Электрические свойства.

Элегаз является “электроотрицательным” газом. Его молекулы обладают способностью захватывать электроны. При этом образуются малоподвижные, тяжелые отрицательные ионы, которые медленно разгоняются элек­трическим полем. Благодаря этому элегаз обладает высо­кой электрической прочностью. При нормальном давлении прочность элегаза на 30% меньше, чем у трансформаторного масла. При давлении 0,23 МПа раз­рядное напряжение в элегазе равно разрядному напряже­нию трансформаторного масла, по отношению к воздуху в однородном поле прочность в 2,5 раза больше.

Существует оптимальное значение давления (0,3-0,4 Мпа), при котором электрическая прочность максимальна. Т.о. не требуется высокого давления для создания выключателей и уменьшения их габаритов.

Высокая электрическая прочность элегаза позволяет сократить изоляционные расстояния, уменьшить давление, что дает значительный выигрыш в габаритных размерах и массе аппаратов и распредустройств. Следует отметить, что для максимального использова­ния высокой прочности элегаза электрическое поле в аппа­ратах должно быть однородным. Дело в том, что в неодно­родном поле возникает корона. При наличии короны про­исходит разложение элегаза на низшие фториды, действую­щие неблагоприятно на многие конструкционные материа­лы, используемые в ДУ. В связи с этим поверхность метал­лических экранов, выравнивающих электрическое поле, дол­жна быть гладкой. Грязь, пыль, особенно металлические частицы на поверхности экранов, создают локальную неод­нородность поля, ухудшающую работу элегазовой изоля­ции.

Стоимость элегаза зависит от объема его производства и при сравнимых электрических характеристиках лишь немного дороже масла, но при этом имеет меньшие эксплуатационные расходы.

ГАШЕНИЕ ДУГИ.

В элегазовых выключателях гашение дуги происходит, так же как и в воздушных выключателях, за счет интенсив­ного охлаждения дуги потоком газа. Дуго­гасительная способность элегаза в 4,5—5 раз больше, чем при воздушном дутье при одинаковых условиях. Указанное преимущество объясняется главным образом составом плазмы и температурной зависимостью теплоемкости, теп­лопроводности и электропроводности от температуры. При разложении (диссоциации) многокомпонентной молекулы создаются низшие фториды серы SF2, SF4, атомы фтора и серы.

Особенностью элегаза является резкое увеличение теплоемкости при температуре 2000К в результате диссоциации молекул. Процесс диссо­циации заканчивается при температуре 4000К. В результа­те в области температур 2000—3000К теплопроводность плазмы почти на два порядка выше, чем воздуха. Появле­ние в плазме в результате диссоциации атомарной серы с низким потенциалом ионизации (10,4 эВ) приводит к то­му, что даже при температуре плазмы 3000К концентрация электронов достаточна для поддержания дугового разряда. При дальнейшем росте температуры теплопроводность плазмы сначала падает, достигая теплопроводности возду­ха, затем начинает снова расти. Диссоциация у воздуха наблюдается только при температуре 7000К.. Описанные выше процессы в элегазе приводят к тому, что напряжение и сопротивление стабильно горящей дуги в элегазе на 20— 30 % меньше, чем в воздухе.

Как показали исследования дуги, охлаждаемой элега­зом, в течение всего полупериода сопротивление дуги в элегазе меньше, чем в воздухе. Диаметры дуги при токе около 100 А в том и другом случае мало отличаются друг от друга и примерно равны 1 мм. При токе 40 А темпера­тура столба дуги в элегазе была равной 12 600, а в воздухе 10850 К. Были найдены постоянные времени дуги, которые составляли около 1 мкс. Таким образом, хорошие дугогаси­тельные свойства элегаза нельзя объяснить малой постоян­ной времени в середине полупериода тока.

Как показали результаты исследований, снижение тем­пературы столба дуги с 12 000 до 8000 К мало сказывается на сопротивлении дуги и росте электрической прочности промежутка. Когда температура столба становится ниже 7000 К, резко понижается концентрация электронов (менее 10¹⁵ см^-3), значительно падает удельная электрическая проводимость. При температуре 6000 К концентрация элек­тронов становится равной 10¹³ см^-3, резко падает степень ионизации серы и усиливается механизм захвата электро­нов свободным фтором, а также S молекулами элегаза и низшими фторидами.

