книги / Электрические аппараты

Рис. 18.25. Электромагнитный выключатель:

с —общий вид выллючагечя ВЭ-10; б —дугогасительное устройство

КРУ производится с почсщью штепсельного контактного разъема 11. Правая катушка магнитного дутья 12 соединяется с нижним выво­

дом выключателя шиной 13

. ДУ выключателя изображено на рис. 18 25,6. При размыкании дуго­ гасительных контактов / и 2 возникает дуга А которая под действием электродинамических сил и конвекционных потоков воздуха переме­ щается в положение Б Этому также способствует воздушное дутьевое устройство. Один конец дутьевой катушки 3 соединен с неподвижным контактом 1, второй — с левым рогом 5. При перемещении дуги вверх она касается рога 5, при этом участок дуги между контактом 1 и ниж­ ним концом рога 5 шунтируется дутьевой катушкой. Так как полное сопротивление катушки мало, то этот участок дуги гаснет и катушка 1 включается в коммутируемую цепь последовательно. Магнитный поток, создаваемый катушкой 3, проходит по полюсным наконечникам (поз. 12, рис. 18.25,а), с помощью которых магнитное поле направляется перпендикулярно плоскости (рис. 18.25,6). Силы взаимодействия тока дуги и поля перемешают дугу вверх и затягивают ее в ДУ, состоящее нз пакета керамических пластин с вырезами (рис. 4.24). При перемеще­ нии дуги в положение Г правый конец дуги переходит на дугогаситель­

ный рог 4 и включается вторая система магнитного дутья. В результа­ те дуга движется с большой скоростью (около 100 м/с). По мере пере­ мещения вверх дуга деформируется, принимая зигзагообразную форму Е (в горизонтальной плоскости), удлиняется и тесно соприкасается с пластинами ДУ. Это приводит к росту сопротивления дуги и напря­ жения на ней. Из-за эффективного отвода тепла от дуги градиент на­ пряжения на ней, В/м, не зависит от тока [18.2] и равен

Е = ШО/УТ,

где Ô— расстояние между пластинами, м. Напряжение на дуге

ил = £7Д = m iz /V s,

где 1д — длина дуги, м.

Рис. 18.26. Изменение угла между током и напряжением в ДУ электро­ магнитного выключателя

В результате сопротивление дуги становится больше сопротивления Х„ коммутируемой цепи, ток в цепи и сдвиг фаз между током и напря­ жением цепи уменьшаются, что приводит к облегчению восстановления напряжения на контактном промежутке.

Условие гашения дуги

где Ет — амплитуда ЭДС источника, В; фпРед — предельный угол сдви­ га фаз, при котором напряжение на дуге больше или равно возвраща­ ющемуся напряжению промышленной частоты, фПред=32,5с“ [18.8].

Значения 1Д и 6 выбираются так, чтобы соблюдалось неравенство (18.1). При фпред=32,5° амплитуда тока в цепи уменьшается до 0,463 1т.

Осциллограмма процесса отключения электромагнитного выключа­ теля представлена на рис. 18.26. Здесь и — напряжение источника пи­ тания; !к — ток КЗ; фь ф2 Фз— углы сдвига фаз при КЗ. До момента размыкания контактов фк=90°. При первом прохождении через нуль напряжение на дуге ил мало и дуга загорается вновь. По мере удлине­

ния и охлаждения дуги напряжение на ней увеличивается. К моменту третьего прохождения тока через нуль напряжение ид значительно больше возвращающегося напряжения промышленной частоты, при этом обеспечивается неравенство (18.1). Из-за значительного сопротив­ ления дуги ток tu к моменту гашения дуги значительно уменьшается.

Описанный выключатель обеспечивает 104 коммутационных циклов При /ном** 1600 А и 5■103 циклов при /ном —3600 А без ревизии и ремон­ та Механическая износостойкость его составляет 5- ! О4 циклов. Поэто­ му выключатели этой серии применяются при большой частоте опе­ раций.

Выключатель имеет пружинный привод, который заводится двига­ телем. Привод обеспечивает однократный цикл 0—0,3—ВО с бестоко-

проводимость стенок ДУ. Узкие щели ДУ нагреваются дугой до очень высоких температур, при которых начинают проводить ток. Большой остаточный ток (§ 4.4) может приводить к пробою по раскаленной поверхности пластин. Из-за этого номинальное напряжение электромаг­ нитных выключателей не превышает 10 кВ.

