Выключатели переменного тока можно разделить на две основные группы: жидкостные и газовые. Жидкостные выключатели можно в свою очередь подразделить на масляные и водяные; газовые — на воздушные газонапорные (обычно называемые просто воздушными), автогазовые, элегазовые и электромагнитные (с гребенчатой камерой). Остановимся на основных принципиальных типах дугогасителей этих выключателей.
Простейшим и исторически первым типом масляного выключателя является выключатель с открытой дугой, т. е. с дугой, гасимой маслом без каких-либо специальных дугогасительных устройств (рис. VII. 19).
При отключении траверса движется вниз, и между неподвижными и подвижными контактами возникают две последовательно включенные дуги (см. рис. VI 1.19,6). Высокая температура дуги вызывает испарение масла и диссоциацию его паров. Вокруг каждой дуги образуется газовая сфера («газовый пузырь»).
Рис. VII. 19. Схематическое изображение масляного выключателя:
а — выключатель включен; б — выключатель отключает ток
Продуктами диссоциации масла являются водород и углерод, последний — в виде мельчайших частичек копоти.
Рис. VII. 20. Зависимость длительности дуги от тока в масляном выключателе
Водород в свою очередь диссоциирует на атомный водород (Н1), располагающийся в центральных частях дуги, а недиссоциированный молекулярный водород (Н2) занимает области на периферии дуги и за ее пределами. Далее в газовом пузыре располагаются газообразные углеводороды (ацетилен, метан и пр.) и значительное количество недиссоциированных паров масла, находящихся вблизи от стенок газового пузыря. Водород обладает высокой охлаждающей способностью, чем и объясняется его хорошая дугогасящая способность. Успешному гашению дуги способствует высокое давление, создающееся в газовом пузыре, вследствие расширения газа под действием высокой температуры. Давление в обычных конструкциях выключателей достигает 50 000—100 000 н/м2 (5—10 am) и более. Высокое давление повышает градиент в стволе дуги и увеличивает восстанавливающуюся прочность остаточного ствола дуги. При больших токах электродинамические силы, возникающие в контуре выключателя, гонят дуги к стенкам пузыря, вызывая повышенное парообразование и, соответственно, возрастающее давление. Это приводит к тому, что длительность дуги, перейдя при некотором токе через максимум, начинает падать при дальнейшем увеличении тока (рис. VII.20). Масляные выключатели с открытой дугой находят применение при относительно небольших напряжениях (6—10 кВ) и мощностях отключения (100—200 Мва). За этими пределами их применение становится невыгодным, и на смену им приходят другие типы выключателей, которые можно разделить на две группы — выключатели с продольным и с поперечным дутьем.
При напряжениях 110 кВ и выше применяются выключатели с многократным разрывом тока. Во всех этих выключателях применяется гашение дуги под маслом, но в дугогасительных камерах.
Рис. VI.22. Дугогасительная камера масляного выключателя с поперечным дутьем:
1— неподвижный контакт; 2 — дуга; 3 — подвижный контакт; 4 — буферная камера
Пример гашения дуги продольным дутьем приведен на рис. VII.21; стрелками показано движение газа и масла вдоль дуги и дальше через зазоры между подвижным контактом и перегородками.
Рис. VII.21. Схема дугогасительной камеры масляного выключателя с продольным дутьем:
I — неподвижный контакт; 2 — подвижный контакт; 3 — дуга
Камера действует следующим образом. Когда подвижный контакт отходит от неподвижного, между ними возникает дуга, вокруг которой образуется газовый пузырь, в результате чего давление в верхней части камеры (полностью погруженной в масло) сильно повышается. Это давление заставляет масло перемещаться через зазоры между подвижным контактом и перегородками. Когда подвижный контакт минует одну-две перегородки, начинается газовое дутье вдоль дуги.
Камера выполняется из прочного материала и давление в ней может достигать 300 000—500 000 н/м2 (30—50 am) и более. Высокое давление повышает градиент в стволе дуги и восстанавливающуюся прочность дугового промежутка после перехода тока через нуль, что ускоряет гашение.
Пример гашения дуги поперечным дутьем рассмотрим, пользуясь рис. VI 1.22. Камера находится в баке с маслом.
