиз контактной и дугогасительной систем электромагнитного выключателя ВЭМ-6Э представлен на рис. 19-24, а и б. На стальной раме 1 с помощью изоляторов 2 укреплена дугогасительная камера 3 и катушка магнитного дутья 4 с полюсами 6. Подвижный контакт 5 вращается на опорном изоляторе 10 с помощью изоляционной тяги. Выключатель имеет основную 7 и дугогасительную 8 систе­ мы контактов. При размыкании дугогасительных контактов 8 между ними возникает дуга, которая под действием электродинамических сил контура и тепловых потоков перемещается вверх и занимает по­ ложение, обозначенное сплошной линией. При этом участок дуги АЕ шунтируется дугогасительной катушкой 4. Так как сопротивление катушки мало, то дуга на участке АЕ гаснет и катушка включается последовательно в цепь. Теперь дуга горит между рогом 9 и рогом подвижного к о н так та 8 (положение Б). Под действием магнит­ ного поля, создаваемого катушкой 4, и полюсами 6 дуга затягивается в керамическую дугогасительную камеру 3. Действие магнитного по­ ля на дугу рассмотрено в § 4-3.

Камера представляет собой набор тонких керамических пластин ÎÎ с пазами. Пластины отстоят друг от друга на расстояние 2— 3 мм. Керамический материал пластин (кордиерит) обладает вы­ сокой дугостойкостью и теплопроводностью, большой теплоемкостью, электрической и механической прочностью. Материал стенок не дол­ жен выделять паров и газов под действием дуги, так как последние тормозят движению дуги в щели. Надежность работы выключате­ ля в значительной степени определяется тепловым режимом камеры. При малых скоростях движения дуги температура пластин резко возрастает, что может привести к их разрушению. При больших скоростях движения возрастают габариты камеры, так как в тече­ ние всего процесса гашения дуга не должна выйти за ее пределы. Скорость движения дуги выбирается такой, чтобы при номинальном токе отключения температура пластин камеры не выходила за до­ пустимые пределы (2000°С). Эта скорость находится в пределах 100 м/с. Из-за нагрева керамики ее сопротивление падает, поэтому в магнитных выключателях могут протекать большие остаточные то­ ки. Из-за этого явления магнитный выключатель чувствителен к по­ вышению напряжения сети.

Вмасляном и воздушном выключателях напряжение на дуге при

еегашении невелико; сопротивление дуги практически мало сказыва­

ется на величине, форме кривой тока и угле сдвига фаз между то­ ком и напряжением сети (обычно этот угол близок к 90°). Процесс отключения в этих выключателях протекает так, как описано в §4-5.

В магнитном выключателе дуга под действием магнитного по­ ля загоняется в длинную узкую щель и при достаточной длине ду­ ги и малой ширине щели напряжение на дуге соизмеримо с напряже­ нием сети.

Напряжение на дуге электромагнитного выключателя согласно [Л.7-2] можно выразить формулой:

190

^д =

V ô

где б—расстояние между пластинами, м; /д— длина дуги, м.

Для успешного гашения дуги необходимо, чтобы при прохожде­ нии тока через нуль соблюдалось неравенство:

£/д> £ /в = Е sin ф»

где Uв — мгновенное значение восстанавливающегося напряжения. Типичная осциллограмма процесса отключения таким выключа­ телем дана на рис. 19-25. Значительное активное нелинейное сопро­ тивление дуги ведет к искажению формы кривой тока. Ток резко уменьшается за счет активного сопротивления дуги. Так, на рис. 19-25 амплитуда тока уменьшилась со значения 1т до /т ь Угол сдвига фаз ср между током и напряжением сети уменьшается с 90 до 15°. Это в свою очередь снижает и скорость восстановления напряжения на контактах и максимальный пик. Скорость нарастания напряже­ ния в этих выключателях не превосходит 300 В/мс в любой точке сети. Таким образом, электромагнитный выключатель облегчает ус­ ловия гашения дуги за счет уменьшения тока и скорости восста­

новления напряжения.

Следует отметить, что при токах порядка 100 А и менее элек­ тродинамическая сила, действующая на дугу, мала и дуга загоня­ ется в щель с помощью поршневого устройства, которое приводится в действие от рычага 5, рис. 19-24 (система принудительного дутья,

аналогичная рис. 19-20).

Электромагнитные выключатели хорошо работают при частых включениях, поэтому они нашли широкое применение в электропечных установках.

Рис. 19-25. Осциллограмма процесса отключения электромагнитного выключателя.

