Высоковольтные выключатели переменного тока - Конструкции и характеристики элегазовых дугогасителей

6-6. КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕГАЗОВЫХ ДУГОГАСИТЕЛЕЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Современные разработки конструкций выключателей с элегазовыми дугогасителями в настоящее время ведутся в различных направлениях, и прежде всего в тех, которые дают наиболее эффективное технико-экономическое использование специфических свойств этой дугогасящей и изоляционной среды. Такими направлениями являются следующие.
Модульные серии выключателей на высокие классы напряжения (10СГ кВ и выше), предназначенные для отключения предельно больших, токов короткого замыкания при наиболее неблагоприятных условиях коротких замыканий.
Выключатели на номинальное напряжение 10—35 кВ в компактном исполнении для электрифицированного подвижного состава и других электрических установок специального назначения.
Выключатели нагрузки на номинальное напряжение 15— 100 кВ и выше, предназначенные для отключения индуктивных токов ненагруженных трансформаторов и емкостных токов.
Дальнейшим направлением может быть развитие стандартных серий выключателей с элегазовыми, дугогасителями на различные номинальные токи и напряжения, предназначенных для типичных эксплуатационных условий работы.
Технические параметры существующих конструкций элегазовых выключателей приведены выше в табл. 6—1.
В дугогасителях этих выключателей применяются различные способы гашения дуги в элегазе, в зависимости от величины номинального, напряжения, номинального тока отключения и условий
воздействия восстанавливающегося напряжения. По способу гашения дуги в элегазе различаются следующие  дугогасители.       
Дугогасители с системой интенсивного продольного дутья  в элегазе, в которую предварительно сжатый газ поступает из специального резервуара.
Автопневматические дугогасители с дутьем в элегазе, создаваемым посредством специального встроенного компрессионного устройства.
Дугогасители с дутьем в элегазе, создаваемым за счет теплового расширения газа в отдельных рабочих объемах.
Дугогасители с гашением поперечно охлаждаемой дуги в элегазе под влиянием магнитного поля.
Дугогасители с гашением открытой дуги в элегазе.
Существуют также предложения [111] по практическому применению устройств для гашения дуги в сжиженном элегазе.
Элегазовые дугогасители могут существенно отличаться по своим конструктивным параметрам и формам от других типов дугогасителей.
Прежде всего гашение дуги в таких устройствах осуществляется при исходных рабочих давлениях газа, несколько меньших, чем, например, в воздухонапорных дугогасителях. Величина давления обычно принимается из условий сжижения элегаза при повышенных давлениях с учетом возможности устройства подогрева газа в выключателе при низких внешних температурах.
В элегазовом дугогасителе могут быть использованы не только зоны интенсивного, со звуковой скоростью, дутья, но также и зоны более слабого дутья, где распад остаточного ствола дуги может протекать также достаточно интенсивно. Из этого следует (как показали опыты), что в дугогасителях, например, с продольным дутьем целесообразно несколько увеличивать длину ствола дуги за счет удаления дугоулавливающего электрода и увеличения междуконтактного промежутка. По этим же соображениям может быть целесообразным применение двустороннего дутья.
В конструкции размыкающих контактов должна быть предусмотрена возможность «самозачистки» рабочих контактных поверхностей от загрязнения твердыми отложениями фтористых металлических соединений.
Ниже кратко рассмотрены конструкции и характеристики некоторых типов элегазовых дугогасителей.
Дугогасители с интенсивным продольным дутьем в элегазе. Применение интенсивного продольного дутья (звуковые и сверхзвуковые скорости потока в дутьевых соплах) в элегазе позволяет осуществлять конструкции выключателей, обладающих, как, отмечалось выше, специфической высокой отключающей способностью. Продольное дутье в элегазе в таких дугогасителях осуществляется в различного вида дутьевых, системах, состоящих из промежутков, образованных контактами; дутьевых каналов и дутьевых сопел. В этих системах электрическая дуга, образовавшаяся на размыкающих контактах, формируется и подвергается интенсивному воз-
действию аксиального потока холодного газа (элегаза), который поступает к месту гашения (обычно через дутьевой клапан) из резервуара высокого давления.

