Конструктивные схемы дугогасительных устройств

Значительно лучшая, чем у воздуха, дугогасительная способность элегаза позволяет отключать в нем в 70—100 раз большую мощность при отсутствии дутья. Однако этот способ гашения дуги неэффективен, так как даже в элегазе не удавалось отключать при высоких напряжениях значительные токи.

Это связано с обратными термохимическими процессами на периферии ствола дуги и за ее пределами, при которых энергия, затраченная на диссоциацию молекул, высвобождается вновь. При малых токах выделившаяся в дуге энергия еще настолько мала, что она полностью успевает отводиться от дуги естественным образом. Но при больших значениях тока естественной конвекции уже недостаточно для отвода выделяющегося в дуге тепла. Обратные термохимические процессы происходят в непосредственной близости от ствола дуги, повышая ее температуру и диаметр ствола. Поэтому для гашения мощной дуги в цепи высокого напряжения необходимо интенсифицировать отвод тепла от дуги.

Наиболее распространенным способом усиления отвода тепла от дуги в аппаратах высокого напряжения является дутье. При дутье со звуковой скоростью постоянная времени дуги в элегазе более чем на два порядка ниже, чем при его отсутствии. Известны следующие способы организации дутья: дутье из резер вуара высокого давления; дутье, возникающее при тепловом расширении элегаза; дутье из-под поршня; возможно гашение дуги, перемещающейся в неподвижном элегазе силами магнитного поля; ограниченно применяется способ гашения дуги при простом разведении контактов; принципиально возможно гашение дуги в жидком элегазе.

Во всех конструкциях элегазовых аппаратов предусмотрена хорошая герметизация и работа по замкнутому циклу, что обеспечивает определенные преимущества, заключающиеся в отсутствии выброса в атмосферу горячих газов и пламени, практическом отсутствии шума при отключениях, отсутствии конденсата на поверхности твердых изоляционных материалов и т. д.

Способ гашения дуги в потоке, возникающем при тепловом расширении элегаза под действием вспомогательной дуги, был использован в первом экспериментальном злегазовом выключателе на напряжение 115 кВ и мощность отключения 1 ГВ-А, который был построен фирмой «Вестингауз» в 1955 г. Дугогаси-тельное устройство этого выключателя размещается в фарфоровом изоляторе. Оно состоит из двух идентичных элементов, один из которых показан на рис. 4-1.

Дуга, возникающая при отключении на контакте 4, нагревает газ, находящийся в камере, вследствие чего давление повышается. Под действием этого давления образуется дутье, которое при выходе контакта 2 из сопла 3 вызывает погасание дуги в момент перехода тока через нуль.

Малые токи отключаются при простом разведении контак тов. Выключатель снабжен шунтирующим сопротивлением, обеспечивающим равномерное распределение напряжения по главным промежуткам. Вследствие этого предусмотрен изолирующий промежуток, образованный контактом 1, обладающий повышенной электрической прочностью, который одновременна способствует отключению емкостных токов без повторных пробоев.

В патентной литературе предлагаются выключатели с одним разрывом. Давление в камерах этих аппаратов вследствие теплового расширения повышается в то время, пока подвижный контакт закрывает отверстие сопла, выполненного из изоляционного материала.

Элегазовый выключатель с дутьем из резервуара высокого-давления принципиально не отличается от воздушного выключателя, где гашение дуги происходит в потоке воздуха. Но в воздушном выключателе отработанный газ выбрасывается в атмосферу, и его срабатывание сопровождается сильным звуковым эффектом, который исключает установку этого аппарата в густонаселенных районах. В элегазовых же выключателях от работанный газ поступает в резервуар низкого давления.

Одна из конструкций дугогасительного устройства выключателя с двумя системами давления показана на рис. 4-2. Оно содержит резервуар высокого давления 7 с клапаном 6, главный неподвижный контакт 5, дугогасительный контакт 4, подвижный контакт 2 и сопло 3, изготовленное из фторопласта-4. Дугогасительный электрод, несколько выступающий за пределы главного контакта, во включенном состоянии аппарата входит во внутреннюю полость трубчатого подвижного контакта 2. При отключении дуга быстро перебрасывается с главного контакта на дугогасительный электрод 4. Последний, а также конец подвижного контакта снабжены накладками из дугостойкого материала.

