Глава седьмая
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
7-1. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ
В дугогасительных устройствах современных масляных выключателей гашение дуги осуществляется путем эффективного ее охлаждения в потоке газообразной среды (газопаровой смеси), вырабатываемой самой дугой за счет испарения и разложения масла.
По сравнению с рассмотренным выше процессом гашения дуги в потоке холодного воздуха в данном случае условия теплообмена дуги с окружающей средой имеют ряд особенностей, из которых основными являются следующие: в составе газопаровой смеси значительную долю (до 70%) составляет водород, обладающий по сравнению с воздухом более высокой теплопроводностью, но меньшей предельной электрической прочностью; поток газопаровой смеси в зоне горения дуги обладает высокой температурой (800— 2500°К). Механизм охлаждения ствола дуги при больших (обычно выше 100 а) и малых значениях тока дуги различен. При больших токах охлаждение ствола дуги происходит главным образом за счет принудительной конвекции в потоке газопаровой смеси при большом давлении.
С увеличением тока интенсивность конвективного охлаждения и величина давления в зоне гашения увеличиваются. Этим создаются наиболее благоприятные условия для восстановления электрической прочности междуконтактного промежутка при переходе тока дуги через нуль.
При небольших токах конвекция давление газа в зоне гашения дуги снижаются, следовательно, ухудшаются условия гашения дуги. Вследствие этого в области небольших токов наблюдается заметное увеличение продолжительности горения дуги.
Повышение давления в зоне гашения дуги за счет принудительной подачи масла под действием внешних источников механической энергии может существенно улучшить условия гашения дуги и, следовательно, сократить время горения дуги при отключении небольших токов.
В первом приближении можно считать (129, 133, 134 и др.), что основными условиями наиболее эффективного гашения дуги в дугогасительных устройствах масляных выключателей являются:
а) интенсивное дутье газопаровой смеси в зоне дуги (особенно в моменты времени, близкие к концу полуволны тока);
б) возможно высокое давление газопаровой смеси в области дуги в конце полупериода тока;
в) малое расстояние между поверхностью ствола дуги и стенкой капала, образованного окружающим дугу маслом или пропитанными маслом твердыми изоляционными поверхностями. В этом
случае создаются наиболее благоприятные условия для интенсивного испарения и образования потоков насыщенного пара масла непосредственно около поверхности ствола дуга
В существующих конструкциях дугогасительных устройств масляных выключателей некоторые или все из перечисленных условий в той или иной степени достигаются путем выбора соответствующего принципа действия устройства, конструктивных форм и размеров отдельных его элементов.
По принципу действия дугогасительные устройства современных масляных выключателей можно разделить на три группы.
Дугогасительные устройства с автодутьем.. В этих устройствах условия для гашения дуги — высокое давление и большая скорость потока газа в зоне гашения дуги — создаются за счет выделяющейся в дуге энергии.
Дугогасительные устройства с принудительным масляным дутьем, у которых масло к месту разрыва нагнетается с помощью специальных гидравлических механизмов.
Дугогасительные устройства с магнитным гашением- в масле. В устройствах этого типа ствол дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного материала, что создает благоприятные условия для гашения.
Дугогасительные устройства, с автодутьем благодаря своей большой эффективности и относительной простоте нашли наиболее широкое применение.
Устройства второй группы применяются редко, так как принудительное масляное дутье при отключении больших токов малоэффективно, конструкции же таких дугогасителей с их вспомогательными маслонагнетающими механизмами получаются весьма сложными и громоздкими. Действие принудительного масляного дутья более заметно проявляется при отключении малых токов, поэтому в отдельных случаях принудительное масляное дутье применяется в некоторых автодутьевых камерах как дополнительное средство для более надежного (без повторных зажиганий) гашения дуги при отключении малых емкостных токов линии.
Дугогасительные устройства с магнитным гашением также не нашли широкого применения, так как этот способ при существующих конструктивных решениях оказывается менее эффективным, чем автодутье в масле.
Дальнейшее рассмотрение вопросов расчета и конструкций дугогасительных устройств будет относиться главным образом к устройствам с автодутьем в масле. Конструктивные схемы современных дугогасительных устройств этого типа даны на рис. 74 и 7-2.
Автодутьевые дугогасительные устройства обычно выполняются или в виде жесткой камеры (рис. 7-1), корпус которой собран иг жестко соединенных между собой деталей, или в виде ток называемой эластичной камеры (рис. 7-2), собранной из отдельных элементов, связанных между собой упруго при помощи пружин или эластичных прокладок.
В процессе отключения при повышении давления внутри камеры элементы эластичной камеры могут разобщаться, образуя дополнительные рабочие каналы в зоне горения дуги, что создает более благоприятные условия для гашения.
В зависимости от числа и взаимного расположения в камере контактов и от последовательности их размыкания дугогасители
Рис. 7-1. Схемы конструкций жестких дугогасительных камер с автодутьем в масле 1 — неподвижный контакт; 2 — рабочий элемент дугогасителя; 3 — подвижный контакт; 4 — промежуточный контакт
данного типа могут выполняться в различных конструктивных вариантах, например:
а) камеры с одним основным разрывом контактов;
б) камеры с большим числом разрывов контактов, с одинаковыми для всех разрывов условиями гашения дуги;
в) камеры с одним основным и одним вспомогательным разрывами;
г) камеры с большим числом как основных, так и вспомогательных разрывов.
