ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассмотрим некоторые характеристики дуги отключения постоянного тока применительно к анализу горения и гашения дуги переменного тока. В частности, вольт-амперная характеристика дуги отключения переменного тока в интервале времени большого тока (между пиками напряжения гашения и напряжения зажигания) аналогична статической вольт-амперной характеристике дуги постоянного тока. Анализ процесса «срез тока» в ДУ переменного тока, а также эффект от шунтирования резистором межконтактного промежутка ДУ переменного тока (для повышения отключающей способности ДУ), можно проводить, используя аналогию с характеристиками дуги постоянного тока при ее гашении.

Рассмотрим некоторые особенности горения и гашения электрической дуги постоянного тока. На рис. 2.24 показаны характеристики тока и напряжения на промежутке при возникновении дуги на контактах в цепи постоянного тока. В момент А контакты разомкнулись ( — напряжение на контактах до t = A). По мере разведения контактов напряжение на дуге растет, и возникают предпосылки образования изоляционного промежутка (1 стадия). На стадии 2 контакты разведены на достаточное расстояние, и дуга погасла, а напряжение на промежутке соответствует напряжению сети .

Рис. 2.24. Переходные процессы при отключении КЗ в сети постоянного тока

Для цепи (рис. 2.25, а), содержащей сопротивление R, индуктивность L и межконтактный промежуток с дугой отключения (напряжение на дуге U_д), к которой приложено напряжение источника тока U₀, справедливо уравнение:

(2.30)

где — падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

При устойчиво горящей дуге и

Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался ( ), и, следовательно,

(2.31)

При этом неравенство (2.31) должно иметь место при всех значениях тока в пределах от до нуля.

Рис. 2.25. Сеть постоянного тока с дугой отключения (а)
и определение их взаимодействия (б)

Следовательно, гашение дуги постоянного тока происходит в тех случаях, когда источник не способен при определенных условиях поддержать горение дуги постоянного тока [5,6].

Графическое решение уравнения (2.30) приведено на рис. 2.25, б. Прямая 1 представляет собой напряжение источника U₀,прямая 2 — падение напряжения в омическом сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от U₀ , кривая 3 — вольтамперная характеристика дугового промежутка U_д. Заключенные между кривыми отрезки представляют соответственно: между кривыми 1 и 2 (iR); между 2 и 3 ;между 3 и осью абсцисс (U_Д). В точках А и В выполняется условие

; .

В этих точках имеет место равновесное состояние. Однако в точке А это равновесие неустойчивое: при токах I < I_а напряжение ,а имеет отрицательное значение. Если ток станет меньше I_а, то он уменьшится до нуля, и дуга погаснет.

Если ток станет несколько больше I_а, то окажется , что приведет к возрастанию тока до значения I_в. При любом значении I_а < i < I_в ток в дуге будет возрастать до значения I_в. Между точками А и В параметр является величиной положительной, и рост тока в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.

Для точки В горение дуги постоянного тока устойчивое: при токе
i > I_в имеется ,а — величина отрицательная, т. е. для поддержания такой величины тока напряжение U₀недостаточно. Ток в цепи будет падать до значения I_в. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие (2.31).

Энергия электрической дуги постоянного тока. Энергия дуги W_д, выделяемая в дуге за время t_г при ее горении,

где — электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности отключаемой цепи, — энергия, поступающая от источника (генератора) в дугу за время ее горения; — начальное значение тока.

Представим изменение тока в дуге при отключении следующим эмпирическим уравнением:

(2.32)

где t — текущее время; n — эмпирический коэффициент.

Для ДУ с щелевыми или металлическими камерами, а также при значительных индуктивностях п > 1 (порядка 2-4). Для ДУ с открытыми разрывами и при активной нагрузке [6].

Подставив (2.32) в выражение для W_с, получим:

,

где ; — постоянная времени отключаемой цепи.

Энергия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и зависит от коэффициента k, характеризующего ДУ.

Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге постоянного тока,

.

Максимальное количество энергии выделится в дуге при изменении тока по закону, близкому к линейному (при ).

Для напряжения дуги имеем

.

Перенапряжения в конце процесса гашения дуги постоянного тока (при i = 0) можно определить так:

.

Знак «+» перед параметром Ldi/dt обусловлен отрицательным значением производной di/dt при снижении тока. Если ток в процессе гашения дуги изменяется во времени i_д=I₀[1 – (t/t_r)ⁿ], то уровень перенапряжений

.

Здесь U₀— напряжение источника, В; I₀ — начальное значение отключаемого тока, А; L — индуктивность цепи, Гн; t _г — время горения дуги, с.

Влияние шунтирующего сопротивления на процессы в ДУ переменного тока.Рассмотрим ДУ переменного тока с двумя разрывами на полюс, из которых один зашунтирован омическим сопротивлением r (рис. 2.26), где L — индуктивность элементов подстанции; — их омическое сопротивление; С — приведенная емкость; R — волновое сопротивление линии (или эквивалентное сопротивление нескольких присоединенных к шинам линий); I и II — разрывы полюса ДУ [2].