При отключении с помощью изоляционной тяги 8 на короткое время открывается клапан 6 и некоторое количество элегаза из резервуара высокого давления поступает в дугогасительную камеру и через сопло 3 и внутреннюю полость подвижного контакта 2 перетекает в бак низкого давления. В последнем давление элегаза выбирается из условия обеспечения необходимой электрической прочности. В соседнее дугогасительное устройство элегаз подается по изоляционной трубе

На рис. 4-3 приведена принципиальная схема выключателя с двумя системами давления, который фирма «Мерлен Жерен» применила в герметизированном распредустройстве. Выключатель на 245 кВ содержит два идентичных дугогасительных уст-

ройства с одним промежутком, находящимся в системе высокого давления.

Оба устройства объединены в единый дугогасительный комплекс с общей системой контроля и управления. Этот комплекс с помощью изоляторов 8 установлен на основании соосно с оболочкой бака 2 низкого давления.

жается до значения давления в баке 2 и под действием разности давлений подвижные контакты размыкаются. При этом на время, необходимое для гашения дуги, открываются клапаны Л, и возникающая между контактами 3 и 5 дуга обдувается двусторонним потоком элегаза, вытекающим через внутренние полости контактов в резервуар 2. Поскольку в объеме 1 элегаз находится под давлением p>=13*105 Па, для обеспечения необходимой дугогасительной способности и достаточной электрической прочности необходим междуконтактный промежуток небольшой величины. При включении аппарата клапаны В перебрасываются в положение «Вкл.», клапаны А остаются закрытыми.

Существуют и другие конструкции дугога-сительных устройств с двумя системами давлений, принципиально не отличающиеся от первой. Они будут рассмотрены при описании конструкций соответствующих выключателей. Во многих конструкциях элегазовых выключателей и выключателей нагрузки применяется дутье из-под поршня.

Аппараты, в которых гашение дуги происходит в потоке воздуха, созданном поршнем, механически связанным с подвижным контактом, известны с давних пор. Однако вследствие того, что под поршнем удавалось получить сравнительно небольшие давления рпя= = (2-6) • 105 Па, а также из-за невысокой дугогасительной способности воздуха область применения автопневматических выключателей ограничивается конструкциями на напряжения 6—20 кВ и на небольшие мощности отключения. По существу, это выключатели нагрузки.

Дугогасительная способность подобного устройства резко возрастает при замене воздуха элегазом. Сравнение гашения дуги в воздухе и в элегазе при дутье из-под поршня при одной и той же энергии, затрачиваемой на отключение, производил французский исследователь Вигрек. Он показал, что в элегазе ток отключения в 10 раз больше, чем в воздухе. Если же учесть, что в опытах с элегазом и возвращающееся напряжение было почти на порядок выше, то мощность отключения в элегазе при дутье из-под поршня почти в 100 раз превышает таковую в воздухе. В настоящее время разработаны элегазовые выключатели с указанным принципом гашения дуги на высшие классы напряжения и очень большие мощности отключения.

Разработаны и применяются разнообразные конструкции ду-гогасительных устройств с дутьем из-под поршня.

На рис. 4-4 приведена конструктивная схема автопневматического дугогасителя с подвижным металлическим цилиндром и изоляционным соплом. Во включенном положении аппарата подвижные главные контакты 4 плотно охватывают неподвижный трубчатый контакт 1. Ду-

гогасительныи контакт 6 находится во внутренней полости трубы. При отключении подвижная система, содержащая цилиндр 5, контакты 4 и 3 и камеру 2, опускается вниз. Объем между неподвижным поршнем 6 и дном цилиндра 5 сокращается, и давление в этой области повышается. Под действием этого давления возникает дутье, обеспечивающее гашение дуги, возникающей между контактами 3 и 1.

На рис. 4-5 приведена схема автопневматического дугогасителя с подвижным изоляционным цилиндром.

