Дуговые процессы в элегазовых дугогасительных устройствах с магнитным дутьем

Воздушные электромагнитные выключатели с узкощелевой камерой не исключают выброс ионизированных частиц и продуктов горения дуги из дугогасительной камеры, что ограничивает область их применения и обусловливает необходимость увеличения объема для их размещения в КРУ. Образование налета продуктов горения дуги на стенках узкощелевой камеры в зоне дугогашения приводит к необходимости проведения частых ревизий.


Рис. 1. Принципиальные схемы элегазовых дугогасительных устройств с гашением дуги в радиальном (а) и продольном (б) магнитных полях
Более перспективны (особенно при частых коммутациях) элегазовые выключатели с магнитным дутьем, в которых дуга гасится посредством ее вращения по кольцевым электродам в среде элегаза под действием электромагнитного поля. При разработке элегазовых дугогасительных устройств с магнитным дутьем используется радиальное либо продольное (вдоль оси дугогасительного устройства) магнитное поле. В дугогасительном устройстве с радиальным магнитным дутьем (рис. 1, а) магнитное поле создается двумя встречновключенными дугогасительными катушками 1, соединенными с торцевыми кольцевыми электродами 2. Под действием электромагнитного усилия, возникающего при протекании отключаемого тока по катушкам, дуга перемещается по кольцевым электродам в элегазе и гаснет в результате интенсивного охлаждения. В дугогасительном устройстве с продольным магнитным дутьем (рис. 1, б) дуга, возникающая между подвижным 2 и неподвижным 5 контактами, перебрасывается в кольцевой промежуток между концентрическими электродами 2 и 3. В момент переброса дуги в кольцевой промежуток (для этого служит промежуточный электрод 4) в цепь тока подключается дугогасительная катушка 1, возбуждающая электромагнитное поле, под действием которого происходит гашение дуги посредством ее вращения в элегазе.
Дугогасительная способность элегаза при прочих равных условиях более эффективна, чем у воздуха. Это объясняется составом плазмы и температурной зависимостью теплоемкости, тепло- и электропроводности. На рис. 2 приведены зависимости удельной теплоемкости ср и Д элегаза от температуры. В состоянии плазмы молекулы эле- газа распадаются. При температурах около 2000 К теплоемкость элегаза резко увеличивается вследствие диссоциации молекул. Поэтому теплопроводность плазмы в области температур 2000 — 3000 К значительно выше (на два порядка), чем у воздуха. При температуре около 4000 К диссоциация молекул уменьшается.

Рис. 2. Зависимость удельной теплоемкости ср и теплопроводности А от температуры: элегаз воздух

В то же время образующаяся при разложении элегаза атомарная сера с низким потенциалом ионизации способствует такой концентрации электронов, которая оказывается достаточной для поддерживания дуги даже при температурах около 3000 К. При дальнейшем росте температуры теплопроводность плазмы падает, достигая теплопроводности воздуха, а затем снова увеличивается. Такие процессы уменьшают напряжение и сопротивление горящей дуги в элегазе на 20 — 30 % по сравнению с этими параметрами для дуги в воздухе вплоть до температур около 12000*8000 К. При дальнейшем снижении температуры плазмы (до 7000 К и ниже) концентрация электронов в ней уменьшается, в результате чего электрическая проводимость плазмы падает.
При температуре 6000 К сильно уменьшается степень ионизации атомарной серы, усиливается механизм захвата электронов свободным фтором, низшими фторидами и молекулами элегаза. При температуре около 4000 К диссоциация молекул заканчивается и начинается рекомбинация молекул, плотность электронов еще больше уменьшается, так как атомарная сера химически соединяется с фтором. В этой области температур теплопроводность плазмы еще значительна. Удаление свободных электронов из плазмы за счет захвата их молекулами элегаза и атомарным фтором способствует охлаждению дуги и увеличению электрической прочности промежутка.
Энергия, выделяемая дугой в среде, элегаза меньше, чем в воздухе, вследствие ее меньшего теплосодержания, обусловленного меньшим напряжением на дуге (табл. 1.).