При наличии в камере вспомогательного разрыва создаются условия для более или менее стабильного газогенерирования в определенной зоне дугогасителя, что в некоторых случаях может способствовать более интенсивному гашению дуги на основном разрыве.
Большое число разрывов применяется при очень больших рабочих напряжениях, а также в тех случаях, когда с целью ограничения перенапряжений, возникающих при отключении малых индуктивных токов, часть разрывов шунтируется сопротивлением.
Рис. 7-2. Схемы конструкций эластичных камер с автодутьем в масле
1 — неподвижный контакт; 2 — комплект пружин; 3 — рабочий элемент дугогасителя; 4 — распорная труба; 5г— подвижный контакт; 6 — упругое кольцо
Дугогасящая способность рассматриваемых устройств при прочих равных условиях в значительной степени определяется размерами, формой и взаимным расположением рабочих каналов камеры, в которых в основном происходит интенсивное охлаждение ствола дуги и восстановление электрической прочности промежутка.
Путем соответствующего расположения каналов может быть получено коаксиальное или перпендикулярное оси ствола дуги направление газового потока. В современных камерах применяются следующие виды дутья: продольное дутье (рис. 7-1, а, в), поперечное дутье (рис. 7-1,6, еу ж), смешанный способ дутья (рис. 7-1,г) и встречно-поперечное дутье (рис, 7-1,д). Выбор типа дутья определяется поминальным напряжением, мощностью отключения и экономическими соображениями.
Как уже говорилось выше, некоторые конструкции камер с автодутьем дополняются механизмом для получения добавочного принудительного масляного дутья. Конструктивная схема одного из таких дугогасителей дана на рис. 7-3,
Установим некоторые исходные положения для расчета камер с автодутьем в масле.
В общем случае весь цикл работы камеры при отключении можно разбить на три основных этапа..
Первый этап — после размыкания контактов дуга горит в замкнутом газопаровом пузыре (рис.7-4,а). В течение этого этапа за счет выделяющейся в дуге энергии в камере образуется запас сжатой до некоторого давления газопаровой смеси, используемой для гашения дуги в рабочих каналах после их открытия.
Второй этап (рис. 7-4, б) наступает с момента начала истечения газопаровой смеси из области газопарового пузыря через рабочие каналы, в которых горит дуга, за пределы камеры.. Характеризуется изменением давления газа в камере и рабочих каналах, а также интенсивностью истечения. Завершается этот этап восстановлением электрической прочности междуконтактного промежутка, следовательно, он является основным.
В течение третьего этапа (рис. 7-4, в) происходит удаление из камеры оставшихся после гашения дуги горячих газов и паров масла и заполнение внутренней полости камеры свежим маслом. Таким образом, на этом этапе происходит подготовка камеры для последующего отключения. В дугогасительных камерах, предназначенных для работы в цикле АПВ, этот этап имеет очень важное значение.
Рис. 7-3. Автодутьевое дугогасительное устройство с дополнительным механизмом принудительного масляного дутья
Первые два этапа характеризуются сложным комплексом связанных между собой термо- и гидродинамических процессов, от хода которых в конечном счете зависит дугогасящая способность устройства в целом.
С другой стороны, ход этих процессов при прочих равных условиях определяется выделяющейся в дуге мощностью и скоростью размыкания контактов, а также конструктивной формой и геометрическими параметрами дугогасителя; объемом внутренней полости камеры и степенью начального заполнения ее маслом, размерами, формой, числом и взаимным расположением рабочих каналов, в которых происходит гашение дуги, и.др.
Рис. 7-4. Схема основных этапов работы дугогасительного устройства с автодутьем в масле: а — горение дуги ; в замкнутом газопаровом пузыре; б — истечение газопаровой смеси через область гашения дуги; в — наполнение камеры маслом после гашения дуги
Из этого следует, что расчет дугогасительного устройства с масляным автодутьем должен основываться на решении следующих общих задач:
а) расчет мощности и энергии дуги для отдельных моментов времени ее горения и расчет процесса газообразования;
б) расчет давления в камере при горении дуги в замкнутом газопаровом пузыре;
в) расчет давления в газопаровом пузыре при истечении из него газопаровой смеси через рабочие каналы;
г) расчет давления газопаровой смеси и скорости ее истечения в зоне интенсивного дутья;
д) расчет восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка (одного или нескольких) при больших, средних и малых значениях тока и расчет мощности отключения дугогасителя;
е) расчет времени гашения дуги при различных значениях тока;
ж) расчет расхода масла в камере при одном отключении и определение необходимого объема внутренней полости камеры;
з) расчет процесса наполнения камеры маслом после гашения дуги;
и) расчет на механическую прочность элементов конструкции камеры.
Решение этих задач ведется в той или иной последовательности в зависимости от исходных условий для расчета.