Неподвижные трубчатые контакты 3 дугогасителя, установленные строго на одной оси, смонтированы на фланцах 1 и 9, которые механически связаны между собой изолятором 2. Свободные концы контактов снабжены дугогаси-тельными соплами, через которые при отключении происходит истечение элегаза. Необходимый для гашения дуги поток элегаза создается в процессе отключения подвижным цилиндром с днищем из изоляционного материала 4, с которым при помощи обоймы 6 жестко связан подвижный контакт 5 с подпружиненными контактными пальцами. На рисунке подвижная система показана в двух положениях: в положении «включено» (выше оси устройства) и в положении «отключено» (ниже оси).

Во включенном положении аппарата неподвижные контакты •3 перемыкаются подвижным контактом 5. При отключении подвижная система, содержащая цилиндр 4 и контакты 5, перемещается вправо. В объеме между цилиндром 4 и неподвижным поршнем 8 возникает повышенное давление. Начальное давление в камере, уровень утечек, скорость подвижной системы и

объем сжатия выбираются таким образом, чтобы к моменту размыкания контактов и, следовательно, возникновению дутья в камере имелся объем сжатого элегаза, достаточный для обеспечения надежного гашения дуги при заданном токе отключения. Дуга при размыкании контактов возникает между графитовым наконечником 7 и элементом контакта 5. И, поскольку в процессе гашения дуги ее опорные точки находятся на графитовых наконечниках 7, твердых пылевидных продуктов (фторидов металлов) не образуется. Возникающее в небольших количествах газообразное соединение CF4 не изменяет

изоляционных и дугогасительных свойств элегаза. Время существования дуги в зависимости от момента ее возникновения колеблется в пределах от 5 до 15 мс. В положении «отключено» между контактами 3 и 7 образуется чисто газовый промежуток.

В патентной литературе приводятся конструкции выключателей с гашением дуги в жидком элегазе. На рис. 4-6 приведена одна из предложенных конструкций дугогасительного устройства. Гашение дуги в нем происходит почти так же, как и в масляном выключателе.

Дугогасительное устройство заключено в металлический резервуар 3, по торцам которого установлены вводы 1. На одном из вводов может быть смонтирован трансформатор тока 2.

При отключении сначала размыкаются контакты 10 и 7 и образуется вспомогательная дуга 9, которая разлагает некоторое количество элегаза, вследствие чего в камере 6 к моменту образования главной дуги 5 создается высокое давление. Под действием этого давления, а также давления, возникающего при разложении элегаза дугой 5, горящей между контактами 7 и 4,

из камеры 6 происходит интенисивное истечение газовой смеси

обеспечивающей гашение дуги 5 при переходе тока через нуль. Отработанный газообразный элегаз сжижается, а продукты разложения (сера и фтор) рекомбинируют, образуя исходный продукт — элегаз. В другой конструкции камеры дугу предлагается гасить струей жидкого элегаза, причем 197 см3 жидкого элегаза достаточно для гашения дуги с током 50 кА. г

Отмечается, что выключатели с жидким элегазом могут иметь отключающую способность, в несколько раз большую, чем с газообразным элегазом. В настоящее время таких выключателей еще не существует, но следует ожидать появление публикаций об их конструктивном исполнении.

На рис. 4-7 и 4-8 показано конструктивное исполнение дугогасительных устройств с магнитным гашением дуги в неподвижном элегазе.

В первом из описываемых устройств встречно включенные катушки создают нормальную дуге составляющую магнитного поля, которая заставляет вращаться дугу так, что ее опорные точки, перемещаясь по электродам, описывают круговые траектории.

