Скорость дуги зависит не только от величины магнитного поля, создаваемого катушкой, но и от конструктивного исполнения контактов: разрезные или неразрезные, а в случае неразрезного— от соотношения активного и индуктивного сопротивлений его контура.
Рис. 72. Принципиальная схема выключателя, совмещенного с реактором: 1 — корпус выключателя; 2 — неподвижный дугогасительный контакт; 3 — подвижный дугогасительный контакт; 4 — вал; 5 — привод
Под действием переменного магнитного потока в неразрезных контактах, представляющих собой короткозамкнутые кольца, возникает ток. Создаваемый этим током магнитный поток накладывается на основное поле катушки, вследствие чего максимум результирующего магнитного потока не совпадает с амплитудным значением отключаемого тока (кривые скорости смещены по отношению к кривым тока). Из-за потерь в контактах амплитуда результирующего магнитного поля снижается по сравнению с амплитудой основного поля катушки.
Для выключателей на 6—35 кВмеждуконтактный промежуток будет лежать в пределах 10—30 мм. В результате обработки экспериментальных данных для средних значений указанного промежутка была получена следующая эмпирическая зависимость максимального значения скорости дуги
где ko — коэффициент, зависящий от геометрических параметров катушки; р — давление газа в камере выключателя; Iоткл — ток отключателя; w — число витков катушки.
Следует отметить, что, хотя при увеличении давления скорость дуги и уменьшается, дугогасительная способность растет вследствие повышения электрической прочности междуконтактного промежутка.
Экспериментальные кривые скорости Vд и диаметра дуги d приведены на рис. 73.
Из рисунков следует, что при неразрезанных контактах максимальное значение скорости VД1 сдвинуто относительно кривой тока, вследствие чего при снижении его от амплитудного значения к нулю скорость перемещения дуги даже при малых мгновенных значениях тока остается высокой.
Рис. 73. Зависимости изменения скорости и диаметра дуги в элегазе: а — ток отключения 1265/ V2, а; б — ток отключения 2800 и 6000 а 1 — скорость при отключении 2800 а; 2 — скорость при отключении 6000 а
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что максимальное значение индукции магнитного поля в момент перехода тока через нуль и, следовательно, максимум скорости при подходе тока к нулю получится тогда, когда индуктивное сопротивление кольцевого неразрезанного контакта равно активному его сопротивлению, т. е. ωL = r.
Такой характер изменения скорости благоприятным образом сказывается на дугогасительной способности. Действительно, как видно из рис. 73, а, где изображены кривые изменения скорости УД1 и диаметра дуги di, в пределах одного полупериода тока при неразрезанных контактах и изменения скорости УД2 и диаметра d2 при разрезанных контактах и прочих равных условиях, за 200 мксек перед переходом тока через нуль мгновенное значение скорости при неразрезанных контактах равно 67 м/сек, в то время как при разрезанных оно снизилось до 14 м/сек. Эта разница в характере изменения скорости перед переходом тока через нуль сказалась на подготовке промежутка к гашению дуги. Так, для указанного момента времени диаметр дуги при разрезанных контактах был равен 2,9 мм, в то время как при неразрезанных— 1,5 мм. Во втором случае диаметр d1 на спадающей ветви синусоиды с очень незначительным запаздыванием следует за изменением тока.
Рис. 74. Огибающие кривые начального роста электрической прочности промежутка:
1 — неразрезанные контакты; 2 — разрезанные контакты
Лучшая подготовка промежутка к гашению дуги существенным образом влияет на его поведение после перехода тока через нуль, что подтверждается рис. 74, на котором изображены огибающие кривые начального роста восстанавливающейся прочности. Этот рисунок наглядно показывает, что при электромагнитном гашении дуги в элегазе обеспечивается высокая скорость нарастания электрической прочности, причем при неразрезанных контактах скорость значительно выше, чем в разрезанных. Рис. 73, б показывает, что при неизменном количестве витков скорость возрастает с увеличением отключаемого тока и при больших его значениях в несколько раз превышает скорость звука в элегазе. С ростом скорости увеличивается теплоотвод от дуги. Можно ожидать поэтому, что с возрастанием тока дугогасительная способность устройства с электромагнитным гашением дуги в элегазе ухудшаться не будет.
Исследования характера нарастания электрической прочности между- контактного промежутка после перехода тока через нуль, выполненные при неизменной величине отключаемого тока, равного 1250 а, и атмосферном давлении элегаза показали, что скорость этого процесса зависит от величины промежутка и числа витков катушки [121]. При увеличении промежутка скорость нарастания напряжения растет. Особенно сильно влияние величины междуконтактного промежутка ощущается в начальные моменты времени после перехода тока через нуль, что очень важно при отключении неудаленных коротких замыканий. Процесс нарастания электрической прочности при упомянутых выше условиях описывается уравнением:
где δ — величина зазора, мм; t—время, мксек, w — число витков.
Установлено, что увеличение зазора свыше 30—40 мм нецелесообразно, так как при дальнейшем его возрастании приращение прочности для заданного значения t становится несущественным.
