Разрядные напряжения для промежутков в сжатом воздухе

Существенное влияние на статистические характеристики разрядных напряжений оказывают пыль, волокна и другие загрязняющие частицы, попадающие в изоляционные промежутки и на поверхность контактов (электродов) в процессе изготовления и сборки и заполнении ВВ воздухом. Разброс разрядных напряжений увеличивается с повышением давления газа, зависит от размеров поверхности электродов и напряженности поля в ее отдельных точках, поэтому выбор рабочих напряженностей определяется после испытаний полномасштабных макетов и опытных образцов элементов ВВ.

Электрическая прочность воздуха при атмосферном давлении.Нормированные требования к координации внешней изоляции ВВ (см. Приложении 1) требуют некоторых пояснений по электрическим свойствам воздуха при атмосферном давлении. В первом приближении, при оценке воздушных промежутков, можно пользоваться экспериментальными данными (рис. 3.5-3.6) [8].

Рис. 3.5. Действующее значение пробивного напряжения

воздушных промежутков при частоте 50 Гц

Рис. 3.6. Импульсные пробивные напряжения в воздухе при положительной (+)
и отрицательной (–) полярности полного импульса 1,5/40 мкс

Согласно нормированным импульсному испытательное напряжение при полном импульсе U_{р. имп} и пробивному напряжениию промышленной частоты U_р, с учетом коэффициента запаса 1,05-1,1,можно определить требуемые воздушные промежутки l_i между частями ВВ, находящимися под напряжением. Для оценки внутренней газовой изоляции необходимо иметь экспериментальные данные по зависимости U_р /l от давления и распределение электрического поля в межконтактном промежутке ДУ с учетом влияния внутренних и внешних экранов ВВ [4].

3.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНЫХ
ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Основным требованием при выборе оптимальных параметров ДУ является обеспечениие требуемой отключающей способности, при заданных ПВН, а также надежность функционирования в эксплуатации, при минимальном массовый расход газа из камеры высокого давления ДУ. Наибольшее распространение для газовых (воздушных и элегазовых) ДУ получили системы продольного газового дутья, приведенные на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Системы продольного газового дутья

Основными конструктивными параметрами такой системы одностороннего дутья (см. рис. 3.7, а) с давлением вверх по потоку p₀ (высокое давление) и с внешним давлением p_b (низкое давление) являются: диаметр (критический) горловины d_c сопла, расстояние x₀между критическим сечением сопла и оконечностью контакта 1 вверх по потоку, расстояние между контактами x, геометрия оконечностей контактов 1, 2 и их размеры, параметры конфузора К и диффузора D.

Оптимальные условия гашения дуги в системах продольного дутья ДУ зависят от геометрических параметров входной части сопла (конфузора сопла К), которые должны удовлетворять двум основным требованиям: форма потенциального поля течения газа должна быть аэродинамически оптимальной, обеспечивающей лучшие условия коаксиальной стабилизации потоком ствола дуги 3; форма электрического поля в межконтактном промежутке должна быть оптимальной, обеспечивающей максимальную электрическую прочность холодного межконтактного промежутка (без дуги).

В системе двухстороннего дутья (рис. 3.7, б)массовый расход газа в два раза выше, чем в ДУ одностороннего дутья (рис. 3.7, а), однако отключающая способность ДУ возрастает лишь в 1,4-1,6 раза. Так как горение и гашение дуги отключения неразрывно связано с газодинамическими характеристиками сопловых конструкций ДУ, то в данном случае (в системе двухстороннего дутья) в середине межконтактого промежутка x₀ образуется зона торможения (область стагнации). Так как скорость в зоне стагнации мала, то замедляются процессы распада остаточного ствола дуги и восстановления электрической прочности после перехода тока через нулевое значение. Для исключения этого явления длина x₁ (рис 3.7, б)конфузоров сопел 1,2 должна быть ограничена.

При выборе оптимальных параметров диффузоров дутьевых сопелобычно принимают число Маха на выходе М = 1,5-2, а угол расширения
2α= 12-20° (более подробно см. Приложение 6).

Для повышения эффективности использования массового расхода воздуха из камеры высокого давления ДУ используют системы несимметричнго дутья (рис. 3.7, в), где в неподвижном контакте 1 выполнено дополнительное сопло с критическим диаметром d_вс (оптимальное соотношение площадей сечений S_BC/S_C ≈ 0,25). При этом оптимальное относительное расстояние х_o /d_c для систем одностороннего (рис. 3.7, а)и несимметричного (рис. 3.7, в) дутья составляет

Рассмотрим конструкцию ДУ с несимметричным дутьем (рис. 3.8) для выключателя серии ВВБК. Межконтактный промежуток образован двумя неподвижными соплообразными контактами 2 и 3. Во включенном положении цепь тока создается подвижной контактной траверсой 1,приводимой в действие при отключении и включении пневматическим механизмом. С последним сопряжен главный дутьевой клапан 6 и пневматический механизм 5 управления клапаном дополнительного дутья через канал 4. В процессе отключения (после открытия дутьевого клапана и последующего размыкания контактов) дуга потоком воздуха и электродинамическими усилиями, возникающими в токоведущем контуре, перебрасывается в область дутьевого сопла, где происходит ее гашение.