Рис. VI 1.24. Схема дугогасительной камеры масляного выключателя с многократным разрывом тока: I — камера; 2 — шток; 3 — дуга, выдуваемая в выхлопное отверстие; 4 — токоведущие планки; 5 — токоподвод; 6 — тоководу шал траверса; 7 — выхлопное отверстие
При движении подвижного контакта вниз между ним и неподвижным контактом возникает дуга и образуется газовый пузырь. Давление в верхней части камеры повышается и гонит масло через отверстие в перегородке, как показано стрелкой. Под влиянием движения масла дуга изгибается и затягивается в выхлопные каналы. Кроме того, она прижимается к краям перегородок, что усиливает ее охлаждение и деионизацию. При переходе тока через нуль выделение энергии в дуге прекращается, и давление в камере падает. Между тем, именно в этот момент важно иметь возможно большее давление в области дуги.
Рис. VI 1.23. Ход давления в выключателе с поперечным дутьем:
1 — при наличии буферной камеры; 2 — без буферной камеры
В ее верхней части находится воздух, сжимаемый маслом, находящимся под давлением. Когда давление в газовом пузыре падает, находящийся в буферной камере сжатый воздух выжимает из нее масло вниз и тем самым поддерживает давление в области дуги. Этот процесс показан на рис. VII.23. Сплошная линия представляет ход давления при наличии буферной камеры, штриховая — без нее.
При напряжениях свыше 35 кВ становится необходимым применение многократного разрыва тока. Схематическое изображение камеры с многократным разрывом тока дано на рис. VII.24. При отключении траверса 6 отходит вниз, пружина отжимает шток также вниз и между токоведущими планками и шинками возникает в каждой камере четыре последовательно включенные дуги. После погасания дуг в камерах ток продолжает идти через шунтирующее сопротивление. Он размыкается движением траверсы, растягивающей дуги между нею и камерами. Окончательное гашение дуги происходит так же, как и в выключателе с открытой дугой, но оно облегчается тем, что ток, текущий через шунтирующие сопротивления, небольшой и почти чисто активный.
Рис. VII.25. Типы дугогасительных камер воздушных выключателей:
а — металлическое сопло; б — два изоляционных сопла; в — двухсопловой дугогаситель; г — односопловой дугогаситель; д — дугогаситель с поперечным дутьем
Воздушные выключатели также можно разделить на две основные группы — с продольным и с поперечным дутьем (рис. VII.25): типа представляет собой металлическое сопло, при включенном положении закрываемое подвижным контактом, имеющим соответственный конический наконечник; при отключении подвижной контакт отходит налево, через сопло выбрасывается сжатый воздух, который выдувает дугу наружу. Этот тип оказался недостаточно эффективным и к настоящему времени вышел из употребления; тип б имеет два сопла из изолирующего материала. При включенном положении два подвижных контакта, двигаясь навстречу друг другу, выходят из сопел и смыкаются на открытом воздухе между соплами. При отключении они отходят друг от друга и входят в сопла; одновременно начинается дутье сжатым воздухом из сопел, как показано стрелками; продольное дутье гасит дугу. Этот тип дугогасителя широко применяется западногерманской фирмой AEG, он совершеннее предыдущего, но уступает типам виг;
тип в является так называемым двухсопловым дугогасителем в противоположность односопловому (тип г). Оба эти типа наиболее широко применяются в современных воздушных выключателях и по своей эффективности почти равноценны. Преимуществом дугогасителя по типу в является то, что при расхождении контактов дуга хотя и возникает между торцовыми их поверхностями, но воздушное дутье очень быстро сдувает опорные точки дуги на внутреннюю поверхность сопел. Поэтому торцовая поверхность контактов слабо обгорает и не требует частой зачистки. Минусом его является больший расход воздуха по сравнению с типом г. Последний требует меньшего расхода воздуха, но торец подвижного контакта сильно оплавляется дугой, и его всегда снабжают напайкой из металлокерамики;
тип д — дугогасители применяются только при генераторных напряжениях (10—20 кВ), так как при более высоких напряжениях трудно осуществить их надежную изоляцию. В этом типе, в противоположность предыдущим, применено поперечное обдувание дуги. С ним конкурирует при очень больших мощностях отключения дугогаситель с продольным дутьем (типа в или г).