Катушки обтекаются током только в процессе отключения, что позволяет принимать небольшое сечение провода. Во включенном состоянии аппарата катушки зашунтированы, причем шунтирование и последовательное их соединение при отключении аппарата осуществляется посредством переключающего устройства, состоящего из розеточных контактов 1 и 14, подвижного и неподвижного контактов переменного диаметра 2 и 15 и корпусов 5 и 13. В этом состоянии аппарата неподвижный контакт 2 отжат подвижным контактом 9 вверх и его расширенная часть входит в контакт 1; одновременно расширение нижней части подвижного контакта 15 входит в контакт 14. Путь тока, таким образом, будет следующим: контакт 2, контакт /, корпус 5, контакт 6, контакт 9, контакт 8, корпус 13, контакт 14, нижняя часть подвижного контакта 15. При отключении аппарата расширения контактов 2

5.3.2. Элегазовые выключатели

Физико-химические свойства элегаза. Шестифтористая сера SF6 — элегаз, относится к «электроотрицательным» газам, получившим такое название из-за способности их молекул захватывать свободные электроны, превращаясь в тяжелые и малоподвижные отрицательно заряженные ионы. Элегаз при нормальной температуре (20°С) и давлении 0,1 МПа представляет собой газ без цвета и запаха. Плотность его почти в 5 раз выше плотности воздуха, скорость звука в нем при температуре 30°С — 138,5 м/с (330 м/с в воздухе). Элегаз обладает низкой теплоемкостью в канале столба дуги и повышенной теплопроводностью горячих газов, окружающих столб дуги (2000 К). Это характеризует элегаз как среду, обладающую высокими теплопроводящими свойствами. К недостаткам элегаза следует отнести его низкую температуру сжижения (-64°С) при давлении 0,1 МПа, которая с повышением давления повышается. Чистый элегаз негорюч, инертен, нагревостоек до 800°С. Под влиянием электрической дуги или коронного разряда происходит разложение элегаза с образованием химически активных соединений, которые могут вызвать разрушение изоляционных и конструкционных материалов. Однако степень разложения элегаза под воздействием электрической дуги в дугогасительной камере низка из-за того, что большое количество разложившегося газа немедленно восстанавливается в элегазе. Газообразными продуктами разложения являются низшие фториды сред SF2, SF4. Хотя эти газы сами по себе не токсичны, но легко гидролизуются при взаимодействии с влагой, образуя фтористо-водородную кислоту и двуокись серы. Для их поглощения в элегазовые выключатели включаются фильтры, сорберы из активированного алюминия Аl2О3, которые поглощают как газообразные продукты разложения, так и влагу. Кроме активных газов во время горения дуги в результате реакции с парами материалов контактов дугогасителя образуются металлические фториды в виде тонкого слоя порошка. Обладая низкой электропроводностью, они не снижают электрическую прочность изоляции аппарата.

Дугогасительные устройства. В элегазовых выключателях гашение дуги происходит так же, как и в воздушных выключателях при интенсивном охлаждении дуги потоком газа. Дугогасительная способность элегаза в 4—4,5 раза выше, чем воздуха при сопоставимых условиях. Это преимущество объясняется различиями телофизических свойств элегаза и воздуха. Канал столба дуги в элегазе обладает меньшим теплосодержанием по сравнению с воздухом и высокой способностью элегаза захватывать свободные электроны. В результате количество носителей тока — свободных электронов — в столбе дуги вследствие этого уменьшается, баланс их может стать отрицательным и дуга гаснет. Явление захвата электронов особенно благоприятно сказывается после перехода тока через нуль, вследствие чего элегазовые выключатели мало чувствительны к частоте восстанавливающегося напряжения. Как показали исследования, в элегазе практически до естественного перехода тока через нуль не происходит разрушения канала столба дуги, обладающего высокой проводимостью. Это исключает возможность появления перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов и линий электропередач. В противоположность этому в воздушных выключателях интенсивными турбулентными процессами столб дуги может разрушаться раньше естественного перехода тока через нуль, что приводит к появлению перенапряжений, для ограничения которых воздушные выключатели снабжаются шунтирующими сопротивлениями.

