Высоковольтные выключатели переменного тока - Расчет дугогасителей выключателей

4-3. ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ДУГОГАСИТЕЛЕЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В современных выключателях переменного тока высокого напряжения дугогасительное устройство (дугогаситель) является главным элементом конструкции, в котором при отключении совершается основной рабочий процесс — электродуговое размыкание электрической дуги.
С работой дугогасителя связан сложный комплекс протекающих в нем физических процессов; к общим, наиболее характерным из них относятся такие:
а)       горение электрической дуги при свойственных данному дугогасителю условиях воздействия на нее окружающей среды;
б)      изменение величины между контактного промежутка (длина ствола дуги) при горении и гашении дуги;
в)       изменение физико-химического состава- и состояния дугогасящей среды в зоне горения дуги;
г)       образование потоков газообразных или жидких дугогасящих сред (газа, газопаровой смеси, масла и др.) в рабочих объемах и каналах дугогасителя в отдельные стадии электродугового размыкания;
д)      изменение давления, температуры дугогасящей среды, вызываемое в дугогасителе под влиянием внешних воздействий;
с) изменение характеристик магнитного потока внешнего магнитного поля, воздействующего на дугу;
ж) изменение физического состояния остаточного ствола (температуры, „степени ионизации, диаметра поперечного сечения и др.) в околонулевой области тока и нарастание электрической прочности междуконтактного промежутка (см. § 4-1).
Ход и взаимное сочетание отдельных процессов в дугогасителе характеризуют основные его физические свойства, в частности его дугогасящую способность. С другой стороны, физические свойства дугогасителя зависят от принципа его действия, выбранных конструктивных форм и геометрических параметров основных узлов и деталей.
Под параметрами дугогасительного устройства понимают: число, взаимное расположение, геометрическую форму и размеры рабочих каналов, в которых происходит горение и гашение дуги; геометрическую форму и размеры междуконтактного промежутка в момент гашения дуги и число промежутков. К параметрам дугогасителя можно также отнести все основные размеры электромагнитов системы магнитного дутья (если в данном, дугогасителе оно используется).
К основным характеристикам дугогасительных устройств могут быть отнесены: характеристика скорости движения дугогасительных контактов; скорость движения встроенных в дугогаситель клапанов (если они имеются); максимальная величина и характер изменения давления газообразной среды в рабочих объемах, каналах, выхлопных устройствах и др.; характеристики течения потоков дугогасящей среды в зоне гашения дуги в отдельные стадии
электродугового размыкания; скорость растягивания и перемещения ствола дуги под влиянием поперечного магнитного поля (в случае так называемого электромагнитного гашения дуги); изменение* напряжения на дуге и выделяющейся в ней мощности и энергий характеристики и параметры остаточного ствола дуги (электричек екая проводимость, диаметр поперечного сечения, температура  и др.) и характеристики нарастания электрической прочности промежутка в околонулевой области тока.    
Расчет и конструирование дугогасительного устройства являются одной из наиболее важных задач в проектировании выключателей переменного тока высокого напряжения. В задачу расчета входит определение по заданным исходным данным оптимальных параметров и рабочих характеристик дугогасителя, основанного на том или ином принципе гашения дуги.
Полученные расчетные данные об оптимальных параметрах и характеристиках могут служить основой для детальной разработки конструкции дугогасителя (обычно опытного образца).
Вместе с тем ряд полученных данных, таких, как характеристики движения дугогасительных контактов, расход дугогасящей среды на один цикл отключения (например, сжатого воздуха), данные об изменении давления сжатого воздуха, газа или масла в отдельных объемах и каналах дугогасителя и др., необходимы как исходные данные для расчета и конструирования других узлов конструкции выключателя: приводов, приводных механизмов, резервуаров, газовых трактов, различных клапанов и др. Таким образом, принцип действия, конструктивные формы и физические параметры дугогасителя во многом определяют конструктивные формы и ряд основных размеров выключателя в целом.
Расчет параметров дугогасителя и характеристик протекающих в нем процессов охватывает широкий круг задач механики, теплофизики, теории газового разряда, гидрогазодинамики и др.
Следует - заметить, что перечисленные выше основные физические процессы, наблюдаемые в дугогасителях при отключении, имеют быстропротекающий, резко переходный и в ряде случаев нелинейный характер; в ходе их взаимное влияние многих отдельных  факторов может быть чрезвычайно сложным. Поэтому вопросы теории и методы расчета ряда наблюдаемых в дугогасителях процессов развиты пока еще не в такой степени, чтобы можно было всегда находить аналитические решения отдельных задач в виде, количественных соотношений, позволяющих точно рассчитывать параметры и характеристики дугогасителей. Более того, при современном состоянии исследований ряда процессов, например микрокинетических процессов в области остаточного ствола, не всегда представляется возможным дать детальную теоретическую трактовку и обобщения.