Рис. 6-26. Дугогаситель элегазового выключателя бакового типа

Рис. 6-27. Элегазовый выключатель бакового типа
На рис. 6-26 [114, 115] дана схема конструкции дугогасителя с продольным дутьем элегазового выключателя бакового типа. Общий вид выключателя приведен на рис. 6-27. Основными элементами этой конструкции являются: газоподводящий канал 8 высокого давления (р= 14 бар), тефлоновый конфузор 3, неподвижный контакт розеточного типа 5, в полости которого
располагается дугогасительный контакт 4 с наконечником из дугостойкого материала; подвижный трубчатый контакт-сопло 2, приводимый в движение от приводного механизма, с отключающей пружиной и неподвижный токосъемный контакт 1. При операции отключения, после открытия клапана 7 посредством приводного рычага 6, сжатый элегаз из резервуара высокого давления (14 бар) поступает в конфузор дутьевой системы. Непосредственно вслед за этим происходит размыкание контактов и формирование ствола дуги в дутьевой системе, где под действием продольного дутья происходит гашение дуги при переходе тока через нуль. «Отработанный» горячий газ выбрасывается во внутреннюю полость бака большого давления, в которой по условиям внутрибаковой электрической изоляции поддерживается давление  элегаза около 3 бар. После гашения дуги избыточный газ перекачивается из бака в ре-, сивер высокого давления посредством специального компрессора. В таком выключателе предусмотрены устройства для осушки и очистки «отработанного» газа.
Дугогасящая способность такого дугогасителя очень высока: при номинальном напряжении 80 кВ номинальный ток отключения составляет величину около 36 кА, т. е. номинальная мощность отключения такого дугогасителя равна 5000 Мв-а.
Ниже приводятся характеристики серии выключателей данного типа:

Как уже указывалось выше (см. § 6-5), эти выключатели обладают способностью отключать предельные токи при весьма высокой начальной скорости восстановления напряжения.
На рис. 6-28 схематически представлена конструкция дутьевой системы рассматриваемого типа, которая применяется в дугогасительных модулях (рис. 6-29) серии элегазовых выключателей высокого и сверхвысокого напряжения [124].
Отличие этой конструкций от предыдущей состоит в том, что неподвижный контакт 1 (рис. 6-28) имеет трубчатую изогнутую форму и боковые выхлопные отверстия, конфузор 2 дутьевой системы со встроенным в него подвижным трубчатым розеточным контактом 3 и соплообразным контактом 5 сопряжен с газопроводом высокого давления 4У который одновременно является поворотной траверсой, приводимой в движение посредством системы тяг и рычагов приводного механизма выключателя. Таким образом, в данной дутьевой системе, в отличие от предыдущей, имеет место двустороннее продольное дутье.
Так же как и в предыдущем случае, «отработанный» газ поступает во внутреннюю полость металлической камеры модуля, в которой поддерживается давление элегаза около 3 бар. Дугогасительный модуль с двумя разрывами обладает более высокими параметрами: при номинальном напряжении на модуль 160 кВ номинальный ток отключения составляет величину около 50  кА. Модульное исполнение дугогасителя позволяет создавать серию выключателей сверхвысокого напряжения [109 и др.].

Рис. 6-28. Дугогаситель одного разрыва, применяемый в металлической дугогасительной камере (модульном элементе) серии элегазовых выключателей
Следует заметить, что необходимость применения замкнутой газораспределительной системы с двумя ступенями давления (высокого pi = 15 бар и низкого р2=3 бар) создает определенные трудности при производстве и эксплуатации таких выключателей. Во-первых, как следует из предыдущего, при давлении около 15 бар в ресивере газообразное состояние элегаза может быть только при температуре не ниже 5° С.

Рис. 6-29. Металлическая дугогасительная камера (модульный элемент) серии элегазовых выключателей на 110 кВ и выше
1 — высоковольтные вводы; 2 — металлическая камера, заполненная элегазом; 3 — шунтирующие емкости; 4 — резервуар высокого давления; 5 — дутьевой клапан; 6 — дугогаситель одного разрыва; 7 — размыкатель цепи шунтирующего сопротивления; 8 — шунтирующие сопротивления;
9 — приходной механизм
Следовательно, в таком выключателе должно быть предусмотрено устройство для подогрева газа в резервуаре высокого давления, который находится в модуле, расположенном на большом расстоянии от земли.
Кроме того, в этой системе необходимы автономная компрессорная установка и устройства для осушки и очистки газа.
Все это до некоторой степени сдерживает широкое развитие выключателей этого типа и заставляет искать более простых решений в создании конструкции элегазовых выключателей, в которых указанные выше проблемы или существенно упрощаются, или исключаются вовсе. К таким конструкциям прежде всего относятся выключатели с автоппевматическими элегазовыми дугогасителями.
Автопневматические элегазовые дугогасители. Прототип такого дугогасителя [119] показан на рис. 6-30, В изоляционной камере 2 на нижней опорной крышке имеется цилиндр 7  из
изоляционного материала с рабочим объемом 9, в котором может поступательно перемещаться поршень 6, составляющий вместе со втулкой 4 и расположенным в ней дутьевым соплом 3 и подвижным контактом 5 один подвижный блок. С поршнем жестко соединена также приводная металлическая тяга 8, связанная через изоляционную тягу с приводным механизмом выключателя. На верхней крышке установлен стержневой неподвижный контакт 1.

