ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВОЗДУШНЫХ (ГАЗОВЫХ) ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ
5-1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДУГОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ ГАЗОВЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
При отключении токов к. з. и номинальных токов между контактами выключателя практически всегда возникает электрическая дуга. Дугу отключения питаем энергия, запасенная в индуктивных и емкостных элементах цепи. Время горения дуги в современных высоковольтных выключателях не должно превышать 10—20 мс, что определяется требованиями к устойчивости работы энергосистем. За это время энергия, запасенная в реактивных элементах цепи, не успевает рассеяться на ее активных элементах и выделяется в электрической дуге. Эта энергия для современных воздушных выключателей достигает больших значений (до 103 кДж) и при отключении должна быть переведена в тепло и выведена из сравнительно небольшого объема дугогасительной камеры (ДК) (порядка нескольких кубических дециметров) в атмосферу за те же 10—20 мс. В газовых выключателях процесс гашения дуги и рассеяние выделяющейся в ней энергии осуществляет поток газа, создаваемый за счет энергии, запасенной либо в резервуаре высокого давления воздушных выключателей, либо за счет работы привода в элегазовых выключателях автодутья. Холодный газ, поступающий в момент отключения в ДК, взаимодействует с электрической дугой, охлаждает ее, выносит тепловую Энергию из дугового промежутка в атмосферу, где она рассеивается. Одновременно газовый поток выполняет функцию защиты некоторых конструктивных элементов ДК от воздействия высокой температуры дуги, выносит из дугового промежутка пары металла, образующиеся в основном на электродах и стенках ДК при горении дуги, и обеспечивает восстановление электрической прочности непосредственно после окончания процесса гашения дуги: В дуговом разряде различают столб дуги и приэлектродные зоны. Наличие катодной и анодной областей дуги весьма малой протяженности (несколько длин свободного пробега электронов, при давлениях порядка атмосферного и выше примерно кНсм) является существенным признаком дугового разряда [72]. Именно процессы термо- и автоэлектронной эмиссии на катоде обеспечивают поступление в столб дуги свободных электронов в количестве/ достаточном для создания его высокой электрической проводимости. Гашение дуги переменного тока происходит при проходе тока дуги через нулевое значение, когда меняется полярность электродов: анод становится катодом и наоборот. В конечном счете гашение дуги имеет место, если после нуля тока на бывшем аноде не сформируется новое катодное пятно. В то же время в большинстве современных ДК газовых выключателей поток газа воздействует в основном ее на приэлектродные зоны, а на столб дуги, являющийся с точки зрения существования дуги вторичным образованием. Приэлектродные зоны дуги практически не испытывают влияния потоков газа в силу экранирующего влияния тела электродов и достаточно высоких температур столба дуги вблизи приэлектродных зон, нагревающих и вытесняющих основную массу потока газа на периферию ДК. Поэтому гашение дуги обеспечивается охлаждающим и цеионизирующим воздействием потока газа на столб дуги. Решающим условием гашения дуги является отрицательный энергетический баланс в столбе дуги вблизи нуля тока.
Электрическая дуга взаимодействует с потоком охлаждающего ее газа, электродами и стенками ДК, что сопровождается многими явлениями, среди которых ведущее значение имеют тепловые проявления электрической дуги. Сложные процессы в приэлектродных областях дуги (испарение и плавление, эмиссия электронов на катоде и др.) и в самом столбе (оптические явления, сжатие столба собственным магнитным полем и др.) разыгрываются на фоне тепловых явлений, главными из которых являются выделение джоулева тепла и отвод его газовым потоком на стенки и электроды ДК. Без количественного описания тепловых процессов в столбе дуги, его энергетического баланса с учетом резкой неоднородности температуры и больших ее градиентов в столбе как в радиальном, так и в осевом направлении, невозможно правильно понять и объяснить роль других факторов. Без этого не подступиться и к расчету отключающей способности ДК, зависящей не только от параметров самой камеры, но и от структуры и свойств электрической цепи, в которую дуга включена как нелинейный элемент.
Теория столба дугового разряда в выключателях строится обычно без учета его теплового взаимодействия с электродами. Учитываются лишь радиальные потери энергии, а столб считается достаточно длинным и однородным по длине [18]. Считается, что приэлектродные области катодного и анодного падений разделяют столб и электроды и последние взаимодействуют лишь с этими узкими зонами. Обычно подчеркивается резкое различие между приэлектродными зонами и столбом. С точки зрения кинетики взаимодействия и перехода от плазмы к твердой фазе тесная и преимущественная связь между приэлектродными зонами и электродами не вызывает сомнений. Однако перепады температуры от столба к электродам достигают нескольких тысяч градусов, от температуры плавления (2—4) • 105 К на электродных площадках до (5—15) • 105 К и выше в столбе дуги. Это приводит к поступлению значительных потоков тепла на электроды, охлаждающее влияние электродов на столб распространяется на расстояния порядка миллиметров и более, и их тепловое взаимодействие представляется более тесным, чем обычно учитываемое. Реальные дуги, особенно мощные, часто в длину не превышают нескольких сантиметров, и влияние электродов в этом случае может оказаться особенно существенным. С точки зрения распределения температуры вдоль оси разряда приэлектродные зоны могут рассматриваться как тепловой пограничный слой. Тогда тепловое взаимодействие между столбом и электродами может изучаться в первом приближении без учета кинетики процессов в приэлектродных зонах. Крутое снижение температуры и проводимости вблизи электродов должно привести к резкому росту напряженности поля для обеспечения постоянства полного тока разряда в приэлектродных зонах, что соответствует наличию больших приэлектродных падений напряжения. Учет охлаждающего влияния электродов на энергетический баланс столба позволяет улучшить совпадение расчетных и наблюдаемых температур в столбе, особенно в области средних и больших токов, рассчитать тепловые потоки на электроды, определяющие их износ, а также приблизиться к вычислению полного напряжения на дуге для дуг конечной длины [42].
