При выполнении ВВ операции «отключение» в дугогасительном устройстве (ДУ) между контактами возникает электрическая дуга. Повышение эффективности дугогашения в ДУ непосредственно зависит как от параметров ВВ (быстродействие, конструкция, привод, контактные материалы и сопловые элементы ДУ и т. д.), так и энергосистемы (параметры сети, режимы, КЗ и т. д.).
Наибольшее влияние на параметры электрической дуги отключения оказывают конструкция ДУ, условия на границе плазма — дугогасящая среда, изменение диаметра дуги отключения с изменением тока отключения, взаимодействие в области нуля тока остаточного следа плазмы с дугогасящей средой и ПВН. Конструкция и материал контактов влияют на состав плазмы и ее электропроводимость в области нуля тока.
Электрическая дуга отключения деформируется под действием собственных и внешних электромагнитных сил, турбулентного перемешивания с путным потоком для газовых ДУ и имеет длину, превышающую межконтактный промежуток ДУ.
В высоковольтных коммутационных аппаратах применяются ДУ с открытым разрывом, ДУ с металлическими пластинами, ДУ продольного газового дутья, масляные (маломасляные) и вакуумные ДУ.
Для конструкций высоковольтных ДУ с открытым разрывом [4] на Uн = 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ на рис. 2.1 приведены экспериментальные данные исследований зависимости наибольшего «вылета» дуги отключения lM от тока отключения I. Отсюда следует, что даже при малых токах 10-20 А длина дуги значительна (от 1 м до 4-10 м), время ее горения превышает 0,1 сек, что может привести к аварийной ситуации в пространстве ОРУ или ЗРУ (см. рис. 2.1).
Рис. 2.1. Зависимости «вылета» дуги отключения от тока отключения для открытого разрыва
Поэтому основными задачами совершенствования ДУ высоковольтных выключателей являются: повышение отключающей способности, ресурса (механического и коммутационного), надежности, при уменьшении габаритов и веса ДУ, времени отключения, с учетом современных требований по экологии и безопасности.
Рассмотрим некоторые ДУ высоковольтных выключателей.
ДУ с продольным газовым дутьем. В современных газовых ВВ (элегазовые и воздушные ВВ) используется система продольного одностороннего газового дутья (рис. 2.2), где дуговой разряд 1 (электрическая дуга отключения) между контактами 3 – 4 взаимодействует через сопло 2 с продольным потоком дугогасящего газа, обеспеченного перепадом давлений р/рb, где р — давление газа вверх по потоку; рb — давление газа вниз по потоку (в камере выключателя), или система двустороннего дутья (потоки газа направлены в противоположные стороны).
Рис. 2.2. Система продольного одностороннего газового дутья
ДУ с автогенерацией. Применение эффекта автогенерации в газовых ДУ (рис. 2.3, а), когда в дугогасительной камере К под действием излучения и высокой температуры дугового разряда 1 между контактами 3 –4, изоляционные стенки 2 камеры К выделяют газ, позволяет увеличить давление газа в камере К не только благодаря высокой температуре, но и дополнительному массовому расходу от газогенерирующих стенок этой камеры. В газовых ДУ с электромагнитным дутьем (рис. 2.3, б) взаимодействие дуги отключения 1 с магнитным полем катушки S вызывает интенсивное движение дуги по контактам 3 – 4 и повышение уровня взаимодействия дуги отключения с газом в камере К. Обычно в данных ДУ дуга отключения 1 перебрасывается на дополнительный дугогасительный контакт 2 (в виде разрезанного кольца R). Вращательное движение дуги отключения вызывает интенсивную турбулизацию и нагрев газа в камере К.
Рис. 2.3. Система газовых ДУ с автогенерацией (а) и с электромагнитным дутьем (б)
Масляные и маломасляные ДУ. Горение и гашение дуги отключения осуществляется в парогазовой смеси генерируемой самой электрической дугой отключения: за счет испарения и разложения масла под ее воздействием (этап «парогазовый пузырь»).
Эффективность дугогашения повышается, если гашение дуги осуществляется в результате ее охлаждения в потоке парогазовой смеси через сопловые конструкции ДУ ВМ и ВММ (этап «газовое дутье»).
При оценке термодинамического состояния этой дугогасящей среды исходят из средних значений температуры и усредненного химического состава, который принимается следующим: водород H2 (47-66 % от объема), ацетилен C2H4 (14-27 %), метан C2H2 (9-15 %), этилена C2H6 (10-15 %), углекислый газ CO2 (3-2,6 %). Отсюда следует, что в составе парогазовой смеси значительную долю составляет водород, обладающий по сравнению с воздухом высокой теплопроводностью, но меньшей электрической прочностью.
Следует отметить, что на этапе («парогазовый пузырь») в масляных и маломасляных ВВ эффективно используется эффект автогенерации. На рис. 2.4 представлен ДУ с продольным автодутьем.
Рис. 2.4. Схема ДУ с продольным автодутьем
При размыкании контактов 1 и 4 возникает электрическая дуга 5.
На первом этапе горение и гашение дуги в ДУ осуществляется в парогазовом пузыре 2 (этап «парогазовый пузырь») в результате разложения масла под воздействием электрической дуги отключения (сопло 3 закрыто подвижным контактом 4). Высокое давление парогазовой смеси в пузыре 2 пропорционально мощности электрической дуги отключения и массовому расходу газогенерирующих изоляционных стенок 6 ДУ. Отключение предельных мощностей таких ДУ осуществляется на втором этапе «газовое дутье», который следует после открытия сопла 3. Наибольшая эффективность дутья при гашении дуги на втором этапе «газовое дутье» получена в конструкциях таких ДУ, где пузырь 2 соединяется с газовым объемом над маслом в баке (камере) ДУ с системой встречно-поперечного дутья.
Вакуумные ДУ. Гашение электрической дуги в вакуумных выключателях происходит в вакууме (1,10-4 –1,10-5 Па), обладающем высокой электрической прочностью. Для дуги в вакууме характерны низкое падение напряжения, большая плотность тока в области катодного падения напряжения, высокая концентрация плазмы в прикатодной области [5].
При размыкании контактов и образовании вакуумной дуги источником поставки частиц в межконтактный промежуток является катод. Поэтому своеобразие дугового разряда обусловлено процессами на катоде и в области катодного пятна катода [5].
Вакуумная дугогасительная камера ВВ выполняется с одним разрывом на полюс. Дугогасительная камера состоит из следующих основных элементов (рис. 2.5): изоляционного корпуса 5, токоведущих стержней 1, 6 с коммутирующими контактами 4, системы металлических экранов 3, сильфона 2. Система экранов обеспечивает защиту внутренней поверхности изоляционного корпуса от попадания испарившихся частиц материала контактов, выравнивание распределения напряженности поля внутри камеры. Сильфон 2 применяется для перемещения подвижного контакта без нарушения герметичности камеры.
Рис. 2.5. Вакуумная дугогасительная камера
Рис. 2.6. Зависимости разрядных напряжений от длины межконтактного промежутка для различных изоляционных сред
Электрическая прочность межконтактного промежутка lк в вакууме превышает разрядные характеристики других сред в однородном поле (см. рис. 2.6, где кривые 1 — вакуум, 2 — масло, 3 — элегаз, 4 — воздух); при длине промежутка lк = 10 мм разрядное напряжение превышает 200 кВ.