В связи с этим построение современных методов расчета процессов при горении и гашении дуги и расчета параметров дугогасителей возможно только при тех или иных принятых упрощающих ; предпосылках, например таких, как:
а)       упрощенная физическая картина процесса без учета влияния явно второстепенных факторов;
б)      схематизация вида воздействия отдельных факторов;
в)       упрощенные геометрические формы моделей рассчитываемых систем;
. г) усреднение физических констант,, параметров, коэффициентов и характеристик отдельных явлений;
д) линеаризация уравнений, относящихся к рассматриваемым процессам, которые в общем случае могут иметь нелинейный характер, и др.
Разумеется, в современных методах расчета дугогасителей большое значение имеет использование обобщенных опытных данных, полученных при исследованиях физических параметров и характеристик электрической дуги и ряда отдельных* сложных процессов, наблюдаемых в дугогасителях, а также данных, полученных- при исследованиях и испытаниях моделей, макетов и промышленных опытных образцов дугогасителей  аналогичного типа. Этот вопрос в настоящее время имеет большое значение, поскольку за последние годы благодаря усовершенствованию методов и техники эксперимента подобного рода опытные исследования приобретают все более глубокое научное содержание. Это позволяет не только более детально изучать физическую сущность самих процессов, но также вносить уточнения в методики и результаты приближенных инженерных расчетов дугогасителей.
В настоящее время в области исследования и расчета дугогасителей выключателей переменного тока высокого напряжения определились четыре более или менее самостоятельные проблемы:
а)       исследование и расчет физических параметров и характеристик электрической дуги;
б)      исследование параметров и характеристик остаточного ствола в процессе его разрушения в околонулевой области тока и восстановления электрической прочности дугогасительного промежутка;
в)       исследование теплофизических, газодинамических и других процессов в дугогасителе при электродуговом размыкании;
г)       исследование восстанавливающегося напряжения на дугогасительном промежутке после перехода тока через нуль.
Научное содержание этих проблем должно служить основой для создания современных инженерных методов расчета дугогасителей.
4-4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДУГОГАСИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВАМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ИХ РАСЧЕТА
На основании общих требований, предъявляемых к выключателям (ГОСТ и др.), и опыта исследований и эксплуатации можно сформулировать следующие общие требования к дугогасителям.
1. Дугогаситель должен надежно гасить электрическую дугу при заданном номинальном напряжении и заданных сетевых условиях восстановления напряжения, при отключении заданных
предельных максимальных токов (достигающих иногда по величине сотен тысяч ампер) в заданных пределах времени и циклах операции.
Должен надежно и быстро, без повторных зажиганий и без появления в отключаемой цепи чрезмерных коммутационных перенапряжений гасить дугу при отключении номинальных токов нагрузки, емкостных токов ненагруженных линий и индуктивных токов незагруженных трансформаторов.
Должен стабильно работать без изменения начальных основных характеристик в течение заданного эксплуатационного периода или в пределах заданного числа операций.
Контактная система дугогасителя должна быть простой, надежной в работе, высокоизносостойкой и легкодоступной для осмотра и замены изношенных частей.
Элементы конструкции дугогасителя (корпус камеры, дугогасительные перегородки, сопла, элементы механизмов контактных систем и др.) должны обладать достаточной механической прочностью и надежностью при длительной эксплуатации.
Конструкция дугогасителя в целом должна быть простой, надежной в работе, технологичной в производстве и удобной в эксплуатации.
7Г Расход дугогасящей среды (масла, сжатого воздуха или газа), необходимой для выполнения операции отключения в заданном цикле, должен быть минимальным.
8. Конструкция и номинальные данные дугогасителя должны отвечать требованиям рациональной компоновки конструкции выключателя или серии выключателей на различные классы номинального напряжения.
. Наряду с указанными общими требованиями к дугогасителям выключателей может предъявляться, ряд специальных требований, например: надежная работа дугогасителя в условиях очень большого числа частых включений и отключений номинальных токов нагрузки (дугогасители выключателей для электропечных установок высокого напряжения), взрывобезопасность и др.
Основными исходными данными для расчета и конструирования дугогасителей являются:
а) выбранный тип дугогасителя, род и свойства исходной дугогасящей среды;
б)      схема конструкции устройства;
в)       номинальное напряжение, относящееся ко всем последовательно включенным между собой междуконтактным промежуткам дугогасителей полюса выключателя,, и предполагаемое (или заранее рассчитанное) распределение напряжения по отдельным дугогасительным промежуткам;
г)       величина номинального тока отключения, номинальная мощность отключения и предельная максимальная величина тока отключения;
д)      характеристики восстанавливающегося напряжения (стандартные или специальные);
е)       время гашения дуги и заданный цикл операций;
ж)      номинальный ток длительной нагрузки контактной системы дугогасителя; 
з)       сквозной ток короткого замыкания и ток включения на к. з.;
и)      исходное давление воздуха (газа) в резервуаре (камере) и в рабочих газопроводах;
к) предполагаемый способ размещения и способ электрической изоляции дугогасителя (или комплекта дугогасителей) в конструкции выключателя (серии выключателей, если проектируется модульный дугогасительный элемент).
Исходные данные для разработки дугогасителей устанавливаются на основании технических условий на проектируемый выключатель (серию выключателей), отвечающих требованиям ГОСТ и ряду специальных требований (если они имеются).