Свойства сжатого воздуха

Общие вопросы. Как известно, при сжатии воздуха происходит его насыщение содержащимися в нем водяными парами, сопровождаемое их частичной конденсацией, вследствие чего электрические характеристики такого воздуха оказываются плохими. Поэтому в процессе воздухоподготовки эта смесь воздуха и водяных паров должна быть соответствующим образом обработана, с тем чтобы уменьшить содержание в ней вредных примесей либо химическим способом (адсорбцией, абсорбцией), либо осушением за счет расширения до такой степени, при которой в процессе эксплуатации выключателя не произойдет конденсации влаги на расположенные внутри него изолирующие детали.

Если бы не кислород, то сжатый воздух можно было рассматривать как химически инертный газ, совместимый практически с многими конструкционными материалами. Вместе с тем присутствие кислорода даже в сжатом состоянии не исключает применения большинства материалов, поскольку они в любом случае должны быть пригодны для работы в контакте с ним на протяжении длительного времени в процессе изготовления выключателя на заводе или при его хранении до установки на подстанции. Кроме того, низкое содержание в сжатом воздухе влаги и инородных примесей предотвращает коррозию, вызываемую электролитическими реакциями между различными металлами.

Важным свойством сжатого воздуха является легкость реализации его довольно большой потенциальной энергии. Учитывая специфические условия работы воздушных выключателей, все основные физико-химические свойства сжатого воздуха следует рассматривать применительно к следующим двум режимам работы: статическому, когда выключатель находится во включенном, или отключенном положении, и динамическому, когда потоки сжатого воздуха с большой скоростью перемещаются в электрически нагруженных зонах.

Электрические свойства сжатого воздуха в статическом состоянии. Одно из назначений сжатого воздуха в воздушном выключателе — это роль изолирующей среды, обеспечивающей необходимую электрическую прочность между элементами выключателя, находящимися под разными потенциалами (см. также гл. 12). Электрическая прочность промежутков в сжатом воздухе определяется электрическими свойствами сжатого воздуха в неподвижном состоянии. Поскольку у современных воздушных выключателей давление сжатого воздуха обычно превышает 1 МПа, а градиенты напряжения достигают 10— 20 МВ/м и выше, то электрическая прочность, по крайней мере, в наиболее нагруженных зонах не может быть определена на основании закона Пашена даже в тех простых (хотя и редких) случаях, когда электрическое поле в промежутке между электродами однородно. При разработке конструктивных схем воздушных выключателей должно быть учтено возможное снижение электрической прочности отдельных элементов из-за неоднородности электрических полей. Дальнейшее уменьшение электрической прочности происходит под влиянием ряда факторов, трудно поддающихся предварительному учету. К таковым в первую очередь относятся: шероховатость поверхностей электродов, макро- и микронеровности, зависимость свойств электронной эмиссии от материала электродов,

3. ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ВОЗДУШНЫМ ДУТЬЕМ

Принцип действия дугогасительных устройств (ДУ) воздушных выключателей.

Сжатый воздух является эффективной средой, обеспечивающей надежное гашение электрической дуги, что достигается интенсивным воздействием воздуха с максимально возможными скоростями потока на дуговой канал. В ДУ воздушных выключателей гашение электрической дуги происходит в дутьевых каналах (соплах), которые конструктивно в совокупности с оконечной частью контактов дугогасителя образуют дутьевую систему. Столб дуги, образовавшейся на размыкающихся контактах, под действием воздушного потока растягивается и быстро перемещается в сопла, где происходит гашение.

Этот способ гашения нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение. Осуществляется струей сжатого воздуха, выход которого осуществляется через сопло. Назначение воздуха - охлаждение дуги и механический разрыв дуги. Результатом является быстрое дугогашение, но при этом может наблюдаться срез тока.

Дуга, образующаяся между контактами, обдувается вдоль или поперек потоком воздуха под определенным давлением. Перемещающийся с большой скоростью (приближающейся к звуковой) поток воздуха удаляет из зоны дуги нагретые ионизированные частицы, замещая их другими, охлажденными. Температура ствола дуги резко падает, особенно в момент прохождения тока через нуль.

Одновременно происходит и механическое разрушение ствола дуги. Основное влияние на процесс гашения оказывают давление и скорость истечения воздуха, собственная частота отключаемой цепи, расстояние между контактами, площадь выходного отверстия и направленность струи.