При отключении больших токов сопло 3 дополнительного дутья в течение большей части полупериода тока закупорено дугой. Непосредственно в конце полупериода вступает в действие система дополнительного дутья, что вызывает более интенсивный распад остаточного ствола у оконечности контакта 3 и создает более благоприятные условия для гашения дуги.

Рис. 3.8. Конструкция ДУ с несимметричным газовым дутьем

Взаимодействие дуги отключения с газовым потоком в ДУ.Интенсификация взаимодействия электрической дуги отключения и газового потока — важный фактор для увеличения отключающей способности в газовых ДУ. Обычно выделяют три зоны взаимодействия (см. рис. 3.9): область вверх по потоку 0 – 1 (область между критическим сечением сопла 4 и контактом вверх по потоку 1), горловина сопла (критическое сечение сопла 4) и область вниз по потоку (диффузор сопла 4 и зона до второго контакта 5).

В начальной фазе восстановления электрической прочности межконтактного промежутка ДУ после нуля тока (в фазе теплового пробоя) происходит взаимодействие остаточного следа электрической дуги отключения 2 и газового потока в области горловины сопла. При этом удельный массовый расход газа является предельным, и обеспечивается интенсивная теплоотдача за счет аксиальной конвекции и высокого уровня радиальной турбулентной теплопроводности в пограничном слое 3 в области нуля тока (см. рис. 3.9).

Зона вверх по потоку имеет доминирующее влияние на диэлектрическую фазу восстановления электрической прочности межконтактного промежутка после нуля тока, так как горячий газ остается в области вверх по потоку (в зоне стагнации контакта 1), когда волна переходного восстанавливающегося напряжения имеет предельные значения. Аксиальный профиль давления в этих зонах и уровень возмущения в газовом потоке (интенсивность турбулентности в пограничном слое 3) определяют уровень отключающей способности в этих фазах восстановления.

Рис. 3.9. Зоны взаимодействия дуги с газовым потоком

Для газового ДУ одностороннего дутья с двумя ступенями давления не наблюдается повышения уровня тепловой отключающей способности с увеличением расстояния между горловиной сопла и контактом вниз по потоку. В конструкциях ДУ, при отключении предельных токов КЗ, имеется термодинамическая блокировка критического сечения сопла, что негативно влияет на процесс восстановления электрической прочности межконтактного промежутка. Поэтому окончательный выбор критического сечения сопла и исходного высокого давления в камере ДУ определяется максимальным диаметра дуги отключения и заданными сетевыми условиями (характеристиками ПВН).

Газодинамика соплового канала. При анализе процессов после нуля тока принято выделять процесс тепловой фазы пробоя, когда остаточный ток и высокая температура инициируют пробой межконтактного промежутка по следу остаточной плазмы и диэлектрической фазы пробоя, когда промежуток относительно охлажден, и остаточный ток отсутствует. Тогда процесс пробоя промежутка связан с параметрами газа между контактами. Применительно к системам продольного дутья пробой определяется газодинамическими характеристиками соплового канала (см. Приложение 6). Расчетные методы (см. Приложение 6) позволяют получить параметры потока для стационарного одномерного процесса в сопловом канале без теплообмена (адиабатный). Кривые М(х) и р(х)/p₀ для воздушного потока приведены на рис. 3.9. Следовательно, электрическая прочность промежутка (при анализе диэлектрической фазы пробоя) определяется газодинамическими характеристиками потока. Экспериментальные исследования показывают, что временные зоны (условные границы) между тепловой фазой пробоя и диэлектрической фазой пробоя составляют для воздушных дугогасительных устройств сотни микросекунд (для элегазовых — десятки микросекунд) и определяются как параметрами газовых ВВ, так и жесткостью сети.

3.4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Под системой управления воздушными ВВ понимается совокупность элементов и устройств, обеспечивающая выполнение выключателем нормированных циклов. Аварийность систем управления ВВ в эксплуатации достаточно высока, так как от ВВ требуется повышенное быстродействие при наличии значительных распределенных масс элементов конструкции систем управления и контактных систем. ВВ имеют сложную систему клапанов силовой пневмомеханики для передачи командного силового импульса управления на высоких потенциалах, значительное количество подвижных уплотнительных соединений, работающих при больших динамических и температурных нагрузках. Необходимость в синхронизации работы (минимизация времени разброса при выполнении операции «отключение») отдельных разрывов (модулей) ВВ при выполнении нормированных циклов требует периодического контроля за функционированием системы управления ВВ.

На рис. 3.10 представлена принципиальная схема управления воздушным ВВ типа ВВБ 110 кВ [8].

