Восстановление напряжения на контактах
Процессы восстановления напряжения и электрической прочности промежутка взаимосвязаны, и эта взаимосвязь довольно сложна и еще недостаточно изучена.
На рис. 5-14 показан процесс восстановления напряжения при идеализированном выключателе. Было принято, что напряжение на дуге равно нулю, а после перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выключателе начинается с нуля, а не с пика гашения Ur, и на затухание восстанавливающегося напряжения влияют только параметры цепи. Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяются индуктивностью L, емкостью С и сопротивлением R источника тока и цепи. Частота колебательного процесса равна
и лежит в пределах тысяч герц.
В действительности восстанавливающееся напряжение зависит не только от R, L и С цепи, но и от остаточной проводимости самого межконтактного промежутка. Последняя зависит от свойств дугогасительных устройств, которые весьма разнообразны. В общем случае процесс восстановления напряжения на контактах может иметь апериодический или периодический характер, схематично показанный на рис. 5-15.
Рис. 5-15. Процессы при восстановлении напряжения на дуговом промежутке
На рис. 5-15, а и б ток взят отстающим от ЭДС на 90°, что весьма близко к реальным условиям при коротких замыканиях в сетях переменного тока. При апериодическом процессе максимальное значение восстанавливающегося напряжения не может быть выше ЭДС источника. При периодическом процессе Uвмах практически не превосходит 2Еm. Ввиду большой разности частоты переходного процесса и частоты сети (50 Гц) ЭДС сети за время переход процесса можно считать постоянной. Весь процесс восстановления напряжения составляет десятки (сотни) микросекунд.
Возьмем второй крайний случай — отключение активной цепи: L->0; (\ Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС (рис. 5-15, в). Ток и ЭДС переходят через нуль одновременно, восстанавливающееся напряжение на контактах нарастает нуля с частотой сети. Тем самым отключение активной нагрузки происходит существенно легче, чем индуктивной.
Принципы гашения дуги.
Повышение Напряжения дуги путем ее растягивания.
Уменьшение температуры дуги.
Диффузия охлаждающей среды в зону горения дуги (как следствие – повышение сопротивления канала).
ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Общие положения
Широкое применение воздушных выключателей обусловлено их способностью удовлетворять любому предъявляемому к ним требованию, в отношении как технических параметров, так и эксплуатационных характеристик. В немалой мере этому способствует то обстоятельство, что конструктивно воздушные выключатели оказались хорошо приспособлены для различных условий работы современных распредустройств высокого напряжения, от сравнительно небольших выключателей для КРУ до мощных воздушных выключателей с металлическими гасительными камерами под высоким потенциалом. Их довольно легко приспособить как для внутренней, так и для наружной установки.
Однако, несмотря на свои высокие технические характеристики, удовлетворявшие самым жестким требованиям энергосистем, эти выключатели оставляют желать лучшего в экономическом отношении, так как одновременно с совершенствованием воздушных выключателей все больше выдвигаемых технических требований удовлетворяется другими типами выключателей. Поэтому ничего удивительного нет в том, что когда иные типы выключателей оказывались экономически более эффективными, чем существовавшие в то время воздушные выключатели, последние постепенно начали терять ту лидирующую роль, которую они до того играли.
В настоящее время наибольшее развитие получил другой тип газового выключателя — элегазовый, способный по техническим данным догнать воздушные выключатели на самые высокие параметры.
Главная задача при разработке новых, более совершенных воздушных выключателей заключается не столько в использовании их относительно хорошо изученных технических возможностей, а в создании таких выключателей, которые, с одной стороны, удовлетворяли бы постоянно растущим техническим требованиям, а с другой — были бы экономически целесообразны, с тем, чтобы суммарные расходы на их приобретение и обслуживание были равны или даже ниже, чем таковые у конкурирующих типов выключателей. Поэтому при оценке достоинств той или иной конструкции воздушного выключателя следует учитывать не только их электрические или механические характеристики, обусловленные свойствами сжатого воздуха, но и в комплексе все характерные их показатели, связанные с разработкой, изготовлением, монтажом, а также текущими эксплуатационными расходами на их обслуживание в энергосистемах.
