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.