Таблица 1
Напряжение на дуге в различных дугогасящих средах

При одинаковых условиях длительность горения дуги при магнитном дутье в элегазе меньше. Рассмотрим особенности протекания дуговых и эрозионных процессов на электродах дугогасительного устройства с гашением дуги посредством вращения ее под действием магнитного поля в промежутке между концентрическими электродами 2 и 3 в этих средах (см. рис. 1, б).
В элегазе наблюдается четко выраженный ствол дуги, и происходит сужение (стягивание) ее оснований; в воздухе при аналогичных условиях все пространство между электродами заполняют ионизированные газы. Дуга в воздухе имеет расплывчатый вид и рыхлую структуру. Диаметр дуги в элегазе в несколько раз меньше, чем в воздухе. Кроме того, в элегазе дуга имеет тенденцию к петлеобразованию (особенно в момент перехода тока через нулевое значение), а в ряде случаев происходит расщепление дуги на отдельные волокна. Все это приводит к закорачиванию отдельных участков дуги, ее скачкообразному перемещению и, как следствие, к увеличению эрозии контактов.
Вследствие радиального сжатия дуги ее собственным магнитным полем за счет пинч-эффекта в дуге возникает разность давлений, которая обусловливает выброс потоков плазмы, исходящей из мест наибольшего сужения оснований дуги. Кроме стягивающего эффекта, определенную роль в образовании потоков плазмы играют и тепловые процессы в приэлектродных основаниях дуги. Сужение основания дуги приводит к увеличению в них плотности тока и температуры, вследствие чего сгустки плазмы с более высокой температурой устремляются в более холодные области, где давление меньше. Повышение температуры в основании дуги сопровождается более интенсивным испарением материала контактов и образованием за счет этого областей с повышенным давлением. Совокупность этих явлений и обусловливает образование и выброс потоков плазмы, оказывающих заметное влияние на процесс дугогашения и эрозию контактов.
Для возникновения потоков плазмы должны соблюдаться определенные условия. Значения граничного тока, при котором возникают плазменные потоки, зависят от свойств контактного материала и дугогасящей среды. Плазменные потоки существенно ухудшают дугогашение и увеличивают эрозию контактов.
Таким образом, наиболее предпочтительны контактные материалы и дугогасящие среды, обеспечивающие более высокие значения граничных токов, при которых начинается образование плазменных потоков. Так, значение граничного тока для электродов из меди в воздухе = 35 А. В элегазе же потоки плазмы на медных и латунных электродах возникают соответственно при 80 и 200 А, а добавка углерода еще более поднимает порог образования плазменных струй.
Следующим условием возникновения потоков плазмы является наличие определенного расстояния между электродами. Установлено, что выбросы плазмы из ствола дуги начинают проявлять себя в межконтактном промежутке размером более 1 мм.
Потоки плазмы обладают высокой скоростью, достигающей 1000 — 10000 м/с, и выносят значительное количество испарившихся частиц контактного материала, что увеличивает эрозию, а также влияет на восстанавливающуюся прочность межконтактного промежутка. Кроме того, потоки плазмы обладают более высокой температурой, чем окружающие их области ствола дуги и имеют более высокую электрическую проводимость. Существенное влияние на интенсивность возникновения потоков плазмы оказывают также конфигурация и взаимное расположение электродов.
Из сопоставления дугогасящих сред следует, что характер протекания дуговых процессов на контактах в этих средах существенно различается, вследствие чего различен и характер дуговой эрозии, а следовательно, и коммутационный ресурс. Особенность гашения дуги при магнитном дутье в элегазе заключается в том, что при токе, близком к нулевому значению, тонкий ствол дуги петлеобразной формы сохраняется вплоть до момента перехода тока через нуль. При этом остаточный ствол дуги в элегазе интенсивно охлаждается, в том числе за счет еще большего увеличения теплоемкости плазмы при температуре около 2000 К (см. рис. 3-5), и электрическая прочность межконтактного промежутка быстро увеличивается. Сохранение остаточного ствола дуги в элегазе до минимальных значений тока при относительно низких температурах приводит к отсутствию среза тока и больших перенапряжений при гашении дуги (происходит так называемое "мягкое" гашение дуги без перенапряжений). В воздухе электрическая прочность промежутка в момент прохождения тока через нуль выше, но из-за большой постоянной времени дуги у воздуха скорость нарастания электрической прочности после прохождения значения тока через нуль меньше. Высокие дугогасящие свойства элегаза позволяют при давлении ( 1 + 1,5 ) -10⁵ Па погасить дугу при токе до 80 А без принудительного охлаждения (в результате ее растягивания в процессе размыкания контактов).Поэтому для эффективного гашения дуги при больших токах необходимо обеспечить ее перемещение по контактам. Минимальная напряженность магнитного поля, необходимая для перемещения дуги при токе 80 А, составляет 0,9 А/м. Исходя из этого условия и выбирается необходимое число витков дугогасительной катушки.
Эффективность дугогашения и ресурс элегазовых дугогасительных устройств с магнитным дутьем обусловливаются рациональным выбором их конструктивных параметров. При разработке новых конструкций элегазовых дугогасительных устройств необходимо стремиться не только к снижению их габаритов, массы, материалоемкости, но и учитывать технико-экономический эффект от их использования потребителем. Оптимизация конструктивных параметров элегазовых дугогасительных устройств с магнитным дутьем связана с определенными сложностями, обусловленными влиянием различных взаимосвязанных факторов на выбор того или иного параметра. Так, с повышением давления в дугогасительной камере растет отключающая способность дугогасительного устройства  в то же время снижается скорость движения дуги, увеличивается дуговая эрозия контактов и усиливается разложение элегаза, что, естественно, сказывается на ресурсе аппарата.