Глава четвертая
КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ГАШЕНИЕМ ДУГИ В ЭЛЕГАЗЕ
Гашение дуги, вращающейся в элегазе под действием магнитного поля
Электромагнитное гашение дуги в элегазе и схемы дугогасительных устройств.
Известно, что гашение мощной дуги возможно лишь при интенсивном теплоотводе, который в аппаратах высокого напряжения обеспечивается дутьем. Известно также, что теплоотвод от дуги существенно возрастает при быстром ее перемещении силами магнитного поля в неподвижном воздухе. Электромагнитное дутье в воздухе широко используется в аппаратах низкого напряжения. При замене воздуха элегазом электромагнитный способ гашения дуги оказалось возможным распространить и на область высоких напряжений [106—110].
Принципиальные схемы дугогасительных устройств с электромагнитным гашением дуги в элегазе показаны на рис. 69. В них на каждую единицу длины дуги действует сила k, возникающая при взаимодействии тока дуги с нормальной к ее стволу составляющей магнитного поля. Под действием этой силы дуга перемещается по электродам со скоростью, зависящей от различных параметров, и, в частности, от конструктивных. Магнитное поле создается самим отключаемым током при прохождении его по двум встречно включенным катушкам (рис. 69, б) или по одной катушке (рис. 69, а). Во включенном состоянии аппарата катушки шунтированы главными контактами, которые при отключении размыкаются первыми.
Возникающая между подвижным и неподвижным контактами дуга начинает двигаться не сразу, а лишь после того, как сила k достигнет некоторого значения, так как, чтобы сдвинуть дугу с места первоначального ее образования, необходимо приложить вполне определенную силу кшт [111], которую можно вычислить по формуле:
где I — ток, а; Н — напряженность магнитного поля а/м, исходя из следующих соображений.
Рис. 69. Принципиальные схемы устройств с электромагнитным гашением дуги в элегазе:
а — одна катушка; б— две встречно включенные катушки
1 — путь тока во включенном положении аппарата; 2 — путь тока в процессе отключения; 3 — главные контакты; 4 — дугогасительные контакты; 5 — катушка
Для гашения дуги с током до нескольких десятков ампер достаточно весьма незначительной скорости дуги, причем необязательно, чтобы ее опорные точки перемещались.
Зная максимальное значение тока, который надежно гаснет в элегазе при неподвижных опорных точках дуги, для различных конкретных условий, экспериментально определяются значения напряженности магнитного поля Нмин, при которых дуга, включая и ее опорные точки, приходит в движение.
Для каждого конкретного конструктивного исполнения дугогасительного устройства существует свое значение тока, который надежно гаснет при указанных условиях. Например, в выключателе на 10 кВпри искусственно созданном резко неравномерном поле надежно гаснет дуга с током до 80 а.
Необходимо, чтобы уже при этом токе и более высоких его значениях дуга не была неподвижна. Минимальное значение напряженности Нмин, при котором дуга с током 80 α придет в движение, равно 90 а/см. Этот параметр является исходной величиной при определении минимального числа витков катушки.
Для схемы рис. 69, а зависимость напряженности магнитного поля по оси катушки известна:
где l — длина катушки; х — расстояние точки, для которой определяется напряженность H, от середины катушки; R — радиус катушки.
Рис. 70. Дугогасительное устройство с двумя встречно включенными катушками
От числа витков катушки зависит скорость движения дуги Vд, которая является основным параметром, определяющим отключающую способность дугогасительного устройства. Кроме числа витков, на скорость дуги влияет давление газа, конструкция катушки и величина отключаемого тока. Поскольку скорость в течение полупериода меняется, целесообразно говорить о максимальной скорости движения дуги Vд.макс.
Максимально допустимое число витков катушки определяется из условия надежного гашения дуги, возникающей при размыкании главных контактов, шунтирующих катушку. Это условие соблюдается при индуктивности катушки L< 10-4 гн.
Конструктивное исполнение дугогасительных устройств, осуществленных по схемам рис. 69, показано на рис. 70 и 71.
В первом из описываемых устройств (рис.70) встречно включенные катушки создают нормальную дуге составляющую магнитного поля, которая заставляет вращаться дугу так, что ее опорные точки, перемещаясь по электродам, описывают круговые траектории.