Многообразие процессов, сопровождающих горение и гашение электрической дуги переменного тока в ДК, необходимость выделения существенных факторов приводит к необходимости построения моделей электрической дуги, т. е. совокупности допущений, уравнений, граничных и начальных условий и методов решения, описывающей дуговой разряд с той преимущественной точки зрения, которая существенна для изучения явлений. Так, при использовании электрической дуги в качестве источника света в дуговых лампах на первое место при построении модели выдвигается учет оптических явлений. Для исследования дуги отключения в выключателях необходима разработка моделей дуги переменного тока в продольном потоке газа, учитывающих основные тепловые и энергетические процессы в дуге.
Предложенные более тридцати лет назад модели дуги Майра [96] и Касси [86] и последующее развитие их идей позволили прояснить многое в качественной картине процессов горения и гашения дуги и в целом явились большим шагом вперед в понимании особенностей дуги отключения в выключателях. Однако, несмотря на многочисленные попытки, модели этого типа не стали рабочим инструментом при разработке ДК и их отключающей способности на стадиях конструирования и испытаний. Причины такого положения лежат в особенностях моделей типа Майра — Касси. Во-первых, в основу моделей положено допущение об однородности, неизменности в любой точке дугового промежутка состояния плазмы в данный момент времени. При этом игнорируется хорошо известный факт о резкой пространственной неравномерности температуры, плотности тока, электрического поля и других локальных характеристик дуги как в силу природы дугового разряда, являющегося контрагированной, саморегулирующей формой разряда, так и в силу огромного влияния, оказываемого на дуговой столб воздействием газового дутья, электродов, стенок ДК и иных факторов. Другой особенностью Моделей этого типа является их априорный характер, невозможность установления связи между внутренними характеристиками дуги (температура и др.) "и внешними, регулируемыми, параметрами, определяющими ее состояние (геометрия дугового промежутка, род, давление и расход газа и т. п.). Предполагалось, что удастся обойти этот недостаток, определяя коэффициенты уравнений модели дуги из опыта. Однако оказалось; что, например, постоянная времени дуги —очень плодотворное понятие, введенное Майром, не сохраняется постоянной при изменении условий опыта и зависит от тока дуги, времени и других факторов; что одной постоянной времени вообще не удается описать процесс гашения дуги и т. д. Указанные особенности моделей типа Майра — Касси являются следствием стремления к обобщению, к описанию с помощью моделей процессов горения и гашения дуги в ДК любого типа. В то же время хорошо известно, что даже внутри отдельных классов аппаратов, будь то воздушные или масляные выключатели, различается множество вариантов или типов ДК по методам воздействия на дугу дугогасящих факторов, особенностям поведения дуги и т. п. Предпринимались попытки описания дуговых процессов переменного тока на основе так называемой каналовой модели дуги и ее модификаций [31]. Однако введений в область дуги искусственных границ между горячими и холодными областями, позволившее в ряде случаев приближенно решить задачу о вычислении характеристик дуги постоянного тока в неподвижном газе, оказалось неэффективным для описания дугового разряда переменного тока, подверженного воздействию потоков газа и других факторов. В последние годы разработаны эффективные способы теоретического описания дуговых процессов переменного тока в продольном потоке газа применительно к условиям газовых выключателей. Эти способы позволяют регулярными методами, исходя из общих уравнений динамики газа и плазмы при высоких температурах с учетом реальных условий, существующих в дуговых разрядах при высоком давлении, получить ряд моделей дуги различной степени сложности. Чем более сложными уравнениями описывается модель дуги, тем большее число факторов она учитывает. При упрощении структуры модели, описание дуговых процессов становится менее, точным. Эти модели, называемые регулярными, свободны от недостатков моделей типа Майра —Касси. Вид и структура уравнений моделей, граничные и начальные условия не; являются результатом априорных построений, а получены упрощенными методами из строгих, более общих уравнений при ясно оговоренных допущениях. Коэффициенты в уравнениях моделей содержат параметры, которыми можно управлять при конструировании дугогасительной камеры: геометрические, газодинамические, теплофизические и т. п.
Для описания процессов гашения дуги в газовых выключателях необходимо решать совместно уравнения дуговых процессов и уравнения внешней электрической цепи, в которую выключатель включен и ток которой он отключает. Большое разнообразие встречающихся на практике схем электрических цепей еще более осложняет решение задач о гашении электрической дуги. Преимуществом нового подхода к теоретическому описанию дуги переменного тока в продольных потоках газа является возможность вывода и анализа уравнений дуги без тесной связи с цепью, в которую она может быть включена. Таким образом, исследование процессов гашения дуги разделяется на два этапа; На первом этапе выводятся и анализируются уравнения моделей электродуговых процессов в дугогасительных камерах. На втором этапе эти уравнения решаются совместно с уравнениями электрической цепи для исследования процессов гашения дуги. Далее ограничимся рассмотрением первого этапа.