Рис. 2.26. Схема двухразрывного ДУ с шунтирующим сопротивлением

При отключении сначала размыкается контакт I (рис. 2.26)и происходит гашение возникающей при этом дуги; после этого ток полностью протекает через сопротивление r, которое уменьшает ток, в связи с чем окончательное отключение тока в разрыве II (рис. 2.26)осуществляется уже в более легких условиях, чем в ДУ без шунтирующего сопротивления.

В ДУ переменного тока по мере уменьшения тока и его подхода к нулевому значению напряжение на дуге U_Д на разрыве I значительно возрастает в соответствии с ее динамической характеристикой. Из схемы, приведенной на рис. 2.26,следует, что это же напряжение приложено и к шунтирующему сопротивлению, по которому, в связи с этим, протекает все увеличивающийся ток i_r, а ток дуги отключения соответственно уменьшается.

Качественно характер описываемого явления можно проанализировать по рис. 2.27, а, где кривая 1 представляет собой статическую вольт-амперную характеристику дуги (рассматривается фаза большого тока динамической характеристики дуги отключения), а прямая 2 (OCD) — падение напряжения на сопротивлении, шунтирующем разрыв I ДУ (рис. 2.27, а). В частности, при напряжении на дуге и на шунтирующем сопротивлении , через дугу должен протекать ток , а через шунтирующее сопротивление — ток i'_r. Полный ток цепи (если пренебречь током через емкость ) будет, следовательно, выражаться величиной .

По мере увеличения напряжений на дуге получим зависимость между напряжением на дуге и полным током цепи (рис. 2.27, а, кривая 3, АВD). Однако, из хода кривой 3 следует, что в точке В при токе i_кr дуга гаснет, и весь ток контура начинает протекать через шунтирующее сопротивление. Увеличение полного тока (выше точки В) невозможно, так как напряжение на дуге недостаточно для поддержания тока. Напряжение на дуге и на зажимах выключателя уменьшается теперь согласно отрезку СО прямой 2.

Рис. 2.27. Характеристики дуги отключения в ДУ с шунтируюшим сопротивлением перед нулем тока

На рис. 2.27, б представлены характеристики токов i_д, i_r и i во времени. Полный тока i в области нуля тока не изменяется линейно, так как в момент ток в дуге уменьшается до нуля (или до значения, близкого к нулю) по кривой, близкой к изображенной вертикальной прямой, в то время как ток через шунтирующее сопротивление возрастает до значения
i_кr = ЕС.

Следовательно, в течение промежутка времени энергия, выделяющаяся на дуговом промежутке, будет при наличии шунтирующего сопротивления заметно меньшей, чем при его отсутствии. Поэтому сопротивление межконтактного промежутка I соответственно увеличится, что обеспечивает повышение отключающей способности ДУ.

2.6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ ОТКЛЮЧЕНИЯ

Изоляционные материалы широко применяются в конструкциях ДУ в качестве корпусов (изоляторов) ДУ, как элементы дугогасительных камер и т. д. Широкое использование получили изоляционные материалы, которые под воздействием плазмы (при прямом контакте или через излучение) генерируют массовый расход газа. К качестве таких элементов ДУ используются стеклопластики, фибра, винипласт (поливинилхлорид), фторопласты и т. д. На примере фторопласта для элегазовых ДУ рассмотрим основные характеристики таких элементов ДУ.

Фторопласт, благодаря прочным связям C-F, обладает высокой термической и химической стойкостью и может использоваться при Т от минус 80 до 260º С, при этом пределом рабочей температуры считается 260º С (при 260º С начинается газовыделение), температура плавления 370º С, температура разрушения поверхности 700º С.

В конструкциях ДУ элегазовых выключателей используются фторопластовые сопла, экраны для дугогасительных контактов (для ограничения эрозии последних) и камеры автогенерации. Рассмотрим некоторые особенности поведения фторопласта в ДУ при горении и гашении дуги отключения.

Контакт фторопласта с электрической дугой. При контакте фторопласта с плазмой дугового разряда отмечается малая степень разрушения (по сравнению с металлами) благодаря низкой теплопроводности [7]. На поверхности фторопласта 1 появляется множество мелких микроуглублений, образующих эрозионную лунку 4 (рис. 2.28). Зона поражения покрывается черным углеродным налетом (под ней зона пиролиза 2). Черные точки на поверхности разрушения (нитевидные каналы 3) являются центрами, в которых происходит образование газовых продуктов разложения. Выход каждого отдельного газового факела образует микролунку. Разрушение происходит за счет возгонки вещества, поэтому потери массы (по сравнению с металлами) незначительны.