Согласно вышеизложенному можно сформулировать следующие основные преимущества, получаемые при использовании сжатого воздуха в выключателях:
1. Исключается загрязнение окружающей среды и опасность для здоровья обслуживающего персонала; снижаются эксплуатационные расходы, связанные с заполнением выключателя дугогасящей средой и заменой ее. Это в какой-то мере оправдывает применение в конструкции выключателя технических решений, несколько более дорогих в производстве и в эксплуатации.
2. При работе выключателя не возникает столь сильных динамических нагрузок на элементы конструкции, как у выключателей с жидкой дугогасящей средой.
3. Высокая скорость движения воздушного потока и распространения волн позволяет запасать дугогасящую среду вдали от зоны гашения дуги, а в момент коммутации довольно легко подводить ее в эту зону. Воздушные выключатели легко могут быть выполнены быстродействующими. Низкая вязкость сжатого воздуха обеспечивает активное его взаимодействие с дугой отключения, при котором он непрерывно следует за расширением и сжатием ее столба, что обеспечивает малое время горения дуги и уменьшает эрозию контактов.
4. Сжатый воздух сохраняет свои свойства в довольно широком диапазоне температур окружающей среды и рабочего давления, что уменьшает дополнительные эксплуатационные расходы, связанные с поддержанием дугогасящей среды в жестко регламентированных пределах.
5. Возможность использовать сжатый воздух как источник энергии, необходимой в схемах контроля и управления выключателем.
6. Пожаробезопасность воздушных выключателей — свойство, способствующее снижению эксплуатационных затрат.
7. Относительная химическая инертность сжатого воздуха и, как следствие этого, легкая совместимость его с существующими недорогими конструкционными материалами; простота эксплуатационного обслуживания.
8. Возможность изменять отключающую способность и изолирующие свойства воздушных выключателей посредством изменения давления сжатого воздуха.
9. Способность коммутации токов КЗ с большим процентом апериодической составляющей вплоть до коммутации цепей постоянного тока.
10. Достижимость высоких параметров воздушных выключателей по напряжению при небольшом числе дугогасительных модулей.
11.
С другой стороны, оценивая проблему в экономическом отношении, можно отметить следующие основные недостатки, присущие воздушным выключателям:
1. Относительно высокая стоимость компрессорного хозяйства, а также системы очистки и осушки сжатого воздуха. В первую очередь это сказывается на относительно небольших подстанциях либо в распредустройствах, где по условиям работы выключатели должны быть оснащены автономными установками вспомогательного оборудования.
2. Высокая стоимость глушителей, необходимых на воздушных выключателях, когда создаваемый ими при оперировании шум оказывается выше допустимого.
3. Относительно высокая чувствительность воздушного выключателя к жесткости режима отключения (по скоростям нарастания восстанавливающегося напряжения), вследствие чего для частичного демпфирования переходного процесса приходится прибегать к помощи шунтирующих резисторов, позволяющих улучшить коммутационные характеристики дугогасительной системы выключателя.
4. Отключающая способность дугогасящей среды при заданном давлении сжатого воздуха не зависит от отключаемого тока, из-за чего при отключении малых токов может произойти преждевременный обрыв тока ранее его естественного перехода через нуль; для ограничения опасных перенапряжений, возникающих в момент среза тока, воздушные выключатели в большинстве случаев приходится оборудовать специально подобранными резисторами.
5. Относительно высокая стоимость резервуаров и других элементов, находящихся под высоким давлением сжатого воздуха.
Анализ достоинств и недостатков воздушных выключателей показывает, что эти выключатели нашли применение главным образом в энергосистемах на повышенные классы напряжения, где необходимы малое время отключения и ограниченный уровень коммутационных перенапряжений. В этой области на сегодняшний день они заменяются выключателями с элегазовой изоляцией.
Кроме того, воздушные выключатели могут применяться в сетях с относительно невысоким напряжением, но с большим номинальным током и током короткого замыкания.
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; рк — давление в камере; рб — 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 vx =330 м/с и поток горячего воздуха с температурой до 15*103К и скоростью истечения до vr = 2500 м/с. На границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение, схематично изображенное на рисунке (vтурб). 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.