Элегазовые выключатели распредустройств высокого напряжения

Элегазовые выключатели распределительных устройств высокого напряжения: учебное пособие / В.В. Афонин, К.А. Набатов. - Тамбов, 2009.
Приводятся основные характеристики и свойства элегаза, номенклатура и основные технические параметры элегазовых выключателей отечественного и зарубежного производства.
Предназначено для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» при изучении дисциплины «Электрические аппараты».

ВВЕДЕНИЕ

Высокую надёжность работы всех отраслей народного хозяйства страны обеспечивает современное электротехническое оборудование.
Особую роль в этом играют изделия и оборудование, установленные в системах питания и электроснабжения, причём как в сетях низкого, так и высокого напряжения.
В настоящее время остро стоит задача технического перевооружения парка электротехнического оборудования. Для решения этой задачи необходимо владеть информацией о современном его состоянии, новых типах, технических характеристиках, зарубежных аналогах, продлении срока службы или возможной их замене.
Данное пособие содержит подробную информацию о технических характеристиках, принципах действия, области применения элегазового коммутационного электрооборудования, теоретическое обоснование его работы, а также данные о физических и химических свойствах элегаза. Это позволит будущим специалистам-энергетикам в их работе реально определить состояние оборудования и существенно повысить электробезопасность, надёжность, безаварийность и экономичность электроснабжения.

1. ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размывается электрическая цепь.
Качество коммутации электрической цепи определяется временем и глубиной коммутации, коммутационными перенапряжениями, а для контактных аппаратов с возникающей в них дугой или искрой, кроме того, объёмом ионизированных газов, электрическим износом контактов, звуковыми и световыми эффектами при гашении дуги и т.д.
Обычно стремятся к тому, чтобы время коммутации электрической цепи аппаратами было минимальным. У контактных аппаратов оно составляет 0,01.0,1 с.
Под глубиной коммутации понимают отношение электрического сопротивления Rотк коммутирующего органа в отключенном состоянии к его сопротивлению Rвкл во включенном состоянии:
(11)
Так, у контактных аппаратах, а у бесконтактных -
Для контактных аппаратов наиболее трудной и определяющей является стадия отключения. Это связано с тем, что электрический разряд, возникающий при замыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надёжность и долговечность аппарата. Этот разряд в окружающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250.300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги.

1. Минимальные значения напряжения и тока, необходимые для поддержания дугового разряда

Если ток и напряжение в цепи выше значений, указанных в табл. 1.1, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями:

1. дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах; минимальный ток дуги для различных материалов приведен в табл. 1.1 и для металлов составляет примерно 0,5 А;
2. температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000.. .25000 К;
3. при дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102.103 А/мм2;
4. падение напряжения у катода составляет всего 10.20 В и практически не зависит от тока.

1.2 ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Из курса физики известны разновидности электрических разрядов в газах.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) газового разряда, т.е. зависимость напряжения на дуге от протекающего через неё тока i на разных стадиях разряда в газах [1] показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. ВАХ газового разряда
Участок 0а ВАХ относится к области несамостоятельного заряда, когда промежуток между электродами ионизируется за счёт внешнего источника.
При больших напряжениях несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный, который может продолжаться и при устранении внешнего ионизатора. Течение самостоятельного газового разряда зависит от свойств газовой среды, формы и материала электродов, характера электрического поля между электродами.
Самостоятельный разряд переходит в дуговой (участок вг) через коронный (участок абв) или через слоистый тлеющий разряд (участок адв). Возможен и непосредственный переход несамостоятельных зарядов в дуговой.
В дуге одновременно происходят два процесса: образование заряженных частиц газа - ионов и свободных электронов - процесс ионизации и исчезновение заряженных частиц - процесс деионизации.

1.3 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Отключение нагруженной электрической цепи сопровождается появлением электрической дуги между контактами отличающего аппарата. Дуга должна быть возможно быстрее погашена, что особенно важно при отключении токов короткого замыкания.
При отключении электрической цепи постоянного тока отключающий аппарат должен принудительно уменьшить ток в цепи до нуля. Последнее в цепи с индуктивностью приводит к появлению перенапряжения, значение которого тем больше, чем быстрее ток спадает до нуля и чем больше индуктивность отключаемой цепи. Выключатель постоянного тока должен быть рассчитан на поглощение значительной энергии, которая выделяется в нём в период гашения дуги. Все это сильно осложняет отключение цепей постоянного тока.
Выключение электрических цепей переменного тока облегчается тем, что ток периодически проходит через нуль и дуга в этот момент гаснет. Поэтому отключающий аппарат переменного тока должен лишь предотвратить повторное зажигание дуги после её собственного угасания при прохождении тока через нуль.
При малых токах (до единиц А) и напряжениях источника питания меньше напряжения пробоя межконтактного промежутка или при небольших напряжениях (не выше 10.20 В) и любых токах отключение цепи не сопровождается образованием дуги на электрических контактах.
В процессе отключения цепи межконтактный промежуток отключающего аппарата превращается из проводника электрического тока в диэлектрик: когда электрические контакты замкнуты и по ним проходит ток, сопротивление их мало, а электрическая прочность промежутка равна нулю. Когда аппарат погасит возникшую дугу на его контактах, и остаточный столб ионизированных газов рассеется, электрическое сопротивление образовавшегося изоляционного слоя станет практически равным бесконечности. Электрическая прочность промежутка станет равной пробивному напряжению UПРБ образовавшегося изоляционного слоя.
В процессе отключения электрической цепи электрическая прочность промежутка, называемая восстанавливающейся прочностью, нарастает практически от нуля до напряжения электрической прочности межконтактного промежутка. Восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка обозначается UВП.
Одновременно в процессе отключения растёт (восстанавливается) напряжение на электрических контактах - от падения на замкнутых контактах (мВ) до напряжения источника питания. Это напряжение обозначают UВ.
Отключение электрической цепи протекает в соревновании процессов восстановления электрической плотности промежутка (UВП) и напряжения на нем (Uв).
Электрическая цепь отключается успешно, если кривая восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка аппарата будет лежать выше кривой восстанавливающегося напряжения на нём.