Стабильность горения дуги в элегазе сохраняется до весьма малых значений тока и соответственно относительно низких температур. В результате в элегазовом выключате­ле отсутствуют срезы тока, которые могут приводить к воз­никновению больших перенапряжений при работе воздуш­ных выключателей.

Когда температура дуги становится ниже температуры полной диссоциации элегаза (4000 К), начинается процесс рекомбинации, атомарная сера химически связывается с фтором, количество серы и плотность электронов резко падают. Примерно в этой области температур имеется вы­сокая теплопроводность плазмы, которая способствует остыванию столба дуги, восстановлению электрической прочности промежутка. Большую роль играет удаление электронов за счет захвата их молекулами элегаза и ато­марным фтором.

Высокая дугогасящая способность элегаза объясняется его поведением в области нуля тока.

Благодаря физико-химическим свойствам элегаза тон­кий стержень дуги сохраняется на протяжении всего полу­периода, в том числе и при подходе тока к нулю. Дуга гас­нет в самый последний момент прохода тока через нуль.

Электрическая дуга в воздухе, имевшая такой же ради­ус дуги в течение всего полупериода, к концу полупериода под действием потока воздуха начинает увеличиваться в диаметре из-за турбулентности потока газа. Ток дуги может обрываться даже не доходя до нуля тока. Постоянная времени дуги, пропорциональная квадрату радиуса дуги, в воздушном ДУ увеличивается, а в элегазовом остается ма­лой. После прохода тока через нуль остаточный ствол дуги в элегазе продолжает интенсивно охлаждаться и электри­ческая прочность промежутка быстро нарастает. При до­стижении температуры 2000 К происходит интенсивное охлаждение дуги из-за роста теплоемкости плазмы.

В воздушном ДУ прочность промежутка в момент нуля тока выше, но скорость нарастания электрической прочно­сти после нуля ниже из-за большой постоянной времени дуги.

Начальная электрическая прочность у ДУ с возду­хом выше, чем у ДУ с элегазом, но скорость нарастания прочности в ДУ с элегазом значительно выше. Эксперимен­тально установлено, что выключатели с элегазом очень чувствительны к неудаленному КЗ при токе 0,9 I_ном- Это объясняется тем, что в этом случае восстанавливающееся напряжение имеет очень высокую частоту (кривая/). Про­бой возникает в точке а.

Воздушные выключатели особенно чувствительны к неудаленному КЗ при токе 0,75I_о,ном- В этом случае ампли­туда высокочастотной составляющей больше, а частота ниже (кривая 2). Пробой наступает в точке Ь.

Благодаря особенности гашения дуги в элегазе эффект термодинамической закупорки значительно меньше. На рис. 3.53 представлена зависимость перепада давления от расстояния между контактами для ДУ одностороннего дутья. Эта зависимость более полога, чем у воздушного вы­ключателя, что позволяет увеличить расстояние между контактами и поднять восстанавливающееся напряжение, приложенное к разрыву. Созданы ДУ с элегазом, отклю­чающие ток 40 кА при напряжении на разрыве 240 кВ.

В автокомпрессионных выключателях вследствие не­большого перепада давления не удается получить высокого значения восстанавливающейся прочности. Этот вопрос мо­жет быть решен путей повышения давления элегаза, под­нятия компрессии и других конструктивных мер. Но все они обходятся очень дорого. Отключающая способность ДУ с элегазом может быть увеличена путем прибавления в эле­газ гелия. При одинаковых парциальных давлениях удает­ся значительно поднять ток отключения. Так, при скорости восстановления напряжения 2000В/мкс ток отключения у ДУ с элегазом равен 14,5 кА, а в ДУ с элегазом и гелием 22 кА.

ВЫВОДЫ:

Достоинства:

1. Высокая электрическая прочность

2. Лучший хладагент по сравнению с воздухом

3. Химически устойчив до 800°С

4. Эффективно гасит дугу

Недостатки:

1. Высокая текучесть, что приводит к требованию качественных уплотнений.

2. Высокая температура сжижения элегаза заставляет использовать смеси газов или подогревать элегаз.

3. Жесткие требования к влажности: необходимость сушки и герметизации.

