Основным требованием при выборе оптимальных параметров ДУ является минимальный массовый расход газа из камеры высокого давления ДУ, необходимый для обеспечения требуемой отключающей способности, при заданных ПВН, а также надежность функционирования в эксплуатации.
Рис. 3.5. Системы продольного газового дутья
Наибольшее распространение для газовых (воздушных и элегазовых) ДУ получили системы продольного газового дутья, приведенные на рис. 3.5. Основными конструктивными параметрами такой системы одностороннего дутья (см. рис. 3.5,а) с давлением вверх по потоку p0 (высокое давление) и с внешним давлением pb (низкое давление) являются: диаметр (критический) горловины dcсопла, расстояние x0между критическим сечением сопла и оконечностью контакта 1 вверх по потоку, расстояние между контактами x, геометрия оконечностей контактов 1, 2 и их размеры, параметры конфузора К и диффузора D.
Оптимальные условия гашения дуги в системах продольного дутья ДУ ВОВ зависят от геометрических параметров входной части сопла (конфузора сопла К), которые должны удовлетворять двум основным требованиям: форма потенциального поля течения газа должна быть аэродинамически оптимальной, обеспечивающей лучшие условия коаксиальной стабилизации потоком ствола дуги 3; форма электрического поля в межконтактном промежутке должна быть оптимальной, обеспечивающей максимальную электрическую прочность холодного межконтактного промежутка (без дуги).
В системе двухстороннего дутья (рис. 3.5,б)массовый расход газа в два раза выше, чем в ДУ одностороннего дутья (рис. 3.5,а), однако отключающая способность ДУ возрастает лишь в 1,4-1,6 раза. Так как горение и гашение дуги отключения неразрывно связано с газодинамическими характеристиками сопловых конструкций ДУ, то в данном случае (в системе двухстороннего дутья) в середине межконтактого промежутка x0 образуется зона торможения (область стагнации). Так как скорость в зоне стагнации мала, то замедляются процессы распада остаточного ствола дуги и восстановления электрической прочности после перехода тока через нулевое значение. Для исключения этого явления длина x1 (рис 3.5,б)конфузоров сопел 1,2 должна быть ограничена.
При выборе оптимальных параметров диффузоров дутьевых сопелобычно принимают число Маха на выходе М =1,5-2, а угол расширения 2α= 12-20° (более подробно см. Приложение 6).
Для повышения эффективности использования массового расхода воздуха из камеры высокого давления ДУ используют системы несимметричнго дутья (рис. 3.5,в), где в неподвижном контакте 1 выполнено дополнительное сопло с критическим диаметром dвс (оптимальное соотношение площадей сечений SBC/SC ≈ 0,25). При этом оптимальное относительное расстояние хo /dcдля систем одностороннего (рис. 3.5,а)и несимметричного (рис. 3.5,в) дутья составляет
Рассмотрим конструкцию ДУ с несимметричным дутьем (рис. 3.6) для выключателя серии ВВБК. Межконтактный промежуток образован двумя неподвижными соплообразными контактами 2 и 3. Во включенном положении цепь тока создается подвижной контактной траверсой 1,приводимой в действие при отключении и включении пневматическим механизмом. С последним сопряжен главный дутьевой клапан 6 и пневматический механизм 5 управления клапаном дополнительного дутья через канал 4. В процессе отключения (после открытия дутьевого клапана и последующего размыкания контактов) дуга потоком воздуха и электродинамическими усилиями, возникающими в токоведущем контуре, перебрасывается в область дутьевого сопла, где происходит ее гашение.
Рис. 3.6. Конструкция ДУ с несимметричным газовым дутьем
При отключении больших токов сопло 3 дополнительного дутья в течение большей части полупериода тока закупорено дугой. Непосредственно в конце полупериода вступает в действие система дополнительного дутья, что вызывает более интенсивный распад остаточного ствола у оконечности контакта 3 и создает более благоприятные условия для гашения дуги.
Взаимодействие дуги отключения с газовым потоком в ДУ.Интенсификация взаимодействия электрической дуги отключения и газового потока — важный фактор для увеличения отключающей способности в газовых ДУ. Обычно выделяют три зоны взаимодействия (см. рис. 3.7): область вверх по потоку 0–1 (область между критическим сечением сопла 4 и контактом вверх по потоку 1), горловина сопла (критическое сечение сопла 4) и область вниз по потоку (диффузор сопла 4 и зона до второго контакта 5).
В начальной фазе восстановления электрической прочности межконтактного промежутка ДУ после нуля тока (в фазе теплового пробоя) происходит взаимодействие остаточного следа электрической дуги отключения 2 и газового потока в области горловины сопла. При этом удельный массовый расход газа является предельным, и обеспечивается интенсивная теплоотдача за счет аксиальной конвекции и высокого уровня радиальной турбулентной теплопроводности в пограничном слое 3 в области нуля тока (см. рис. 3.7).
Рис. 3.7. Зоны взаимодействия дуги с газовым потоком
Зона вверх по потоку имеет доминирующее влияние на диэлектрическую фазу восстановления электрической прочности межконтактного промежутка после нуля тока, так как горячий газ остается в области вверх по потоку (в зоне стагнации контакта 1), когда волна переходного восстанавливающегося напряжения имеет предельные значения. Аксиальный профиль давления в этих зонах и уровень возмущения в газовом потоке (интенсивность турбулентности в пограничном слое 3) определяют уровень отключающей способности в этих фазах восстановления.
Для газового ДУ одностороннего дутья с двумя ступенями давления не наблюдается повышения уровня тепловой отключающей способности с увеличением расстояния между горловиной сопла и контактом вниз по потоку. В конструкциях ДУ, при отключении предельных токов КЗ, имеется термодинамическая блокировка критического сечения сопла, что негативно влияет на процесс восстановления электрической прочности межконтактного промежутка. Поэтому окончательный выбор критического сечения сопла и исходного высокого давления в камере ДУ определяется максимальным диаметра дуги отключения и заданными сетевыми условиями (характеристиками ПВН).
Газодинамика соплового канала. При анализе процессов после нуля тока принято выделять процесс тепловой фазы пробоя, когда остаточный ток и высокая температура инициируют пробой межконтактного промежутка по следу остаточной плазмы и диэлектрической фазы пробоя, когда промежуток относительно охлажден, и остаточный ток отсутствует. Тогда процесс пробоя промежутка связан с параметрами газа между контактами. Применительно к системам продольного дутья пробой определяется газодинамическими характеристиками соплового канала (см. Приложение 6). Расчетные методы (см. Приложение 6) позволяют получить параметры потока для стационарного одномерного процесса в сопловом канале без теплообмена (адиабатный). Кривые М(х) и р(х)/p0 для воздушного потока приведены на рис. 3.7. Следовательно, электрическая прочность промежутка (при анализе диэлектрической фазы пробоя) определяется газодинамическими характеристиками потока. Экспериментальные исследования показывают, что временные зоны (условные границы) между тепловой фазой пробоя и диэлектрической фазой пробоя составляют для воздушных дугогасительных устройств сотни микросекунд (для элегазовых — десятки микросекунд) и определяются как параметрами газовых ВВ, так и жесткостью сети.
