Гашение дуги в масле

Рис 6-17 Электрическая дуга в сфере газового пузыря

в масле при простом однократном разрыве 1 — неподвижный контакт, 2 — подвижный контакт, 3 — стенка бака, 4 — масло, А — ствол дуги, Б — водородная оболочка, В - зона распада, Г-зона газа, Д - зона пара, Е - зона испарения масла и газа, находящимися в относительно спокойном состоянии.

В состав газопаровой смеси, возникающей в результате разложения масла под действием дуги, входит до 70 % водорода Н2, обладающего по сравнению с воздухом в 8 раз более высокой теплопроводностью, но меньшей предельной электрической прочностью. Поток газопаровой смеси в зоне горения дуги обладает высокой температурой 800—2500 К. Механизм охлаждения столба дуги при больших (обычно выше 100 А) и малых значениях тока дуги различен. При больших токах охлаждение дуги происходит главным образом за счет принудительной конвекции в потоке газопаровой смеси при большом давлении. С увеличением тока интенсивность конвективного охлаждения и давление в зоне гашения дуги увеличиваются. При небольших токах конвекция и давление газа в зоне гашения дуги снижаются, условия охлаждения дуги ухудшаются и время гашения дуги затягивается. Повышение давления в зоне гашения дуги в результате принудительной подачи масла может существенно улучшить условия гашения дуги при отключении небольших токов.

Воздействие самого масла на дугу относительно мало. Воздействие масла на дугу существенно увеличивается, если дуговой разрыв ограничить каким-либо замкнутым изоляционным устройством, так называемым дугогасительным устройством (камерой). В дугогасительных камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а также интенсивное обдувание дуги потоками газов, паров масла и самим маслом, в результате чего значительно возрастает продольный градиент напряжения, ускоряется процесс деионизации, сокращается время горения дуги, уменьшается ход контактов по сравнению с простым разрывом в масле.

В случае когда дуга горит в газовом пузыре, объем которого не ограничивается стенками, средняя температура газопаровой смеси находится в пределах 800—1000 К, а в случае горения дуги в узком, ограниченном объеме при больших токах средняя температура газопаровой смеси достигает 2000 — 2500 К, т. е отвод энергии от дуги здесь значительно больший.

Некоторые средние значения продольного градиента напряжения в охлаждаемой в масле дуге, полученные опытным путем, приведены в табл 6-1

Дугогасительные устройства современных масляных выключателей по принципу действия могут быть разделены на три основные группы:

1. Дугогасительные устройства с автодутьем, в которых дутье газопаровой смеси и масла в зону гашения дуги создается за счет энергии, выделяющейся в самой дуге.

2. Дугогасительные устройства с принудительным (импульсным) масляным дутьем, в которых масло в зону гашения дуги (к месту разрыва) подается с помощью специальных нагнетающих гидравлических механизмов за счет постороннего источника энергии

3. Дугогасителъные устройства с магнитным гашением дуги в масле, в которых ствол дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного материала.

Наибольшее распространение находят дугогасительные устройства nepвой группы, так как обеспечивают большую эффективность гашения при сравнительно несложных конструкциях

В зависимости от числа и взаимного расположения контактов и от последовательности их размыкания ДУ выполнялись в следующих вариантах:

1.с одним разрывом

2. с большим числом разрывов контактов, с одинаковыми для разрывов условиями гашения дуги

3. с одним основным и одним вспомогательным ( газогенерирующим разрывом)

4. с несколькими основными и газогенерирующими разрывами

Газогенерирующие разрывы создают дополнительный объём газопаровой смеси, что способствует более эффективному гашению дуги в основном разрыве.

