В. Е. Кузнецов, В. А. Соснин
Для качественной и количественной оценки сложных процессов взаимодействия между электрической дугой и газовым потоком в выключателях целесообразно использовать оптические методы с высокой разрешающей способностью. Применение скоростной фоторегистрации и фотометрии позволяет провести визуальный контроль за состоянием дугового промежутка в различных исследуемых моделях дугогаситель- пых устройств выключателей. Появляется возможность при горении и гашении электрической дуги в продольном потоке газа определить диаметр дугового канала как в межконтактном промежутке, так и в горловине сопла в различные моменты времени до перехода тока через нуль.
Исследования проводились на моделях дугогасительных устройств элегазовых выключателей. Источником мощности являлся одночастотный колебательный контур с батареей конденсаторов на 10 кВ, который позволял получить при частоте 50 Гц амплитуду первой полуволны тока до 3200 А. Фоторегистрация электрической дуги проводилась через смотровое окно дугогасительной камеры с помощью сверхскоростной фоторегистрирующей установки (СФР), которая использовалась в режиме фоторегистратора (непрерывная запись) и в режиме лупы времени (покадровая запись). Полученные фотограммы обрабатывались на фотоэлектрическом микрофотометре типа МФ-4.
В данной работе была получена серия фотограмм участка ствола дуги, расположенного между контактами системы двухстороннего дутья в элегазе. Микрофотометрическая обработка этих фотограмм позволила определить величину и характер распределения оптической плотности негативного изображения поперечного сечения исследуемого участка ствола дуги для различных моментов времени горения дуги в течение полупериода тока. На рис. 1 приведены кривые распределения оптической плотности для дуги в продольном потоке элегаза при двухстороннем дутье, снятые при четырехрядной вставке СФР. Скорость съемки составляла 48 тыс. кадров в секунду, время экспозиции порядка 12 мкс.
Рис. 1. Распределение оптической плотности в стволе дуги при двухстороннем дутье в элегазе для различных значений тока
Анализ этих кривых показал наличие явно выраженного «пика» в средней части, характеризующей ядро дуги с высоким температурным градиентом. В данном случае при больших значениях тока диаметр дуги определяется по границе перехода между ядром и периферией. При малых токах этот «пик» не наблюдается, и переход к периферийной зоне более равномерный, поэтому за границы диаметра дуги принимались величины, соответствующие той же плотности, что и при больших значениях тока.
Рис. 2. Зависимости среднего диаметра дуги и плотности тока при двухстороннем продольном дутье в элегазе от тока
Обработка опытного материала позволила получить зависимости среднего диаметра ядра дуги dя и среднего диаметра ствола дуги da с учетом всей светящейся зоны в промежутке между контактами от тока и определить среднюю плотность тока в рассматриваемых участках ствола дуги. Эти зависимости для системы двухстороннего дутья в элегазе при оптимальных геометрических соотношениях и при перепадах давления (0,2...0,3) МПа представлены на рис. 2. Кривая 3 построена по точкам границы ядра дуги и характеризует зависимость диаметра основной токопроводящей части ствола дуги от величины тока.
Данная зависимость хорошо описывается полиномом вида
(1)
при этом погрешность составляет менее 5%. Эту же зависимость можно представить в виде dn = 0.0922/0,46, но погрешность будет достигать 10%, а при токах менее 500 А еще больше. Кривая 1 построена по точкам границы светящейся периферийной зоны ствола дуги и характеризует зависимость среднего диаметра дуги с учетом раскаленного газа, окружающего ядро дуги, от величины тока. Значения данной кривой хорошо согласуются со значениями, полученными в работе [1] (см. рис. 2, кривую 2), которые характеризуют зависимость от силы тока диаметра сечения дуги, недоступного для холодного газа, при двухстороннем продольном дутье в элегазе при перепаде давлений 0,4 МПа.
Найденные экспериментальные значения среднего диаметра дуги в промежутке между контактами с учетом периферийной области горячего газа в системе двухстороннего продольного дутья в элегазе при различных значениях тока можно приближенно рассчитать теоретически. Для этого необходимо предположить, что поток газа, ограниченный сечением с диаметром dA, обладает некоторой средней температурой. По величине средней температуры Т по таблицам, полученным для элегаза в работе [2], можно найти среднюю плотность р, скорость а, энтальпию h . Предположив, что в обдуваемой дуге температура постоянна по радиусу и что дуга характеризуется в основном только двумя параметрами — температурой и площадью сечения А, которые в общем случае являются функциями осевой координаты х, энергетический баланс на оси дуги можно представить следующим уравнением:
(2)
где σ — проводимость; р — плотность; cр — удельная теплоемкость; Ри — потери тепла излучением; а — скорость; λ — коэффициент теплопроводности.
Аналогичное выражение используется в работе [3], и член 4πλΤ/Α приближенно описывает потери за счет теплопроводности в предположении параболического профиля температуры. Тогда интегральный энергетический баланс будет описываться уравнением
(3)
где Рr — радиальный поток.
В уравнениях (2) и (3) пренебрегаем кинетической энергией плазмы в сравнении с ее энтальпией. Проинтегрировав уравнение (3) и предположив, что р, h и d не зависят от х и радиальный поток очень незначителен по сравнению с аксиальным, а также используя закон Ома, получим следующее выражение: UI= Apah, где Uд— напряжение на дуге.
Электрическая энергия, выделяемая перед горловинами сопел в системе двухстороннего продольного дутья в элегазе, должна быть равна энергии, отводимой потоком газа, т. е. должно выполняться соотношение
(4)
откуда зависимость среднего диаметра дуги от тока может быть представлена в виде
Задавшись средней температурой газа, равной Т= 10-103 К, и определив из работы [2] для р = 0,2 МПа величины р = 0,491 · 10—4 г/см3, а = 23,25· 104 см/с и h = 25,44-103 Дж/г, расчетным путем найдем значение среднего диаметра дуги с учетом периферийной зоны для различных токов; при этом напряжение на дуге определяется из осциллограмм, полученных при экспериментах. Показанные на рис. 2 теоретические значения da довольно хорошо согласуются с экспериментальными для токов более 500 А.
Соотношение (4) можно использовать и для определения критического тока, при котором сечение дуги становится равным сечению
горловины сопла с диаметром dc, и при этом из сопла будет вытекать лишь сильно нагретый газ. Тогда с учетом уравнения состояния газа получаем следующее выражение:
где lд — эффективная длина дуги.
ВЫВОДЫ
- При достаточно больших токах (более 500 А) теплопроводность и турбулентность не оказывают значительного влияния на температуру в центре дуги, и при достаточно большом диаметре сопла по сравнению с диаметром дуги температура и напряжение на дуге не зависят от тока, а сечение дуги пропорционально току.
- Турбулентность в значительной степени сказывается на процессе гашения электрической дуги в элегазовых дугогасительных устройствах в околонулевой области тока.