При подаче команды на отключение якорь управляющего электромагнита КО открывает пусковой клапан 1 и подает сжатый воздух под поршень управляющего клапана 2, который после срабатывания соединяет бак со сжатым воздухом 3 с изолирующим воздухопроводом 4. На высоком потенциале, на конце воздухопровода установлен клапан 5. Этот клапан срабатывает от пневматического управляющего импульса и подает сжатый воздух под поршень дутьевого клапана 6, который поднимает траверсу 8, обеспечивая размыкание контактов 7.

Для ВВБ сверхвысокого напряжения обычно используется механическая система управления (силовой сигнал передается на высокий потенциал через стеклопластиковую тягу, принимая во внимание тот факт, что скорость звука по стеклопластику более чем в три раза выше, чем в воздухе, поэтому время передачи импульса управления будет меньше).

Рис. 3.10. Принципиальная схема управления воздушным выключателем
типа ВВБ 110 кВ

Упрощенная схема прохождения импульса управления (см. рис. 3.10) для функционирования ДУ не отражает полной (реальной) системы управления ВОВ, поэтому рассмотрим более подробно некоторые особенности управления ВОВ на примере принципиальной электропневматической схемы отечественного воздушного выключателя ВВБ -110 кВ (рис. 3.11).

Два ДУ одностороннего газового дутья, каждый из которых имеет неподвижный контакт 4, подвижный контакт 2, металлическое сопло с конфузором 6 и противоэлектрод 7, симметрично расположены в центре металлической камеры высокого давления 1. Подвижные контакты 2, укрепленные на контактной траверсе 3, а в неподвижных контактах 4 расположены контактные ламели. Контакты 4 укреплены на внутренних частях вводов 5. Конфузоры сопел 6 предназначены для экранирования контактов 2 в отключенном положении, переброса дуги с токоведущих на дугогасительные контакты (конечное расположение дуги отключения — оконечность контакта 4 и противоэлектрод 7), для формирования потока сжатого воздуха перед входом в горловину сопло 6.

На вводах укреплены шунтирующие сопротивления 8 и неподвижные вспомогательные контакты 9. Подвижные вспомогательные контакты 10 размещены под вводами.

Рис. 3.11. Принципиальная электропневматическая схема
воздушного выключателя ВВБ-110 кВ

При отключении ВВ подается командный импульс на электромагнит отключения 11, который открывает пусковой клапан 13 системы пневмоуправления ВВ, расположенной на баке высокого давления 12. Открытие пускового клапана 13 вызывает открытие выходного клапана 14, и сжатый воздух из бака 12 попадает по изолирующему воздухопроводу 15 в пневматические устройства, расположенные на высоком потенциале и управляющие работой клапанных систем и контактов. При этом открывается дутьевой клапан 16, и через шток 17 поднимается вверх траверса 3, размыкая тем самым контакты 2 и 4. Ход контактной траверсы несколько больше хода дутьевого клапана 16. После его остановки, когда выходное сечение полностью открыто, шток 17 контактной траверсы вместе с траверсой 3 продолжает движение за счет сил инерции, а также разности давлений по обе стороны поршня 18 и действия фиксирующего механизма. Дуга, загоревшаяся на оконечности подвижных контактов (ножей) 2 и нижней паре дугоулавливающих ламелей контактов 4, перебрасывается за счет потока сжатого воздуха и электродинамических усилий на противоэлектрод 7, а также оконечность неподвижных контактов 4 и гасится потоком сжатого воздуха, вытекающего из камеры в атмосферу через горловину сопел 6 и открытый дутьевой клапан 16. После гашения дуги траверса с ножами 2 остается в отключенном положении. Контактная траверса 18 в отключенном и включенном положениях фиксируется специальным механизмом, который состоит из трех шарнирных роликовых рычагов 20, расположенных равномерно по окружности и поддерживаемых сильной пружиной. Ролики упираются в специальный круговой выступ 19 на штоке траверсы. Усилие фиксатора максимально в крайних положениях и равно нулю в промежуточном положении. В конце хода на отключение шток с траверсой тормозится пневматическим демпфером. Примерно через 0,035 сек после размыкания контактов — размыкаются вспомогательные контакты 9 и 10, а возникшая между ними дуга с током, ограниченным шунтирующими сопротивлениями 8, гасится потоком сжатого воздуха, вытекающего в атмосферу через внутренние полости в контактах 10 и выхлопные козырьки 21. После гашения дуги контакты 10 остаются в отключенном положении.

При включении ВВ срабатывает электромагнит включения, закрывает выходной клапан 14, и тем самым сбрасывает воздух из воздухопровода 15. Контакты 2 включаются под действием давления на поршень 18 контактной траверсы, а вспомогательные 10 — под действием своих включающих пружин.

Модернизация воздушных ВВ и их элементной базы внесла значительный вклад в развитие высоковольтного аппаратостроения и дальнейшее совершенствование газовых (элегазовых) выключателей.

4. ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