Различные технологии отключения в элегазе и области их применения
В элегазовых устройствах контакты находятся внутри закрытого корпуса, заполненного газом, давление в котором изменяется в зависимости от напряжения и расчетных параметров. Такой корпус, как правило, изготавливается наглухо запаянным на весь срок службы, поскольку коэффициент утечки очень низкий. Для данных устройств отключения можно устанавливать системы измерения давления или плотности с тем, чтобы обеспечить постоянный контроль давления газа в корпусе. Имеются несколько технологий использования элегазовых устройств, которые различаются по способу охлаждения дуги, а также имеют разные характеристики и области применения.
Отключение методом автокомпрессии
Для этого типа выключателей гашение дуги происходит за счет расширения объема элегаза, сжатого нагнетанием.
При отключении устройства цилиндр, соединенный с подвижным контактом, перемещается и сжимает некоторый объем элегаза (см. рис. 32а). Через дугогасительное сопло газ поступает на ось дуги, которая, в свою очередь, выталкивается на полые контакты. При протекании тока большой силы дуга производит эффект заглушки, что способствует накоплению сжатого газа. При подходе тока к нулю дуга сначала охлаждается, а затем гасится благодаря инжекции новых молекул элегаза. Среднее значение напряжения дуги составляет от 300 до 500 В.
Эта технология позволяет без труда отключать любой ток вплоть до значений отключающей способности (PdC), не создавая критический ток, так как энергия, необходимая для гашения дуги, образуется за счет механического управления и, следовательно, не зависит от тока отключения.
□ Характеристические величины
Обычно элегаз используется при относительном
давлении от 0,5 бар (16 кА, 24 кВ) до 5 бар (52 кВ), что
позволяет изготавливать герметичный корпус устройств с
полной гарантией безопасности.
Рис. 32 : Принцип отключения методом автокомпрессии [а] и с помощью вращающейся дуги [b]
Факторы, влияющие на размеры дугогасительной камеры, следующие:
- стойкость к входному/выходному испытательному напряжению, определяющая изоляционное расстояние между разомкнутыми контактами. Это расстояние может быть постоянным и составлять порядка 45 мм с учетом используемого давления элегаза;
ток короткого замыкания, который требуется отключить, определяет диаметр сопла и контактов;
отключаемая мощность короткого замыкания определяет размеры поршня гашения (под напряжением 24 кВ объем газа гашения составляет порядка одного литра при отключающей способности (PdC) 40 кА). Несмотря на компактность устройств энергия отключения сохраняется относительно высокой, от 200 Дж (16 кА) до 500 Дж (50 кА), из-за присутствия энергии, необходимой для сжатия газа.
□ Области применения отключения путем автокомпрессии
Принцип автокомпрессии является наиболее давним. Он использовался во всех типах выключателей общего применения. Автокомпрессия не вызывает слишком большие перенапряжения, так как обрыв тока маловероятен и нет риска последовательных повторных зажиганий.
Выключатели с автокомпрессией хорошо адаптированы для управления конденсаторными батареями, так как, с одной стороны, создают очень малую вероятность повторного пробоя, а, с другой стороны, имеют большую стойкость к току включения.
Однако, относительно высокая коммутационная энергия, которая требуется, создает довольно большие нагрузки на приводные механизмы и может привести к ограничению количества рабочих операций. В настоящее время эта технология, по-прежнему, широко применяется, прежде всего, в устройствах, рассчитанных на большую силу тока, и находящихся под напряжением свыше 24 кВ.
Отключение с помощью вращающейся дуги
По этой технологии дуга гасится в результате собственного относительного движения в элегазе. Вращение дуги с очень большой скоростью (которая может превышать скорость звука при атмосферном давлении (Pat) возникает под действием магнитного поля, создаваемого катушкой, в обмотке которой проходит ток повреждения.
При размыкании главных контактов ток коммутируется на катушку, и создается аксиальное магнитное поле. Равнодействующая сила Лапласа ускоряет круговое движение дуги. Контакты дуги имеют форму круговых дорожек, которые могут быть либо концентрическими (радиальная дуга и аксиальное поле), либо расположенными друг напротив друга, как показано на рисунке 32b (аксиальная дуга и радиальное поле).
В результате, происходит равномерное охлаждение дуги в элегазе.
Таким образом, мощность охлаждения устройства зависит непосредственно от силы тока короткого замыкания, что обеспечивает этим устройствам хорошую отключающую способность при малых затратах коммутационной энергии: энергия, необходимая для отключения, полностью создается дугой, и слабый ток отключается без обрыва и перенапряжения. Благодаря быстрому движению оснований дуги области с высокой температурой, выделяющие пары металла, не образуются, и эрозия контактов является минимальной, в частности, в случае использования аксиальной геометрии.
Следует отметить, что при подходе тока к нулю магнитное поле уменьшается. Магнитное поле должно сохранять не нулевое значение, для того чтобы дуга оставалась в движении в холодном элегазе в момент возникновения напряжения TVR, и чтобы таким образом избежать присутствия критического тока. Это достигается за счет включения короткозамыкающих колец, которые создают небольшой фазовый сдвиг магнитного поля относительно тока.