Рис. 6-31. Элегазовый автопневматический дугогаситель серии выключателей на 72 кВ и выше
Внутренняя герметизированная полость камеры заполнена элегазом с небольшим избыточным давлением (1—3 бар).

Рис. 6-30. Схема опытной модели автопневматического элегазового дугогасителя высокого напряжения
При операции отключения поршень и связанные с ним элементы посредством тяги быстро перемещаются вниз. При этом рабочий объем цилиндра уменьшается и в нем повышается давление газа. После размыкания контактов и образования на них дуги оконечность верхнего неподвижного контакта выходит за пределы дутьевого сопла, за счет перепада давления pi — ръ в системе устанавливается продольное дутье, благодаря которому при переходе тока через нуль происходит гашение дуги.
Более совершенная конструкция дугогасителя такого же типа схематически показана на рис. 6-31.
Дугогаситель представляет собой герметизированную камеру 7, заполненную элегазом под давлением 1 бар. В камере расположены: неподвижный поршень 6у неподвижный контакт 1 и подвижный блок, состоящий из цилиндра 5, приводной тяги 4, подвижного контакта 3 и тефлонового дутьевого сопла 2. Подвижная система (блок) приводится в движение посредством тяги 9, кинематически связанной с приводным механизмом дугогасителя. Дутьевое сопло в этом дугогасителе представляет собой тефлоновую втулку, имеющую в средней части четыре боковых отверстия соплообразной формы. В нижней части камеры расположен токосъемный контакт 5.
При операции отключения поршневой блок перемещается вниз, в рабочем объеме цилиндра создается давление, благодаря которому после размыкания контактов устанавливается дутье элегаза в зоне горения дуги. Выхлоп горячего газа при этом происходит через отверстие трубчатого неподвижного контакта и через боковые соплообразные отверстия тефлоновой втулки.
Можно полагать, что в конструкции данной дутьевой системы отчасти используется также и эффект теплового расширения в междуконтактном промежутке.
Дугогаситель данной конструкции обладает высокой отключающей способностью: номинальный ток отключения при одном разрыве, при номинальном напряжении 72 кВ составляет величину 31,5 кА при высокой начальной скорости восстановления напряжения ( 3000 в/мксек).
На основе унифицированных конструкций дугогасителей этого типа на 72 и 145 кВ создана модульная серия выключателей на напряжение до 245 кВ и 420 кВ.
Конструкция такого выключателя приведена на рис. 6-32.
Автопневматический принцип гашения дуги в элегазе с успехом может применяться в конструкциях дугогасителей выключателей нагрузки [112].
В расчетах (процессов гашения дуги в элегазовых автопневматических дугогасителях могут быть полностью использованы данные о процессах гашения дуги в потоке элегаза, приведенные ранее в этой главе.

Элегазовые дугогасители с автодутьем.

Использование в дугогасителях теплового расширения газа для автономного дутья в зоне гашения дуги в элегазе представляет некоторый практический интерес, поскольку на этом принципе созданы конструкции элегазовых выключателей нагрузки [112].
Кроме того, данные о характеристиках процессов гашения дуги при этих условиях представляют также интерес для оценки роли теплового расширения газа в работе других типов элегазовых дугогасителей, например автопневматических, которые рассмотрены выше.
На рис. 6-33 показан элемент конструкции дугогасителя с автодутьем в элегазе. Основой является изоляционная камера в виде полого цилиндра, помещенная в фарфоровую герметизированную покрышку, заполненную элегазом под некоторым избыточным давлением. При размыкании контактов образуются две последовательные дуги. При разомкнутых контактах дуга на разрыве 1 остается внутри камеры, за счет чего происходит нагревание газа и повышение внутреннего давления в камере. Дуга верхнего разрыва 2 вытягивается в отверстии дутьевого сопла   (выполненного из тефлона), где под воздействием продольного дутья в элегазе происходит. гашение дуги. Таким образом, продольное дутье в этом устройстве образуется за счет энергии дуги, преобразуемой частично в кинетическую энергию потока газа.
Согласно данным [112], на основе таких дугогасителей могут быть созданы выключатели нагрузки высокого напряжения, с помощью которых можно отключать емкостные токи конденсаторных батарей и токи ненагруженных трансформаторов без появления коммутационных перенапряжений.