1.4 ОПИСАНИЕ ОТКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКТИВНОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим однофазную (однопроводную) цепь (рис. 1.2), подлежащую отключению однополюсным выключателем при коротком замыкании.

Рис. 1.2. Схема однопроводной цепи, подлежащей отключению при коротком замыкании
Напряжение источника энергии и изменяется синусоидально с угловой частотой ю. Через L и г обозначены результирующая индуктивность и результирующее активное сопротивление цепи, через C - результирующая ёмкость, включенная параллельно выключателю (ёмкость сборных шин, линий, вводов выключателей и др.). Эта ёмкость может быть относительно мала, однако она существенно влияет на процесс отключения. Сопротивление 1/g, включенное параллельно выключателю (на рис. 1.2 показана проводимость g), имитирует волновое сопротивление длинных линий, присоединённых к сборным шинам станции, а также шунтирующий резистор, искусственно вводимый в конструкцию выключателя [2].
При размыкании контактов выключателя цепь тока не прерывается, так как образовавшийся промежуток перекрывается дугой, сопротивление которой относительно мало. По мере приближения тока к нулю температура, ионизация и проводимость дугового промежутка быстро уменьшаются и в какой-то момент времени, близкий к моменту естественного прихода тока к нулю, угасает (рис. 1.3, а). В этот момент промежуток между расходящимися контактами ещё в некоторой степени ионизирован вследствие отставания тепловых процессов в дуговом промежутке от изменения тока. После погасания дуги процесс деионизации дугового промежутка и превращения его из проводника в диэлектрик протекает исключительно быстро, но не мгновенно. Одновременно происходит процесс восстановления напряжения на контактах выключателя. Пока дуга горит, напряжение на разрыве ид относительно мало. В момент погасания дуги напряжение меняет знак и восстанавливается до напряжения сети, близкого к амплитудному значению. Этот процесс определяется постоянными L, C, г, g цепи. Если отношения r/L и g/C малы, процесс восстановления напряжения протекает колебательно. Если восстанавливающаяся электрическая прочность (пробивное напряжение) промежутка (абсолютное значение) все время превышает восстанавливающееся напряжение на полюсе (рис. 1.3, а), дуга не возникает вновь и процесс отключения цепи на этом закончится. В противном случае (рис. 1.3, б) произойдёт новое зажигание дуги.
Через половину периода ток опять достигнет нуля, и описанный процесс повторится, но при более благоприятных условиях, поскольку расстояние между контактами увеличится. Обычно дуга в выключателях горит в течение 1 - 3 полупериодов, в зависимости от конструкции выключателя и характеристик сети.

Рис. 1.3. Осциллограммы тока и напряжений при отключении короткозамкнутой цепи:
а - успешное отключение; б- повторное зажигание дуги Состояние ионизированного промежутка в любой момент времени (состояние в смысле способности промежутка проводить электрический ток или способности противостоять приложенному напряжению) принято характеризовать условным понятием пробивного напряжения Uпрб, понимая под этим термином напряжение, при котором образование новых ионов в единицу времени соответствует потере их в течение этого же времени. Понятие пробивного напряжения в указанном смысле приложимо в равной мере и к ионизированному промежутку, находящемуся в состоянии, близком к проводнику, и к промежутку, находящемуся в состоянии, близком к диэлектрику. Если пробивное напряжение промежутка увеличивается, это означает, что процесс деионизации преобладает над процессом ионизации и промежуток превращается из проводника в диэлектрик. Если напряжение, приложенное к промежутку, превышает пробивное напряжение, преобладает процесс ионизации, следовательно, произойдёт новое зажигание дуги. Для успешного отключения цепи необходимо, чтобы пробивное напряжение промежутка увеличивалось возможно быстрее. Для этого выключатели снабжают гасительными устройствами, обеспечивающими эффективную деионизацию дугового столба.
Приведённое описание условий гашения дуги и отключения цепи переменного тока, представленное как своеобразное «соревнование» процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на контактах выключателя, весьма приближённо. Так представляли себе процесс отключения до изобретения катодного осциллографа, позволившего позднее более детально изучить процессы в дуговом промежутке и в электрической цепи. Существенно важным в приведенном описании является то, что отключение цепи происходит через дугу, которая угасает вблизи момента естественного прихода тока к нулю, независимо от свойств выключателя. Функция последнего заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы предотвратить повторное её зажигание путём быстрой деионизации дугового промежутка. При этом используется исключительное свойство газового промежутка - быстро (в течение нескольких микросекунд) превращаться из проводника в диэлектрик.
Горение дуги связано с выделением значительной энергии. Происходит оплавление контактов, давление в гасительных камерах повышается, возникают механические напряжения в стенках камеры и в баке. «Тяжесть» процесса отключения в значительной мере определяется выделяющейся энергией и разрушительным действием дуги. Для уменьшения последнего стремятся по возможности сокращать время горения дуги.
Наряду с вредными последствиями дуги следует отметить её полезную функцию, заключающуюся в том, что она синхронизирует момент разрыва цепи с моментом естественного прихода тока к нулю - независимо от момента размыкания контактов выключателя. В связи с этим отсутствуют опасные перенапряжения, которые неизбежно имели бы место (если бы дуга не возникала) вследствие внезапного обрыва тока при размыкании контактов.
Для понимания работы выключателей переменного тока важно существенно изучить характеристики дугового разряда.