Выключатель ВЭМ допускает без ревизии 10 000 операций. Ка­ питальный ремонт выключателя производится после 75 000 опера­

ций.

В настоящее время мощность этих выключателей при напряже­ нии 15—17 кВ приближается к 1000 МВ-А. Вопрос расчета дугога­ сительных камер магнитных выключателей рассмотрен в работе Г. А. Кукекова [Л.7-2].

19-9. Вакуумные выключатели

В вакуумных выключателях контакты расходятся в воздушной среде с давлением 10~4 Па. При таком низком давлении плотность газа чрезвычайно мала. Длина свободного пробега молекулы дости­ гает 50 м, а длина свободного пробега электрона — 300 м. В таких условиях возникновение электрического пробоя между электродами затруднено. Электрическая прочность промежутка величиной 1 мм в вакууме при давлении 10-4 Па достигает 100 кВ [Л. 19-11].

Разрез вакуумной дугогасительной камеры КВД-21 конструкции ВЭИ дан на рис. 19-26. В керамическом цилиндре 1 с ребристой поверхностью размещены торцевые контакты 2 и 3 с вольфрамовы­ ми наконечниками 4. Контакт 3 неподвижен, контакт 2 может пере-

мещаться благодаря сильфону 5. Нажатие контактов обеспечивается за счет атмосферного давления, действующего на сильфон. Сила на­ жатия контактов около 120 Н. Ход подвижного контакта 3—5 мм, скорость в момент размыкания 0,2—2 м/с. Длительный ток 320 А, номинальный ток отключения 2000 А, номинальное напряжение 20 кВ, механическая износостойкость 100 000 операций, при отключе­

Рис. 19-26. Вакуумная дугогасительная камера КВД-21.

Рассмотрим процесс возникновения и гашения дуги в цепи по­ стоянного тока. Известно, что при замкнутых контактах ток прохо­ дит через небольшие площадки касания (§ 3-1). При расхождении контактов эта площадка уменьшается до нуля. В этой точке соп­ ротивление резко увеличивается, что ведет к выделению большого количества тепла и плавлению металла электродов. Обра­ зуется жидкий металлический мостик, который под действием вы­ сокой температуры нагревается и испаряется. Загорается так назы­ ваемая в ак у у м н ая дуга, которая фактически горит в среде па­ ров металла электродов. Образующиеся под действием высокой тем­ пературы ионы движутся к электродам, создавая вблизи них соот­ ветствующие объемные заряды (§ 4-1).

Поток электронов направляется к аноду и производит его бом­ бардировку Освобождающиеся из анода положительные ионы дви­ жутся к катоду и разрушают его.

Следует отметить, что высокие значения напряженности электри­ ческого поля (при малых расстояниях между электродами) являются также причиной возникновения дуги в вакууме благодаря автоэлектронной эмиссии.

Малая плотность газа в колбе обусловливает очень высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разницы плотностей час­ тиц в разряде и вакууме. Быстрая диффузия частиц, высокая элект­ рическая прочность вакуума позволяет эффективно гасить дугу в вакуумном выключателе.

Для того чтобы уменьшить количество зарядов в возникающей дуге, в качестве материала для электродов берется вольфрам, имею­

щий высокую температуру плавления и большую работу выхода электронов. Кроме того, контакты из вольфрама устойчивы против сваривания [Л. 19-11].

Для работы вакуумного выключателя имеет большое значение дегазация контактов, так как газы, адсорбированные контактами, при разогреве электродов выделяются и ухудшают вакуум выклю­ чателя. С целью удаления газовых включений из контактов их на­ гревают в течение нескольких часов до красного каления.

При работе выключателя распыленные материалы контактов осаждаются на поверхности изоляционного цилиндра, что создает возможность перекрытия изоляции аппарата. Для защиты цилиндра от паров металла электроды защищаются специальными металличе­ скими экранами 6. Для увеличения электрической прочности внутри камеры установлены еще два экрана 7 и 8. При отсутствии экранов электрон, разгоняясь в электрическом поле по длинному пути, при­ обретает высокую энергию и при столкновении с молекулой может вызывать ее ионизацию. Благодаря экранам 6, 7 и 8 электрическое поле разбито на два небольших участка (между электродами 6 ц 7 и между электродами 6 и 8). Возможность перекрытия внутри ка­ меры резко снижается.

При переменном токе после прохождения тока через нуль вслед­ ствие диффузии происходит быстрое рассасывание зарядов и через 10 мкс между контактами восстанавливается электрическая проч­ ность вакуума.