Рис. 6-32. Конструкция автопневматического элегазового выключателя на
номинальное напряжение 245 кВ 1 — шунтирующая емкость; 2 — дугогасительная камера; 3 — приводной механизм; 4 — опорная фарфоровая колонка; 5 — изоляционная приводная штанга; 6 — основание; 7— привод;
8 — газоподвод для контроля давления и для подпитки камер элегазом

На рис. 6-34 приведена вольт-амперная характеристика отключающей способности экспериментального образца такого устройства с одним комплектом контактов при различных значениях исходного давления. Устройство имеет следующие геометрические параметры: величина дугогасительного промежутка s2=8,3 см, вели-
чина теплогенерирующего дугового промежутка si=5,2 см, диаметр дутьевого сопла <ic=l,5 см, внутренний объем камеры 1/=1620см3.
Как видно из этих кривых, например, при 3 бар и напряжении, 100 кВ величина отключаемого тока составляет 800 а. Для сравнения на этом же рисунке приведена кривая для случая гашения открытой дуги на промежутке s=15,2 см при давлении р=2 бар. Из сравнения видно, что в данном случае дугогасящая способность промежутка ничтожно мала. Это также свидетельствует о том, что даже относительно небольшое конвективное воздей-  ствие на дугу в элегазе резко улучшает условия ее гашения в цепях переменного тока высокого напряжения.
В улучшенных конструкциях дугогасителей данного типа с диаметром дутьевого сопла dc = =2,9 см, при давлении р = 4 бар, при напряжении 40 кВ ток отключения достигает величины 10000 а.
Дугогасители с электромагнитным гашением дуги в элегазе. При движении электрической дуги в газе в направлении, перпендикулярном направлению тока, под влиянием поперечного магнитного поля могут создаваться условия турбулентного воздействия встречного потока газа на ствол. При этом, как известно, происходит интенсивный тепло- и массообмен между плазмой ствола и холодным газом. Как показывают исследования {101], с повышением скорости поперечно направленного движения сечение ствола уменьшается, дуга оставляет за собой турбулентный  след достаточно большой длины.
При определенных  условиях поперечно направленное движение дуги вызывает так же направленное (сопутное) движение частиц холодного газа.

Рис. 6-33. Схема конструкции комплекта одного разрыва дугогасителя с автодутьем в элегазе

Рис. 6-34. Характеристики предельной  отключающей способности дугогасителя с автодутьем в элегазе при различных значениях исходного давления элегаза в камере