Рис. VII.27. Схема автогазоного выключателя:
- — отверстие, закрытое поворачивающейся заслонкой;
- — буферный объем; 3 — неподвижный контакт; 4 — дуга; 5 — подвижный контакт
Рис. VII.26. Зависимость температуры конденсации элегаза от давления
Важная особенность воздушных выключателей — быстрый рост мощности отключения с увеличением давления сжатого воздуха. Ряд исследований иностранных ученых установил прямую пропорциональность между мощностью отключения и давлением, по крайней мере, при не очень больших мощностях отключения. Исследования, проведенные на заводе «Электроаппарат» нового выключателя типа ВВБ с металлической дугогасительной камерой, дали меньшую зависимость: I = кр0,7, где I — предельный ток отключения и р — давление. Из этой формулы следует, что при удвоении давления ток отключения, а следовательно, и мощность отключения, увеличатся на 60—65%.
Отдельно следует остановиться на элегазовых выключателях. Они могут быть выполнены с продольным дутьем и с гашением дуги вращением ее в магнитном поле. Особенностью элегаза является его способность конденсироваться при низких температурах уже при небольших давлениях. Это видно из рис. VI 1.26, на котором р — парциальное давление паров элегаза. Из этого рисунка видно, что при температуре минус 40° элегаз может оставаться в газообразном состоянии только при давлениях, не больших 24 000 н/м2(—2,5 ати).
При таком давлении работает разработанный на кафедре электрических аппаратов ЛПИ элегазовый выключатель с гашением дуги путем вращения ее радиальным магнитным полем.
Это устройство было ранее рассмотрено. Можно построить и выключатели с. продольным дутьем элегаза.
Элегаз стоит дорого, поэтому выбрасывать его в воздух через сопла после гашения дуги невыгодно. Задача может быть решена путем расположения внутри дугогасительной камеры особого резервуара с элегазом, находящимся под достаточно высоким давлением 140 000—190 000 н/м2 (15—20 ати). При отключении элегаз выбрасывается через сопла в резервуар больших размеров, где находится под давлением 19 000 — 24 000 н/м2 (2—2,5 ати). Отсюда элегаз перекачивается компрессором в резервуар высокого давления. Чтобы избежать сжижения элегаза при низких температурах, резервуар снабжают подогревателем.
Автогазовый выключатель — это выключатель, в камере которого, выполненной из газогенерирующего материала (например, оргстекла), при расхождении контактов возникает дуга, испаряющая стенки камеры. Повышенное давление гонит дугу в отверстие справа. Из левого отверстия (буферного объема) осуществляется дутье предварительно сжатого газа (рис. VII.27).
Таким образом, в данном выключателе осуществляется поперечное газовое дутье. Трудности с изоляцией не дают возможности строить такие выключатели на напряжение свыше 10 кВ.
Возможно осуществить автогазовый выключатель с продольным дутьем. Такая система применена, например, в автогазовом выключателе нагрузки на 10 кВ.
Электромагнитные выключатели действуют по схеме, показанной на рис. VII.25, д. При расхождении контактов (не показанных на рисунке) между ними возникает дуга, которая гонится магнитным дутьем в камеру. Здесь она встречается с поперечными перегородками из дугостойкого материала. Перегородки заставляют дугу изгибаться зигзагами и охлаждают ее. Электромагнитные выключатели строятся на напряжения не более 15—20 кВ. Они могут выполняться также с гребенчатой камерой.
Действие водяных выключателей принципиально сходно с действием масляных. Однако вода является проводником. Поэтому после отключения тока между контактами должен оставаться достаточный воздушный изолирующий промежуток (рис. VI 1.28).
Остановимся еще на некоторых характеристиках гашения дуги в газовых выключателях переменного тока.
Рис. VII. 29. Процесс сворачивания дуги в спираль в продольном магнитном поле. Амплитуда тока —1200 а. Расстояние между кадрами— 42 мксек
Можно гасить дугу путем вращения ее в магнитном поле, как поперечном, так и продольном, а также продольным обдуванием ее сжатым газом. Случай гашения дуги вращением ее в поперечном магнитном поле был уже кратко рассмотрен (см. рис. VI.19 и VI.20). Здесь остановимся на случае гашения дуги путем вращения ее продольным магнитным полем. Как показывает теория, дуга в продольном магнитном поле имеет тенденцию сворачиваться в спираль. На рис. VI 1.29 показан пример такого поведения дуги в элегазе (SF6). Ее длина вследствие свертывания в спираль увеличивается, растет падение напряжения в ней, увеличивается ее охлаждение и облегчается гашение. На рисунке хорошо видно, что по мере приближения к нулю тока диаметр дуги быстро уменьшается, что, как было показано ранее, также способствует гашению дуги. Аналогичная картина, но менее резко выраженная, наблюдается и при гашении дуги в сжатом воздухе.