В элегазовых дугогасительных устройствах (ДУ) в отличие от воздушных при гашении дуги истечение газа через сопло происходит не в атмосферу, а в замкнутый объем камеры, заполненный элегазом при небольшом избыточном давлении. По способу гашения дуги в элегазе различают следующие ДУ:

с системой продольного дутья, в которую предварительно сжатый газ поступает из резервуара с относительно высоким давлением элегаза (ДУ с двумя ступенями давления);

автокомпрессионные с дутьем в элегазе, создаваемым посредством встроенного компрессионного устройства (ДУ с одной ступенью давления);

с электромагнитным дутьем, в котором гашение дуги обеспечивается в результате ее перемещения с высокой скоростью в неподвижном элегазе по кольцевым электродам под воздействием радиального магнитного поля, создаваемого отключаемым током (ДУ с электромагнитным дутьем);

с системой продольного дутья, в котором повышение давления в элегазе происходит при разогреве дугой, вращающейся в специальной камере под воздействием магнитного поля.

Интенсивное газодинамическое воздействие потока элегаза на столб электрической дуги является наиболее эффективным способом гашения дуги. Поэтому оно используется в большинстве современных конструкций ДУ элегазовых выключателей. Гашение дуги происходит в соплах (рис. 5.6) потоком элегаза высокого давления (0,5—0,6 МПа) как при одностороннем (рис. 5.6, а), так и при двустороннем несимметричном (рис. 5.6, б) газовом дутье.

Основными параметрами системы продольного дутья являются: площадь сечения Sc или диаметр dc горловины сопла, относительное расположение контактов, определяемое расстоянием z0, геометрические размеры формы диффузоров и конфузоров дутьевой системы. Оптимальные условия гашения дуги в таких системах во многом определяются, как и в воздушных выключателях, геометрическими параметрами дутьевых систем и особенно входной части (конфузора).

В настоящее время в зарубежных энергосистемах большинство применяемых выключателей высокого напряжения — элегазовые. К сожалению, в отечественной энергетике выключатели этого типа пока не нашли широкого применения.

Конструкции элегазовых выключателей.

Фирма Merlin Gerin разработала элегазовый выключатель Fluarc FB4 на напряжение Uном = (7,2—36) кВ, номинальный ток отключения Iо.ном = 25 кА, номинальный ток Iном = (630—1250) А. Давление внутри корпуса 1,5 МПа, время гашения дуги 15 мс, полное время отключения 60—80 мс, срок службы — 20 лет.

На рис. 5.7 представлены полюс автокомпрессионного выключателя и положение механизма, соответствующее различным этапам отключения. Положение а соответствует нормальному включенному состоянию. Ток протекает по главным контактам 1, 2, дугогасительные контакты 3, 4 замкнуты. Ввиду того что они изготовлены из дугостойкой металлокерамики (CuW), токоведущий контур обладает большим сопротивлением. Поэтому через дугогасящие контакты, как правило, проходит ток не более 15—20 % Iном. Положение б соответствует началу процесса отключения. Подвижный поршень 5 совместно с подвижным главным контактом 1 и соплом 6 перемещается под воздействием приводных рычагов 7, 8. Этим создается избыточное давление в полости над поршнем по сравнению с объемом под поршнем. Ток из главных контактов 1, 2 перебрасывается в дугогасительную цепь контактов 3, 4. При дальнейшем перемещении поршня (положение в) происходит размыкание контактов 3, 4 с одновременным возникновением дутья через внутренние полости контактов 3, 4 — двустороннее симметричное дутье. При этом выделяющаяся энергия дуги разогревает элегаз, что приводит к повышению перепада давления и усилению интенсивности истечения газовой струи. После гашения дуги при дальнейшем перемещении поршня (положение г) продолжается вентиляция межконтактного промежутка, обеспечивающая необходимую электрическую прочность.

На рис. 5.II приведен разрез отечественного выключателя 110 кВ на номинальный рабочий ток 2000 А и номинальный ток отключения 40 кА серии элегазовых баковых выключателей типа ВГБ с автономным гидравлическим приводом и встроенными трансформаторами тока.

ЭЛЕГАЗОВЫЙ БАКОВЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ СЕРИИ ВГБ-35 (16/1200)

Выключатель предназначен для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах, в сетях трехфазного переменного тока частоты 50 Гц с номинальным напряжением 35 кВ. Выключатель представляет собой комплексный аппарат, состоящий из собственно выключателя, встроенных трансформаторов тока и привода.