Большим достоинством вакуумных выключателей является быст­ рое нарастание электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль. Поэтому вакуумные выключатели начинают широ­ ко применяться для отключения конденсаторных батарей.

Для вакуумной дуги характерен обрыв (срез) тока при подходе к нулевому значению. Дело в том, что при уменьшении тока в дуге падает давление паров металла, дуга становится неустойчивой и гаснет. При этом могут возникать такие перенапряжения, которые выводят из строя отключаемое оборудование. Ток среза зависит как от параметров отключаемой цепи, так и от свойств материала кон­ тактов. Вольфрам очень устойчив против сваривания, имеет высокую температуру плавления и износостойкость. С другой стороны, он да­ ет высокие значения тока среза и перенапряжения, так как имеет низкое давление паров металла. Медные контакты дают в 2,5 раза более низкие значения перенапряжений, но этот материал очень склонен к свариванию и износу. В настояще время созданы мате­ риалы контактов, обладающие высокой износостойкостью и низкими значениями перенапряжений. Как правило, часть контактной поверх­ ности выполнена из дугостойкого металла (молибден), часть — из материала с высоким давлением паров (сурьма).

Контактная система вакуумного выключателя работает в тя­ желых условиях. Наличие вакуума, окружающего контакты, ухудша­ ет охлаждение, которое происходит -в основном за счет теплопро­ водности тела контактов и лучеиспускания. За счет совершенство­ вания конструкции камеры и применения новых контактных материа­ лов ток отключения вакуумных камер доведен до 40 кА при напря­ жении 15 кВ. Следует, однако, отметить, что создание вакуумных выключателей на токи отключения более 20 кА связано с большими трудностями.

Обычно камеры выпускаются на напряжение не более 20—35 кВ. При более высоких напряжениях необходимо последовательно со­

единять большое число камер. Имеющийся опыт по эксплуатации и разработке вакуумных коммутационных устройств говорит о том, что основным преимуществом вакуумных выключателей^ является большое число допустимых операций. Механическая износостой­ кость в настоящее время достигает 10*10® операций, электрическая износостойкость 2*10®.

Таким образом, вакуумные выключатели найдут широкое приме­ нение как высоковольтные контакторы.

Широкие перспективы открываются перед вакуумными выключа­ телями в области отключения больших токов высокой частоты.

19-10. Синхронизированные выключатели

В выключателях, установленных в настоящее время в эксплуа­ тации, момент начала расхождения контактов может быть любым по отношению к кривой тока. Скорости движения контактов воздуш­ ного выключателя выбраны таким образом, что расстояние между контактами, необходимое для надежного гашения дуги, набирается за время 10—15 мс.

Энергия, выделяемая в дуговом промежутке выключателя, опре­ деляется уравнением

=J иА *^ * 0

Возрастание мощности отключения выключателей ведет к уве­ личению отключаемого тока и энергии, выделяемой в дуговом про­ межутке, это вызывает необходимость увеличения диаметра сопла и рабочего давления. Увеличиваются объем баков выключателя, его габариты и масса. Кроме того, с ростом энергии Ад увеличивается износ контактов. Даже применение металлокерамических контактов не решает вопроса о допустимости большого числа отключений. Зна­ чительного облегчения процесса отключения можно достигнуть, если ограничить энергию, выделяемую в дуге. Это достигается синхрониза­ цией момента начала расхождения контактов с моментом прохожде­ ния тока через нуль и высокой скоростью движения контактов. Структурная схема одного из вариантов выключателя представлена на рис. 19-27, а. Трансформатор тока ТТ питает синхронизатор 7, который выдает запускающий импульс за 1,5—2 мс до момента нуля тока. К моменту прохождения тока через нуль расстояние между контактами должно быть достаточным для надежного гашения дуги. При этом энергия уменьшается в 10—50 раз. Следует отметить, что не только сокращается время горения дуги до 1,5—2 мс, но и умень­ шается максимальное значение тока в дуге до 0,5/т . Все это созда­ ет благоприятные условия для гашения дуги при первом переходе тока через нуль.

Разрешающий сигнал на отключение подается от блока релейной защиты 2. Если имеются оба сигнала в блоке совпадения 5, послед­ ний выдает сигнал в систему оптической передачи 4, 5, 6. Фото­ вспышка выдает фотосигнал, который по волоконному светопроводу 5 принимается фотоприемником 6. В качестве элемента 6 используют­ ся либо фотодиоды, либо фототиристоры.

Сигнал приемника 6 используется для управления индукционно­ динамическим приводом 7, 8, который здесь используется для полу­ чения необходимой скорости движения контакта 9.