4. Высокие требования к однородности поля внутри конструкции.

СПОСОБЫ ДУГОГАШЕНИЯ В ЭЛЕГАЗЕ

I. При небольших мощностях применяется простой разрыв в элегазе

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 естест-венным 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.

II. Гашение за счет движения дуги

a. Выключателя с двумя ступенями давления

Эффективное гашение мощных дуг в элегазе возможно при воздействии потока газа на горящую дугу. Такое воз­действие можно осуществить за счет перетекания газа из бака высокого давления в бак низкого давления (выклю­чатель с двумя ступенями давления). ДУ такого выключателя подобно ДУ воздушного. Выключатели с двумя ступенями давления конструктивно сложны, требуют наличия автоматически включающегося компрессора для рекомпрессии газа из ступени низкого давления в ступень высокого. Требуется подогрев элегаза в баке высокого давления. Все это понижает надежность выключателя. В настоящее время такие выключатели при­меняются там, где время отключения требуется меньше 0,04 с и токи отключения достигают 60—80 кА

b. Автокомпрессионное дутье

При втором принципе выключатель заполнен элегазом при давлении 0,3—0,4 МПа. При этом обеспечивается высокая электрическая прочность газа и возможность работы без подогрева при температуре до —40 °С. В этом выключателе перепад давления, необходимый для гашения дуги, создается специальным компрессионным устройством, механически связанным с подвижным контактом аппарата. В процессе гашения получается перепад Dр=0,6ч-0,8 МПа. При этом обеспечиваются условия для получения критической скорости истечения и эффективного гашения дуги. Эти выключатели получили название автопневматических, или автокомпрессионных

c. Тепловое расширение элегаза

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

d. Магнитное дутье

гашение дуги, перемещающейся в неподвижном элегазе силами магнитного поля

III. Гашение дуги в жидком элегазе

.

В элегазовых выключателях применяются в основном два принципа гашения дуги. При первом электрическая дуга охлаждается элегазом при перетоке газа из резервуара высокого давления (около 2 МПа) в резервуар низкого давления (0,3 МПа), т. е. используется тот же принцип, что и в воздушном выключателе. Для того чтобы избежать перехода элегаза в жидкость при отрицательной темпера­туре (—40°С), бак высокого давления необходимо подогре­вать до температуры 12 °С. Следует сказать, что при пере­ходе элегаза в жидкое состояние уменьшается плотность газовой фазы и ухудшается его дугогасящая способность. Для подогрева газа служит автоматическая система, кото­рая сильно усложняет конструкцию выключателя.

.

На рис. 3 54 представлено ДУ автокомпрессионного вы­ключателя. С подвижным контактом 2 связаны перегород­ка 5 и сопло 3 и изоляционного дугостойкого материала —

фторопласта. Поршень 4 неподвижен. При отключении подвижный контакт / и связанные с ним жестко детали перемещаются вправо. Между контактами 1 к 2 загорается дуга. Элегаз, находящийся в ДУ при давлении 0,3— 0,4 МПа, сжимается между поршнем 4 и перегородкой 5 до давления 0,8—1,0 МПа. Возникает охлаждающий дугу поток газа, указанный стрелками. Через 0,02—0,03 с дуга гаснет.

Избыточное давление в ДУ получается за счет энергии привода. Ввиду того что работа, необходимая для сжатия газа и ускорения контактов, при отключении значительна, применяется пневматический привод.

Поскольку давление в ДУ, необходимое для гашения дуги, появляется в процессе движения контактов, такое ДУ не может обеспечить гашение дуги за 0,01 с.

Давление в ДУ выбрано небольшим (0,3—0,4 МПа), что позволяет обойтись без подогрева газа при температу­ре окружающей среды до —40 °С. В настоящее время авто­компрессионные ДУ получили преимущественное распрост­ранение.

В ДУ электромагнитного элегазового выключателя элегаз неподвижен. На дугу, возникающую после размыкания контактов, действует магнитное поле. За счет взаимодей­ствия тока дуги с магнитным полем создается сила, пере­мещающая дугу с большой скоростью относительно непод­вижного элегаза. В выключателях нагрузки (на малые токи отключения) магнитное поле создается постоянными маг­нитами, в выключателях на большие токи отключения