Свойства элегаза.
Элегаз (электротехнический газ) представляет собой шестифтористую серу SF6 .
При рабочих давлениях и обычной температуре элегаз - бесцветный, без запаха, не горюч, в 5 раз тяжелее воздуха. Элегаз не стареет, т.е, не меняет своих свойств с течением времени, при электрическом разряде распадается, но быстро рекомбинирует, восстанавливая первоначальную диэлектрическую прочность. При температурах до 1000 К элегаз инертен и нагревостоек, до температур Порядка 500 К химически не активен и не агрессивен по отношению к металлам, литьевой смоле и резинам.
Элегаз является «электроотрицательным» газом. Его молекулы в электрическом поле обладают способностью захватывать электроны, образуя малоподвижные, тяжелые отрицательные ионы. Благодаря этому элегаз обладает высокой электрической прочностью. При давлении 0,23 МПа разрядное напряжение в элегазе равно разрядному напряжению трансформаторного масла. В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, в несколько раз превышающим ток, отключаемый в воздухе при том же давлении молекулы элегаза улавливают электроны дугового столба; потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т.е, при газовом дутье, электроны из дугового столба поглощаются еще более интенсивно.
Эксплуатационная способность элегаза улучшается в равномерном поле, поэтому конструкция отдельных элементов выключателя должна обеспечивать наибольшую равномерность и однородность электрического поля.
В неоднородном поле появляются местные перенапряженности электрического поля, которые вызывают коронирующие разряды. Под действием этих разрядов элегаз разлагается, образуя низшие фториды, действующие неблагоприятно на конструкционные материалы, используемые в дугогасящем устройстве. Во избежание разрядов поверхности металлических экранов, выравнивающих поле, должны быть чистыми, гладкими, без заусенцев. Грязь, пыль, металлические частицы на поверхности экранов создают локальную неоднородность поля, ухудшающую электрическую прочность элегазовой изоляции.
Высокая диэлектрическая прочность элегаза обеспечивает высокую степень изоляции при минимальных размерах и расстояниях, а надежное гашение дуги и охлаждаемость элегаза увеличивают отключающую способность выключателей и уменьшают нагрев токоведущих частей. Применение элегаза позволяет при прочих равных условиях увеличить токовую нагрузку на 25 %.
Недостатком элегаза является переход его в жидкое состояние при сравнительно высоких температурах (-40°С), что определяет дополнительные требования к температурному режиму элегазового оборудования в эксплуатации, например, бак элегазового выключателя нагревают до +12С.
Гашение дуги в элегазе.
В элегазовых выключателях гашение дуги происходит так же, как и в воздушных выключателях, за счет интенсивного охлаждения дуги потоком газа. Дуга, вращаясь под действием электромагнитной силы, охлаждается за счет принудительной конвекции тем больше, чем больше отключаемый ток. При отключении больших токов линейная скорость дуги может достигать скорости звука. Эта скорость остается все еще высокой вблизи нуля тока, так как векторы магнитной индукции и тока намеренно сдвинуты по фазе относительно друг друга и их произведение значительно. Дуга вращается так быстро, что используются простые медные проводники в качестве дугогасящих контактов без применения термостойких сплавов. При этом возникает лишь износ переходного электрода, однако этот износ невелик, так как переброс дуги, имеющий место в начальный период ее гашения, происходит очень быстро.
При малых токах скорость перемещения дуги мала как раз перед нулем тока. Деионизация пространства между контактами будет не слишком быстрой, и коммутационные перенапряжения окажутся незначительными. В результате в элегазовом выключателе отсутствуют срезы тока, которые могут приводить к возникновению больших перенапряжений при работе вакуумных выключателей.
В элегазовых выключателях применяются два принципа гашения дуги.
В выключателях с вращающейся дугой в начале гашения дуга возникает между двумя круговыми проводниками. Эти устройства просты и компактны, так как в них использованы только электромагнитные дугогасящие воздействия для охлаждения дуги.
Принцип продольного дутья состоит в том, чтобы заставить газ перемещаться в параллельном направлении вокруг столба дуги для уменьшения ее энергии. Скорость потока газа не одинакова в течение всего времени горения дуги. Очень небольшая на максимуме полуволны тока, она увеличивается при его уменьшении до нуля. Для управления этим потоком газа используется геометрия зоны, в которой дуга гасится. По крайней мере, один из контактов имеет форму сопла, внутри которого дуга находится под воздействием расширяющегося газа, запасенного под давлением в процессе операции отключения. Дуга поэтому располагается в центре дугогасящего устройства. Поток, подогреваемый воздействием дуги, расширяется за счет теплообмена в нисходящей части трубчатого контакта.
Основными особенностями этого принципа гашения дуги являются:
формированное дутье, сила которого может изменяться за счет выбора разности давления, геометрии зоны гашения дуги или расширяющегося сопла;
высокая осевая скорость, равная сверхзвуковой в центре дугового столба с очень высокой температурой, и скорость, близкая к скорости звука во внешних слоях, являющихся зоной высокой теплопроводности, обусловленной диссоциацией молекул элегаза;
из-за турбулентных процессов между упомянутыми выше скоростными областями они становятся очень нестабильными при приближении тока к нулю. Эти процессы увеличивают теплообменную поверхность между дугой и потоком. В этот момент имеет место также теплопередача за счет конвекции и в особенности теплопроводности, тогда как излучение играет второстепенную роль;
время дутья, которое можно продлить после прекращения протекания тока благодаря соответствующему выбору различных степеней сжатия газа; дутье таким образом очищает пространство между контактами и восстанавливает его диэлектрические свойства.
Таким образом, продольное дутье позволяет рассеять выделенную энергию в любое время небольшой инжекцией газа, результатом чего является Эффективное и плавное прекращение горения дуги. После окончания термодинамической закупорки сопла эффективность продольного дутья заключается в ускоренном движении газов вокруг дугового столба, находящегося внутри сопла.
Типы элегазовых выключателей.
Различные конструкции выключателей с продольным дутьем с точки зрения потребления энергии их приводами отличаются способом создания разности давлений, необходимой для дугогашения.
Одним из типов элегазовых выключателей является автокомпрессионный выключатель. Компрессионное устройство, объединенное с подвижным контактом, создает увеличение давления, необходимое для гашения дуги, непосредственно в момент коммутации. Оно позволяет создавать выключатели на все уровни напряжения и большие отключаемые токи.
Другим типом является выключатель, в котором дуга гасится за счет термического расширения газа, известный как автогазовый выключатель. В нем сама дуга подогревает газ в объеме вокруг сопл и поэтому увеличивает его давление. В одном варианте используется объем вокруг контактов; дутье в нуле тока происходит за счет давления, созданного в этом объеме во время горения дуги. В другом варианте добавляется магнитное дутье, чтобы вызвать движение дуги и горячих, и холодных газов в нагретом объеме, предупреждая сильное увеличение температуры. В обоих вариантах эффективность гашения дуги зависит от отключаемого тока. Поэтому для отключении небольших токов нужен вспомогательный поршень, дающий достаточное дутье без перенапряжений.
В основе третьего типа лежит упрощенный принцип термического расширения, заключающийся в оптимизации геометрии и скорости движения контактов применительно к конкретным отключаемым токам и номинальным напряжениям и позволяющий отказаться от использования для гашения дуги магнитного поля и вспомогательного поршня.