Рис 6-18 Схемы процесса гашения электрической дуги в камерах с автодутьем

а — камера продольного дутья, б — камера поперечного дутья

/ — масло, 2 — неподвижный контакт, 3 — клапан, 4 — дуга, 5 — газовый пузырь, б —камера, 7 —подвижный контакт

Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с автодутьем приведены на рис 6-18. Газовый пузырь, образующийся вокруг дуги при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в ограниченном объеме камеры (положение /). Масло и продукты его разложения стремясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное обдувание дуги потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье рис 6-18, а) при выходе подвижной контакт-детали из камеры (положение // или поперек дуги (поперечное дутье — рис. 6-18, 6) при наличии выхлопной отверстия, расположенного против места разрыва (положение 11). После гашения дуги камера наполняется маслом (положение Ш). Современные масляные выключатели снабжены более сложными камерами, в которых используются указанные принципы в различных комбинациях с одним, двумя и большим числом разрывов.

Можно считать, что основными условиями для наиболее эффективного гашения дуги являются:

интенсивное дутье газопаровой смеси в зоне дуги, особенно в момент тока, близкого к нулю;

максимально возможное высокое давление газопаровой смеси в области дуги в конце полупериода тока.

Дугогасительные системы с автоматическим дутьем получили наиболее широкое применение благодаря своей эффективности и простоте конструкции. В зависимости от конструкции дугогасительных камер различают продольное дутье (рис. 5.8, а), когда поток газопаровой смеси направлен вдоль столба дуги, поперечное (рис. 5.8, б), когда поток направлен перпендикулярно или под некоторым углом к столбу дуги, и встречное (рис. 5.8, в), когда поток направлен противоположно по отношению к направлению движения подвижного контакта с дугой. Часто в дугогасительных устройствах используется их комбинация.

Гашение дуги может быть разбито на три основных этапа (рис. 5.9):

первый этап (рис. 5.9, а). После размыкания контактов дуга горит в замкнутом, как правило небольшом, пространстве, создавая за счет разложения масла значительные давления. Это так называемый «режим замкнутого пузыря». В течение этого этапа в результате выделяющейся в дуге энергии в замкнутом объеме создается (аккумулируется) высокое давление (до 10 МПа), которое используется на следующем этапе гашения дуги;

второй этап (рис. 5.9, б) наступает с момента начала истечения газопаровой смеси из области замкнутого объема через рабочие каналы, открываемые при перемещении подвижного контакта за пределы предкамерного объема. Этап характеризуется изменением давления газопаровой смеси в камере и рабочих каналах, куда затягивается дуга, а также интенсивного истечения газопаровой смеси и завершается процессами распада столба дуги и восстановления электрической прочности межконтактного промежутка;

третий этап (рис. 5.9, в). Происходят удаление из камеры оставшихся после гашения дуги горячих газов, продуктов разложения масла и заполнение внутренней полости камеры свежим маслом. На этом этапе происходит подготовка камеры для последующего ее включения и нового отключения. В масляных выключателях, предназначенных для работы в цикле АПВ, этот этап имеет очень важное значение.

Эффективность ДУ и ресурс масляных выключателей в значительной мере обусловливаются физико-химическими процессами, происходящими в зоне горения дуги. Образующиеся под влиянием дуги продукты разложения масла (Н2, С и др.), ионизированный газ, пары материала контактов понижают отключающую способность ДУ и ограничивают коммутационный ресурс. Свободные частички углерода, образуя коллоидную взвесь, снижают электрическую прочность изоляционного промежутка и утяжеляют процесс включения КЗ в режиме АПВ из-за преждевременного пробоя межконтактного промежутка. Продукты разложения масла и изоляционных материалов камеры ДУ влияют на состояние контактов, их структуру и переходное сопротивление. Время горения дуги возрастает по мере накопления продуктов разложения в масле. Все это, естественно, требует постоянного контроля за состоянием качества масла, его уровнем в ДУ. Коммутационный ресурс в большой степени зависит от тока Iо.ном выключателя и реальных токов отключения. Так, при Iо.ном = 20кА для маломасляного выключателя на напряжение 35 кВ количество отключений N < 10, а при токе Iо.ном = 10 кА допустимое число отключений возрастает до N < 30. Вышеизложенные особенности требуют постоянного контроля за техническим состоянием масляных выключателей.