Характеристические величины
В сетях среднего напряжения (СН) вращающаяся дуга в элегазе имеет напряжение 50 - 100 В при длине 15 - 25 мм. Из-за малой энергии отключения устройства очень компактны, даже при относительно низком давлении наполняющего газа (порядка 2,5 бар), и энергия управления отключением составляет меньше 100 Дж.
Области применения
Технология отключения с помощью вращающейся дуги хорошо подходит для управления машинами, чувствительными к перенапряжениям, например, для двигателей среднего напряжения (СН) и генераторов переменного тока. Большой срок службы устройств за счет слабого износа контактов и низкой энергии управления делает эту технологию очень привлекательной для применения при многократных коммутационных операциях (функция контактора). Технология вращающейся дуги, используемая отдельно, обеспечивает ограниченную отключающую способность (25/30 кА при 17,5 кВ) и применяется только при напряжении менее 17,5 кВ.
Отключение путем саморасширения
В этой технологии используется тепловая энергия, рассеиваемая дугой, для повышения давления в небольшом объеме элегаза, который выходит через отверстие, где проходит дуга (см. рис. 33а).
Пока в дуге сохраняется большой ток, он действует как заглушка и препятствует выходу газа через отверстие. Холодный газ, блокированный в этом объеме, имеет некоторую температуру, которая повышается из-за рассеяния тепла дуги (в основном, в результате излучения), таким образом, давление газа тоже повышается. При прохождении тока через нуль образовавшаяся «заглушка» исчезает, элегаз расширяется и гасит дугу. Эффект гашения дутьем зависит от силы тока, когда обеспечивается малая энергия управления и хорошее отключение, но имеется риск возникновения критического тока. Такой ток обычно составляет 10% PdC.
□ Были разработаны два способа управления электрической дугой, управление механическое и магнитное управление, которые позволяют стабилизировать дугу в зоне гашения дутьем и, кроме того, подавлять возникновение критического тока. - Механическое управление (типа автокомпрессии) (см. рис. 33b)
Рис. 33 : Саморасширение, принцип действия {а] и два способа управления дугой, механическое управление [b] и магнитное управление [с]
В этом способе поддерживается постоянное горение дуги, центрированная между двумя контактами с помощью изолирующих перегородок, которые удерживают поток газа аналогично тому, как действуют сопла, используемые при автокомпрессии. Эта технология, освоенная всеми крупными производителями, является простой и надежной, но при ее использовании увеличивается энергия, необходимая для управления. В действительности, присутствие этих устройств в зоне дуги ухудшает электроизоляционные характеристики элегаза в течение периода восстановления, что приводит к увеличению расстояния между электродами и скорости перемещения контактов и даже к повышению давления элегаза. - Магнитное управление (типа вращающейся дуги) (см. рис. 33с)
Правильно рассчитанное магнитное поле позволяет центрировать дугу в зоне расширения элегаза, приводя ее во вращательное движение, подобно технологии вращающейся дуги. Преимущество этого метода магнитного управления, требующего очень точного расчета, состоит в том, что он позволяет исключить присутствие каких-либо других материалов, кроме элегаза, в зоне дуги. Термодинамический КПД является оптимальным, и элегаз сохраняет все свои электроизоляционные свойства. Таким образом, поскольку изоляционное расстояние можно сократить до минимума, обеспечивается малая необходимая энергия управления.
□ Характеристические величины
При токе малой силы гашение дутьем почти не существует, и напряжение дуги обычно не превышает 200 В.
Давление в камере близко по значению к атмосферному давлению.
Объем теплового дутья составляет 0,5 - 2 л. Энергия управления при 24 кВ меньше 100 Дж. Все эти характеристики указывают на то, что на сегодняшний день наиболее эффективной является технология отключения путем саморасширения. Отключающая способность устройств, в которых используется эта технология, при низком давлении и слабой энергии управления может быть очень высокой, обеспечивая тем самым высокую надежность.
Области применения
Эта технология, разработанная для отключения тока повреждения, хорошо подходит для отключения емкостного тока, так как рассчитана на ток перегрузки и перенапряжение. Данный метод также используется для отключения слабых индуктивных токов. Без применения каких-либо вспомогательных средств устройства, использующие эффект теплового расширения, имеют ограниченные отключающую способность (PdC) и рабочее напряжение. Поэтому саморасширение часто сопровождается автокомпрессией при вращающейся дуге или нагнетании поршнем. Таким образом, метод саморасширения используется как в
устройствах для среднего напряжения (СН) так и для высокого напряжения (ВН) и подходит для всех видов применения.
Рабочие характеристики, полученные благодаря сочетанию теплового расширения и вращающейся дуги, позволяют рассматривать возможность использования этих технологий для выключателей при очень жестких требованиях к применению, например, для защиты генераторов переменного тока на электростанциях (большая асимметрия и повышенное напряжение TVR) или при необходимости обеспечить высокую износостойкость устройств.