Катушки 4 и 10 обтекаются током только в процессе отключения, что позволяет использовать провода небольшого сечения. Во включенном состоянии аппарата катушки зашунтированы, причем шунтирование и последовательное их включение при отключении аппарата осуществляется посредством переключающего устройства, состоящего из розеточных контактов 1 и 14, подвижного и неподвижного контактов переменного диаметра 15 и 2 и корпусов 5 и 13. В этом состоянии аппарата неподвижный контакт 2 отжат подвижным контактом 9 вверх и его расширенная часть входит в контакт 1; одновременно расширение нижней части подвижного контакта входит в контакт 1. Путь тока, таким образом, будет следующим: контакт 2, контакт 1, корпус 5, контакт 6, контакт 9, контакт 8, корпус 13, контакт 14, нижняя часть подвижного контакта 15. При отключении расширения контактов 2 и 15 выходят из контактов 1 и 14 и между ними возникают дуги. Поскольку эти дуги шунтированы катушками 4 и 10 с малым значением полного сопротивления, они гаснут и ток начинает протекать по встречно включенным катушкам, подключаемым посредством контактов 3 и 12, которые создают поле, необходимое для гашения дуги отключения. Последняя под действием радиальной составляющей этого поля перемещается по наконечнику 7 и торцу трубчатого контакта 9 и гаснет при первом же переходе тока через нуль, как только контакты разойдутся на достаточное расстояние. Встроенные внутрь полых контактов сердечники 11 из магнитно-мягкого материала усиливают магнитное поле.
Следует отметить, что гашению дуги на главных контактах 1—2 и 14—15 способствует то, что они находятся в области, где еще действует магнитное поле, созданное соответствующей катушкой при протекании по ней тока. Под действием этого все возрастающего поля увеличивается напряжение на дуге, вследствие чего облегчается переход тока в катушку и гашение шунтированной дуги.
В устройстве элегазового выключателя на 10 кВ[108] необходимое для гашения дуги аксиальное магнитное поле создается одной катушкой (рис. 71), которая во включенном состоянии аппарата шунтирована главными контактами. При отключении они размыкаются первыми.
Поворотные дугогасительные контакты имеют форму вытянутого эллипса, вследствие чего во включенном состоянии обеспечен надежный контакт, а в отключенном — междуконтактный промежуток необходимой величины. Число дугогасительных контактов зависит от класса напряжения, однако при четном их числе конструкция аппарата из-за отсутствия гибких связей упрощается.
Дугогасительное устройство заключено в металлическом корпусе, который с торца закрыт крышкой. На крышке смонтированы проходные изоляторы, на которых с внутренней стороны укреплены главные неподвижные контакты. Подвижные главные и дугогасительные контакты установлены на изолированном или изоляционном валу. Управление подвижными контактами может быть осуществлено либо через сильфон, либо посредством рычага, укрепленного на конце выведенного через заднюю стенку вала.
Рис. 71. Конструкция элегазового выключателя на 10 кВ с одной катушкой
1 —ввод; 2— главные контакты; 3 — изолированный вал подвижных контактов; 4 — корпус выключателя; 5 —катушка; 6 — подвижные дугогасительные контакты; 7 — неподвижные дугогасительные контакты; 8 — цилиндр изоляционный; 9, 10 — рычаги; 11 — сильфон; 12 — распорка; 13 — крышка
Рассмотренная конструкция выключателя удобна для применения в КРУ и ГРУ и обеспечивает минимальные их габариты. Перспективной представляется комбинация этого устройства с реактором. В этом случае необходимость в катушке отпадает, так как магнитное поле создается реактором. Принципиальная схема выключателя, совмещенного с реактором, изображена на рис. 72 [112].
Дугогасительное устройство с двумя катушками наилучшим образом подходит для выключателя 35—110 кВограниченной мощности — простого и сравнительно дешевого аппарата, который целесообразно применять тогда, когда токи короткого замыкания существенно ограничены индуктивностями линий электропередачи.
Конструкция дугогасительного устройства становится чрезвычайно простой, если магнитное поле создается встречно включенными постоянными магнитами. Правда, в этом случае и дугогасительная способность невысока, однако она вполне достаточна для отключения всех токов вплоть до номинального. Такое дугогасительное устройство из-за его простоты специально предназначено для выключателей нагрузки (113, 114].