Рис. 2.28. Разрушение поверхности фторопласта под воздействием электрической дуги

Когда нет прямого контакта плазмы дугового разряда с фторопластом, основной причиной разрушения фторопласта (C₂F₄) является энергия излучения, поглощаемая в поверхностном слое материала. В этом случае происходит частичное разрушение молекул политетрафторэтилена с выделением газообразного продукта — свободного углерода. Выделение свободного углерода делает процесс разложения взрывоподобным (взрыв отдельных фрагментов фторопласта, когда на дне этих каверн образуется сажистый слой). При неполном открытии каверн сажа не сдувается газовым потоком, и электропроводный сажистый слой искажает распределение электрического поля, что может приводить к снижению пробивного напряжения [7]. Наполненный фторопласт (в качестве наполнителя используется микропорошок оксида алюминия) поглощает излучение в поверхностном слое глубиной доли миллиметра. В таком материале эрозия перестает идти в форме отрыва фрагментов фторопласта и отсутствует сажистый слой. Однако увеличение процентного содержания наполнителя приводит к повышению абляции стенок, поэтому обычно наполнитель ограничивают на уровне 5-7 %.

Под воздействием высокой температуры состав фторопласта изменяется, и появляются новые концентрации компонентов n_s (рис. 2.29).

Так как в элегазовых ДУ используется фторопласт с наполнителем (C₂F₄+Al₂O₃), то к 21 компоненту элегазовой плазмы (SF₄, SF₂, F₂, S₂, S, F, F^-1, S⁺, F⁺, …) прибавляются продукты фторопластовой плазмы (C₂, CF, C⁺, C²⁺, …), которые вступают в химическое взаимодействие (плазма SF₆ – C₂F₄ содержит уже 47 компонентов).

Рис. 2.29. Зависимость состава фторопласта от температуры

при атмосферном давлении

Рис. 2.30. Массовый расход газообразования для фторопластового канала от произведения плотности тока на ток отключения

Удельная электропроводность и коэффициент теплопроводности смеси изменяются мало (только при содержании C₂F₂ более чем 80 % имеется незначительное уменьшение удельной электропроводности). Гораздо большее влияние оказывают пары материала контактов: так, для медной плазмы уже при 3-5 % содержания паров меди электропроводность смеси значительно увеличивается. Экспериментальные данные и расчет массового расхода газообразования на единицу длины фторопластового канала m_n^* в зависимости от произведения плотности тока d на ток отключения I представлены на рис. 2.30. Расчет выполнен по зависимости
m_n^*~ ^оC f (d×I), где d = I/S_c — плотность тока (кривая 1 — расчет при температуре 18 000 К, кривая 2 — при 20 000 К), при этом для анализа давления в канале предлагается зависимость р^*~ l(d)². Напряженность электрического поля на электрической дуге отключения в этих экспериментах возрастала от 40 до 120 В/см пропорционально увеличению плотности тока d от 3·10⁷ А/м² до 9·10⁷ А/м² [7].

Опыт разработки изоляционных элементов ДУ показывает, что абляция горловины изоляционного сопла при отключении КЗ и последующий рост его диаметра при увеличении суммарного времени испытаний типичны для конструкций элегазовых ДУ [7]. На рис. 2.31 представлены профили изоляционного сопла элегазового ДУ продольного дутья: исходный А (до испытаний) и Б (после испытаний) ДУ на номинальный ток отключения 50 кА (13 отключений). Значительная абляция внутренней поверхности сопла наблюдается как для входной (конфузорной) части сопла, так и для горловины и диффузора (выходная часть сопла). Унос массы изоляционного материала по внутренней поверхности горловины сопла составил 45 г после 13 опытов (номинальный ток отключения 50 кА, суммарная длительность горения дуги 192,4 мс) и 50,9 г после 13 опытов, причем 10 опытов были с апериодической составляющей на уровне 52-61 % (суммарная длительность горения дуги 192,2 мс) [7].

Рис. 2.31. Абляция внутренней поверхности изоляционного сопла элегазового ДУ при отключении 50кА (после 13 опытов)

В первом приближении взаимосвязь параметров дугового разряда и абляции фторопласта можно показать на примере разряда в цилиндрическом канале. Тогда уравнение энергетического баланса можно записать в виде

, (2.33)

где S_пл — боковая поверхность канала с испаряющейся стенкой; ρ_кр, u_кр, S_кр – критические параметры потока в канале (плотность, скорость, сечение), Δh — увеличение энтальпии единицы массы испарившегося материала при переходе в состояние плазмы; σ_б — постоянная Стефана-Больцмана; l, R — длина и радиус цилиндрического канала (рассматривается двусторонний унос массы).

Принимая = 4·10^-4 (Т < 25 000 К) [7], уравнение (2.33) можно переписать для оценки массового расхода при абляции:

. (2.34)

При повышении напряжения на разрыв ДУ одной из причин потери фторопластом электрической прочности является распад макромолекул под действием электрического поля. Этот временной процесс накопления повреждений отдельных молекул сильно зависит от напряженности электрического поля и заключается в туннельной ионизации макромолекул в области повышенной напряженности и в последующем разрыве молекулярных ионов под действием сил, инициируемых электрическим полем и термофлуктуацией. Большое значение для повышения номинального напряжения на разрыв в ВЭ имеет конфигурация внутреннего профиля изоляционного сопла, так как в фазах восстановления напряжения на контактах ДУ наличие отрицательных ионов на внутренней поверхности сопла может исказить канал пробоя и значительно снизить уровень восстанавливающегося напряжения.