18.8.ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Ввакуумных выключателях контакты расходятся в сре­ де с давлением 1(Н4 Па. При таком вакууме дугогаситель­ ный промежуток имеет очень высокую электрическую проч­

ность— примерно 100 кВ/мм. М алая плотность воздуха создает возможность гашения дуги без ДУ за время 0,01— 0,02 с. Все это дает возможность создать выключатели с ма­ лым износом контактов, работающие при минимальном техническом обслуживании в течение нескольких десятков лет. Это определяет перспективность развития и широкого применения вакуумных выключателей. Процесс гашения дуги в вакууме рассмотрен в § 4.11. Здесь добавим, что об­ разующиеся под действием высокой температуры ионы дви­ жутся к электродам, создавая вблизи них соответствующие объемные заряды (§ 4.1). Поток электронов направляется к аноду и производит его бомбардировку. Освобождающие­ ся из анода положительные ионы движутся к катоду и раз­ рушают его. Эти процессы определяют срок службы кон­ тактов.

М алая плотность среды обусловливает очень высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разницы плот­ ностей частиц в разряде и вакууме. Быстрая диффузия ча­ стиц, высокая электрическая прочность вакуума позволяют эффективно гасить дугу в вакуумном выключателе.

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

При работе выключателя распыленные материалы кон­ тактов осаждаются на поверхности изоляционного цилинд­ ра, что создает возможность перекрытия изоляции. Для защиты цилиндра от паров металла элек1роды защищают­ ся специальными металлическими экранами 8, 9 (рис. 18.27). При отсутствии экранов электрон, разгоняясь в эле­ ктрическом поле по длинному пути, приобретает высокую энергию и при столкновении с молекулой может вызывать ее ионизацию. Благодаря экранам 8 и 9 электрическое по­ ле разбито на два небольших участка (между электрода­ ми 9 и 8 и между электродами 8 и 9). Возможность пере­ крытия внутри камеры резко снижается.

При переменном токе после прохождения тока через нуль происходит быстрое рассасывание зарядов вследствие диффузии, и через 10 мкс между контактами восстанавли­ вается электрическая прочность вакуума. Быстрое нараста­ ние электрической прочности промежутка после прохожде­ ния тока через нуль является большим достоинством ваку­ умных выключателей.

Для вакуумной дуги характерен обрыв (срез) тока при подходе к нулевому значению. При уменьшении тока пада­ ет давление паров металла, дуга становится неустойчивой и гаснет. Резкие уменьшения тока могут вызывать перена­ пряжения, опасные для отключаемого оборудования. Ток среза зависит как от параметров отключаемой цепи, так и от свойств материала контактов. Вольфрам обладает ус­ тойчивостью к свариванию, высокой температурой плавле­ ния и износостойкостью. Однако при вольфрамовых кон­ тактах значения тока среза и перенапряжений очень высо­ ки, так как пары вольфрама создают низкое давление. Перенапряжения при медных контактах в 2,5 раза ниже, но они более подвержены свариванию и износу. Эти противо­ речия устраняются, если часть контактной поверхности вы­ полнена из дугостойкого металла (молибден), а другая

часть—из материала с высоким давлением паров (сурь­ ма). Хорошие результаты даег специальная металлокера­ мика. Наличие вакуума ухудшает охлаждение контактов. Однако за счет увеличения размеров подводящих шин, со­ вершенствования конструкции ДУ и контактных материа­ лов удается довести длительные токи до необходимых зна­

чений.

В вакуумной дугогасительной камере (рис. 18.27) кон­ тактный стержень 4 с контактным наконечником 1—2 же­

ных токах и для получения необходимой динамической стой­ кости ставится дополнительная пружина, создающая необ­ ходимое нажатие контактов. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля между кон­ тактами с целью повышения электрической прочности. Эк­ ран 8 защищает также керамику 10 от напыления паров ме­ талла, образующихся при гашении дуги. Контакты 1 и 2 имеют форму, показанную на рис. 18.28. Касание контактов 1 происходит в шести точках, что позволяет снизить пере­ ходное сопротивление и уменьшить температуру контактов. Следует отметить, что тепло, выделяемое в контактах 1,1' и контактных стержнях 4, 5, отводится в основном тепло-

1)отсутствие специальной дугогасящей среды, требую­ щей замены;

2)высокая износостойкость, обеспечивающая срок службы выключателей до 25 лет при минимальных эксплу­ атационных затратах;

3)быстрое восстановление электрической прочности междуконтактного промежутка;

4)полная взрыво- и пожаробезопасность, отсутствие вы­ бросов продуктов горения дуги в окружающее простран­ ство;

5)высокое быстродействие, обусловленное малой мас­ сой контактов и их малым ходом;

6) широкий диапазон рабочих температур— от 70 до

+200 °С.