Как уже указывалось, с ростом давления падает степень ионизации, с ростом скорости увеличивается интенсивное охлаждение ствола дуги. Поэтому с ростом давления и скорости истечения потока воздуха повышаются интенсивность гашения и отключающая способность дугогасительного устройства.

Расстояние между контактами существенно сказывается на процессе гашения. Казалось, что увеличение расстояния между контактами должно улучшать условия гашения. В действительности для каждого значения давления существует оптимальное расстояние между контактами, при котором обеспечиваются лучшее гашение и максимальная отключающая способность. Уменьшение, как и увеличение, этого расстояния ухудшает гашение. При этом весьма часто минимальное по условиям гашения расстояние между контактами оказывается меньше требуемого по условиям электрической прочности, и после гашения дуги во избежание пробоя промежутка необходимо принять меры к доведению расстояния между контактами до значения, определяемого требованиями электрической прочности. Это достигается перемещением дополнительных, последовательно включенных контактов, применением многократного разрыва, где каждый разрыв имеет расстояние между контактами, оптимальное по условиям гашения, а суммарное расстояние всех разрывов обеспечивает электрическую прочность; применением отделителей и другими способами.

При решении этого вопроса важна скорость движения контактов, т.к. если контакты подойдут к оптимальному расстоянию в момент максимума тока, то тем самым затянется дугогашение. Поэтому не всегда нужна максимальная скорость.

С увеличением выходного отверстия растет скорость истечения потока воздуха, условия гашения улучшаются.

Рис. 6-20. Схема охлаждающего действия продольного дутья

1 — неподвижный контакт, 2 — ствол дуги; 3 — стенки сопла; 4 — подвижный контакт; р_к — давление в камере; р_б — давление вне камеры (в баке)

По отношению к стволу дуги поток воздуха может быть поперечным — поперечное воздушное дутье (рис. 6-19, а), продольным — продольное воздушное дутье (рис. 6-19, 6 — е) и продольно-поперечным — продольно-поперечное дутье. Продольное и продольно-поперечное дутье может быть односторонним и двусторонним.

Поперечное дутье является весьма эффективным способом гашения, но имеет существенные недостатки.

Достоинства: 1. Интенсивное дутье.

2. Можно погасить большие токи.

Недостатки: 1.Массивность: работа камер связана с большим расходом воздуха и большим износом поперечных изоляционных перегородок 2 (рис. 6-19).

2. Камеры оказываются достаточно сложными. Такое дутье применяется при напряжении до 20 кВ и токах отключения до 120 кА.

Свободно- струйные камеры.Обгорание рабочих поверхностей, понижение давления в отдельных местах.

Продольное дутье нашло преимущественное распространение за счет своей простоты и надежности, малого износа камер. Эффективность этого способа гашения заключается в следующем. Сама камера находится в закрытом баке. Давление в камере много выше давления в баке. Вытекая из камеры под давлением 1—4 МПа, газовый поток направлен вдоль дуги. В сопле (рис. 6-20), где этот поток тесно соприкасается с дугой и проникает в нее. образуются два потока [36] — поток холодного воздуха с температурой примерно 0,3-10³К и скоростью истечения v_x =330 м/с и поток горячего воздуха с температурой до 15*10³К и скоростью истечения до v_r = 2500 м/с. На границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение, схематично изображенное на рисунке (v_турб). Перемешивание потоков и обеспечивает чрезвычайно интенсивный отбор теплоты от ствола дуги.

Установлено, что при охлаждении потоком воздуха отвод теплоты с единицы длины (1 см) ствола дуги до 12 раз больше, а с единицы объема (1 см³) плазмы до 10⁴ раз больше, чем при охлаждении дуги в спокойном воздухе.

При больших токах теплота из дугового ствола переносится в основном за счет перемещения плазмы (объемное охлаждение). При малых токах, в том числе и в области перехода тока через нуль, отвод теплоты происходит в основном за счет конвекции и излучения.

Следует отметить, что для эффективного гашения весьма существенное значение имеет положение дуги в сопле. Она должна находиться в центре сопла и охлаждаться со всех сторон.

Недостатком является обгорание контактов и трудности с удалением ионизированых газов.

В настоящее время применяют одностороннее дутье (один поток сжатого воздуха в дугогасительном разрыве), в котором дуга подвергается однонаправленному потоку, и двусторонее дутье, в которых сжатый воздух при подходе к системе двух сопел одинакового сечения раздваивается на два противоположных потока.