Следовательно, в общем случае относительная направленная скорость обтекания ствола дуги встречным потоком может быть представлена в виде разности
w = wA — wn, >   (6-18)
где — скорость ствола дуги в неподвижном газе, обусловленная действием на него электромагнитной силы;  Wn — скорость сопутного потока холодного газа.
Если положить, что поперечное магнитное поле в зоне электрической дуги создается в магнитной системе за счет намагничивающей силы обмотки катушки, возбуждаемой током дуги, то величина электромагнитной силы, действующей на единицу длины ствола дуги при переменном синусоидальном токе, может быть представлена уравнением
(6-19)
где Аі — коэффициент, определяемый соотношением геометрических параметров магнитной системы; W — число витков обмотки катушки; 1т— амплитуда тока.
Величина скорости поперечно направленного движения этого участка ствола дуги при амплитудной величине тока
  (6-20)
где Аъ — коэффициент; у— плотность газа.
При больших значениях тока, когда воздействующая на дугу сила велика, имеет место неравенство wA >wn.
При очень малых значениях тока в конце полупериода и при переходе тока через нуль скорость обесточенного ствола дуги стремится к нулю (wд—*0), однако сопутные слои холодного газа обладают еще некоторой скоростью, которая затем затухает благодаря турбулентному рассеянию энергии. Поэтому при переходе тока через нуль относительная скорость обтекания ствола становится равной нулю, вместе с тем остается затухающее вихревое движение группы частиц холодного газа,  которые воздействуют на плазму остаточного ствола непосредственно перед переходом тока через нуль. Этим создаются более благоприятные условия для теплоотвода от «ядра» дуги, следовательно, для развития рекомбинации (захвата) электронов и для восстановления электрической прочности промежутка. Поскольку кратковременное турбулентное остаточное воздействие потока носит затухающий характер, скорость восстановления электрической прочности (в пределах околонулевой области тока) с течением времени уменьшается.
Из этого следует, что электромагнитное гашение дуги в элегазе целесообразно применять в выключателях на большие номинальные токи отключения и на напряжения 6—20 кВ или в выключателях нагрузки высокого напряжения на относительно небольшие токи отключения. О способности к отключению емкостных токов конденсаторных батарей и индуктивных токов ненагруженных трансформаторов в настоящее время данных нет.
На  рис. 6-35 представлена схема конструкции [98] дугогасителя с электромагнитным гашением в элегазе.

Рис. 6-36. Схема конструкции элегазового дугогасителя с воздействием на дугу магнитного поля, создаваемого
постоянными магнитами 1 — герметизированная камера, заполненная элегазом; 2 — контакт; 3 — постоянный магнит
Рис. 6-35. Схема опытной модели дугогасителя с электромагнитным дутьем в элегазе
При размыкании контактов образовавшаяся Дуга под влиянием этого поля перемещается по окружности в кольцевом зазоре с некоторой скоростью.
Исследования подобного рода устройства [120] показали, что при величине кольцевого зазора 15 мм и давлении 4 бар, при напряжении 10—20 кВ величина тока отключения составляет около 15 кА. 
На рис. 6-36 представлена схема конструкции дугогасителя с электромагнитным гашением дуги [107], у которого поперечное радиальное магнитное поле создается посредством постоянных магнитов, встроенных в оконечности контактов. Напряженность магнитного поля рабочей зоны промежутка в таких системах относительно мала, следовательно, мала и дугогасящая способность таких устройств, которые могут применяться только для выключателей нагрузки.
В герметизированной изоляционной камере заполненной элегазом под некоторым избыточным давлением, расположены: неподвижный электрод 2, выполненный в виде цилиндра, и подвижный электрод-контакт 3, который, может приводиться в движение от какого-либо приводного механизма. Снаружи камеры расположена катушка магнитного дутья 4, обмотка которой включена последовательно в главную цепь устройства. При возбуждении катушки Ь камере создается осенаправленное магнитное поле.

Дугогасители с гашением открытой дуги в элегазе.

Дугогаситель с гашением открытой дуги на размыкающих контактах в элегазе может быть представлен в виде герметизированной камеры, заполненной элегазом под некоторым давлением. В камере происходит размыкание контактов с некоторой линейной скоростью v и образование на них электрической дуги. В данном случае роль турбулентного воздействия газа на ствол дуги очень мала, следовательно, мала и отключающая способность таких дугогасителей. Это можно видеть из рис. 6-37, где показаны кривые восстанавливающейся электрической прочности
междуконтактного промежутка s=7,6 см при различных давлениях элегаза и значениях тока дуги. Такие данные в обобщенном виде при переменном токе 400 а могут быть представлены уравнением

(6-21)
где р — давление газа, бар\ v1{ — скорость образования междуконтактного промежутка, м/сек.
Устройства (камеры) с простым разрывом дуги в элегазе могут успешно [108, 112] применяться для быстродействующих заземлителей (короткозамыкателей). Схема такого устройства показана на рис. 6-38. В этом устройстве происходит замыкание, а не разрыв контактов.

Рис. 6-38. Дугогаситель элегазового заземлителя
(короткозамыкателя) 1 герметизированная камера, заполненная элегазов; 2 —электрический неподвижный экран для защиты от короны; 3 — неподвижный контакт; подвижный контактный стержень;
5 — опорная труба

Рис. 6-37. Восстанавливающаяся электрическая прочность междуконтактного промежутка в элегазе после перехода тока через нуль при гашении открытой дуги

Благодаря высокой электрической прочности элегаза время горения дуги во время замыкания существенно сокращается.