К недостаткам можно отнести: возникновение больших

трудности при создании выключателей на номинальное на­ пряжение 100 кВ и выше, когда приходится соединять не­ сколько разрывов последовательно; сложность разработки и изготовления, большие затраты для организации произ­ водства. Тем не менее при массовом производстве себесто­ имость вакуумного выключателя приближается к себестои­ мости маломасляных и электромагнитных. При напряжении до 35 кВ вакуумный выключатель является наиболее пер­ спективным, особенно при отключении больших токов вы­ сокой частоты.

При массовом производстве вакуумные выключатели всего на 5— 15% дороже маломасляных и дешевле электро­ магнитных. Экономия эксплуатационных расходов обус­ ловливает все более широкое распространение вакуумных выключателей (в Японии 50 % всех выключателей вакуум­ ные).

1S.9. СИНХРОНИЗИРОВАННЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Во всех рассмотренных выше выклкнателях расхождение контак­ тов может начинаться при любом значении коммутируемого тока.

Энергия, выделяемая в дуговом промежутке выключателя любого типа, определяется уравнением

'д

Ад — | ua idt,

о

где «я—мгновенное значение напряжения на дуге; I—мгновенное зна­ чение тока в дуге; /д — время горения дуги.

Интеграл берется за каждый полупериод, после чего энергия сум­

этом усложняется конструкция выключателей, увеличиваются их габа­ ритные размеры и масса. Кроме того, с ростом энергии Лд увеличивает­ ся износ контактов. Даже применение металлокерамических контактов не решает этого вопроса при большом числе отключений.

Режим отключения можно значительно облегчить, если ограничить выделяемую в дуге энергию. Это достигается синхронизацией момента

Рис. 18.30. Синхронизированное отключение цепей высокого напряжения:

а —структурная схема синхронизированного выключателя; б—к пояснению ме­ тода синхронизации

начала расхождения контактов с моментом прохождения тока через нуль при высокой скорости движения контактов. Структурная схема одного из вариантов синхронизированного выключателя представлена на рис. 18.30. Трансформатор тока ТА питает синхронизатор 1, который выдает запускающий импульс 1,5—2 мс до момента прохождения то­ ка через нуль. К этому моменту расстояние между контактами должно быть достаточным для надежного гашения дуги. При этом энергия, выделяемая при расхождении контактов, уменьшается в 10—50 раз. Уменьшается не только время горения дуги (до 1,5—2 мс), но и макси­ мальное значение тока в дуге (до 0,21т). Все это создает благоприят­ ные условия для гашения дуги при первом прохождении тока через нуль.

На логический элемент 3 подаются сигналы от синхронизатора 1

ирелейной защиты 2. Сигнал на выходе этого блока появляется при наличии сигнала от релейной защиты. От логического элемента 3 по­ дается сигнал в систему оптической передачи 4—6. Сигнал по волокон­ ному световоду 5 поступает на фотоприемник 6, в качестве которого используются фотодиоды либо фототиристоры. Сигнал приемника б используется для управления индукционно-динамическим приводом 7 8, обеспечивающим необходимую скорость подвижного контакта 9 вы­ ключателя.

Принцип действия индукционно-динамического привода следующий. От источника питания ИП через трансформатор Т и диод заряжается конденсаторная батарея с емкостью С=100н-300 мкФ и напряжением батареи 3—5 кВ. При поджиге трехэлектродного разрядника 10 кон­ денсатор разряжается на катушку 7, расположенную вблизи диска 8, изготовленного из материала с очень малым электрическим сопротивле­ нием. Диск жестко связан с подвижным контактом 9. Разряд батареи имеет колебательный характер с частотой 1—5 кГц. Под действием магнитного поля катушки, изменяющегося с такой частотой, в диске наводятся вихревые токи. Эти токи взаимодействуют с током катушки

исоздают силу, отталкивающую диск от катушки. Диск жестко связы­ вается с подвижным контактом. Сила, действующая на диск,

dM Р — г'кат ^диск dx

где М — взаимная индуктивность катушки и диска; х — перемещение диска.

Приведем некоторые приближенные расчеты. Пусть для надежного гашения дуги необходимо, чтобы подвижный контакт переместился на расстояние Лк=30-ь40 мм за время t= 1,5ч-2 мс. Примем, что движе­ ние контакта равноускоренное и его масса составляет ш=3 кг.

Тогда ускорение контакта

Скорость контакта к концу хода

V= at = 3,76-104-1,5-10—3 = 56,5 м/с.

Сила, необходимая для его перемещения,

Р = та = 3-3,76-104= 11,3-Ю4 Н.

Описанный индукционно-динамический привод обладает очень вы­ соким быстродействием.

Для повышения быстродействия диск привода связан с подвижным контактом без каких-либо промежуточных передач. Время передачи импульса от синхронизатора до трехэлектродного разрядника составля-