Рис. VII.28. Схема водяного выключателя:
I — подвижный контакт: 2 — воздушный зазор; 3 — вода; 4— неподвижный контакт
Существенную роль для гашения дуги, как указывалось ранее, играет величина восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка после перехода тока через нуль. В этом отношении элегаз имеет очень большое преимущество перед воздухом, как можно видеть из рис. VII.30 (продольное дутье).
Перейдем к гашению дуги в продольном газовом дутье. Проведенные в лаборатории электрических аппаратов ЛПИ под руководством проф. Г. А. Кукекова исследования установили ряд новых и иногда неожиданных фактов [JI.VII.3, VII.4]. Так,ы например, при вращении дуги силами магнитного поля было найдено, что диаметр дуги в элегазе значительно меньше, чем в воздухе. При продольном дутье диаметры дуги в воздухе и в элегазе близки, во всяком случае в течение большей части полупериода тока. Только при подходе к нулю тока диаметр дуги в элегазе начинает быстро спадать (рис. VII.31).
Скоростные фотографии ствола дуги в околонулевой области показали существенную разницу поведения дуги в элегазе и воздухе. В случае дуги в воздухе в околонулевой области ствол дуги имеет рыхлое строение. Процесс распада ствола дуги характеризуется наличием завихрений и обрывов. Поэтому можно предполагать, что перед нулем
Рис. VII.30. Сравнение восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка в элегазе и в воздухе
тока происходит диффузионный распад ствола дуги. В случае элегаза ствол дуги имеет плотное строение.
Рис. VI 1.31. Зависимость диаметра дуги при подходе тока к нулю в воздухе и в элегазе. Время отсчитывается от момента нуля тока
Здесь основную роль играют не термодиффузионные процессы, а лавинообразный процесс образования в плазме ствола дуги малоподвижных отрицательных ионов» возникающих вследствие прилипания электронов к молекулам элегаза и продуктов его диссоциации. Осциллограммы дуги в преднулевой области показывают, что в случае элегаза обнаруживается резкий пик гашения дуги. В случае воздуха такой пик не наблюдается.
Гашение дуги при дутье элегазом, так же как и при воздушном дутье, определяется термодинамическим эффектом. Отказ в гашении дуги наступает тогда, когда возникает несоответствие между мощностью дуги Рт= иа1т и произведением перепада давления в дутьевой системе на площадь поперечного сечения горловины сопла, т. е. при существовании неравенства:
где wкр—критическая скорость холодного газа на входе в сопло;
cp— удельная теплоемкость газа; Ар — перепад давления в дутьевой системе; F — площадь поперечного сечения сопла; R — газовая постоянная; ωмин — минимально допустимая скорость газа на входе в сопло.
Рис. VII.32. Зависимость перепада давления при гашении дуги от отношения s\d (см. рис. V1I.33). Амплитуда тока 1200 а, диаметр сопла d = 5,6 мм: 1 — воздух; 2 — элегаз
Рис. VII.33. Сечение сопла
Рис. VII .34. Зависимость постоянной времени дуги при подходе тока к нулю от перепада давления при гашении дуги. Амплитуда тока 1200 а, диаметр сопла 10 мм: 1 — воздух; 2 — элегаз
Особенно важную роль играет в этом процессе перепад давления ∆р. На рис. VI 1.32 показана зависимость перепада давления, необходимого для гашения дуги, от конструктивных параметров дутьевой системы s0 и d (рис. VI 1.33). Минимальный перепад давления для дуги в SF6 соответствует относительному расстоянию s0/d = 0,5.
При этом минимальная скорость потока на входе в сопло 1,5 м/сек. Для воздуха s0/d да 0,35, но минимальная скорость потока 7,5 м/сек, т. е. в 5 раз больше. Приведенные кривые дают основание считать, что система продольного дутья в элегазе менее чувствительна к влиянию термодинамического эффекта на дугогасящую способность, чем такая же система в воздухе. Это значит, что можно увеличивать относительное расстояние s0, а значит, и допустимую амплитуду восстанавливающегося напряжения заметного уменьшения предельного отключаемого тока.
Заметим, что постоянная времени ствола дуги в элегазе почти в 4,5 раза меньше, чем в воздухе, при равных перепадах давления (рис. VI 1.34).