Напряженность магнитного поля в центре катушки зависит от ее длины и числа витков. Однако эти параметры влияют на напряженность магнитного поля Н в различных направлениях,
вследствие чего при большом w дальнейшее увеличение витков незначительно сказывается на величине Н. Соответственно замедляется и рост скорости перемещения дуги, а следовательно, и рост электрической прочности. Поэтому для катушки следует брать провод прямоугольного сечения с намоткой на ребро, чтобы на единице длины катушки расположилось большее число витков.
Рис. 75. Осциллограмма отключения тока 12,9 ка в устройстве с одной катушкой
Отметим для сравнения, что в воздушных выключателях с ростом отключаемого тока условия гашения дуги ухудшаются. Однако улучшению условий гашения дуги в элегазовых выключателях с электромагнитным гашением дуги кладет предел скорость рассеяния энергии из области кольцевого междуконтактного промежутка. При больших отключаемых токах и, следовательно, высоких скоростях перемещения дуги может произойти следующее: в данной точке промежутка высокая проводимость еще не исчезла, а дуга возвратилась вновь. В этих условиях гашение дуги становится невозможным. Для его обеспечения необходимо усилить отвод энергии из промежутка.
Экспериментально установлено, что при электромагнитном гашении дуги в воздухе ионизированное состояние промежутка достигается уже при сравнительно небольших токах. В элегазе же даже при сравнительно небольших размерах междуконтактного промежутка предела дугогасительной способности не было обнаружено и при токе 13 ка. Осциллограмма отключения этого тока, полученная при частоте восстанавливающегося напряжения f0=7,4 кгц и коэффициенте амплитуды kа=1,64, приведена на рис. 75. Гашение дуги произошло при первом же переходе тока через нуль.
Несмотря на то, это эксперименты проводились при возвращающемся напряжении 5 и 10 кВна один разрыв, результаты можно распространить и на более высокие классы напряжения, так как градиент напряжения на дуге практически не зависит от напряжения сети, а при увеличенном зазоре, но той же самой скорости перемещения дуги и условия ее гашения сохраняются.
Восстанавливающаяся же прочность промежутка растет с увеличением зазора.
Таким образом, при электромагнитном гашении дуги в элегазе процесс гашения дуги начинается после того, как ток проходит амплитудное значение. При этом интенсивность гашения растет с увеличением тока. В воздушных выключателях с продольным дутьем при мгновенных значениях тока, близких к амплитудному, скорость входа газа в сопло вследствие термодинамического эффекта резко снижается, и практически процесс дугогашения осуществляется за весьма короткий промежуток времени, от сравнительно небольших мгновенных значений отключаемого тока до окончательного погасания дуги. Одно из значительных преимуществ описанного способа гашения дуги — быстрое перемещение ее опорных точек по поверхности контактов. Так как скорость движения дуги возрастает при увеличении отключаемого тока, износ контактов при больших значениях отключаемого тока увеличивается очень мало, что очень важно для выключателей, предназначенных для частых срабатываний.
Конструктивное исполнение контактной системы выключателей нагрузки, в которых радиальное магнитное поле создается встречно включенными постоянными магнитами приведено на рис. 76. На рис. 77 изображены зависимости радиальной составляющей индукции магнитного поля Вт от радиуса. Они наглядно показывают, что максимальное значение Вт принимает при r, примерно равном наружному радиусу постоянного магнита. Таким образом, для обеспечения наилучших условий гашения дуги необходимо, чтобы она находилась в указанной области. Для этого средний диаметр кольцевых контактов должен быть равен наружному диаметру магнитов или быть несколько больше его.
Для обеспечения динамической устойчивости контактной системы и надежной ее работы при длительном протекании номинального тока неподвижный контакт выключателя нагрузки выполнен разрезным, состоящим из отдельных сегментов, поджатых пружинами. Подвижный контакт неразрезной. В качестве магнитов применены бариевые ферритовые кольца размером 52X23x7 мм. Из-за наличия зазоров между кольцами увеличение их числа не ведет к непрерывному возрастанию индукции. Оптимальное количество колец с каждой стороны равно пяти.
Рис. 77. Зависимость радиальной составляющей индукции магнитного поля Вr от радиуса
От токоведущих элементов магниты отделены слоем теплоизоляции. От прямого воздействия дуги и ударов при включениях они защищены дугостойкими изоляционными и амортизирующими прокладками.
Результаты испытания выключателя нагрузки на отключающую способность приведены в табл. 16.
Анализ результатов исследования, полученных при cos φ=0,7 показывает, что в большинстве случаев гашение дуги происходило в конце третьего полупериода при длине междуконтактного промежутка 30—50 мм. При этом не обнаруживается явно выраженной зависимости дугогасительной способности от величины отключаемого тока. Это можно объяснить тем, что при увеличении тока дуги растет и ее скорость, а следовательно, и дугогасительная способность из-за увеличившегося от нее теплоотвода. При отключении чисто емкостных токов и токов нагрузки опасных перенапряжений не возникало.
Таблица 16
Отключаемый ток | Возвращающее напряжение | Длительность | Расстояние гашения дуги, | Коэффициент |
90—137 | 75—79 | 2—3,5 | 20-45 | 0,7 |
315-327 | 75-77 | 2—4 | 22—59 | 0,7 |
490—535 | 73—77 | 2—5 | 22-72 | 0,7 |
600 | 67 | 3—5 | 90 | 0,5 |
56 | 80 | 2-4 | 20—50 | емкостный |
14. Элегазовые коммутационные аппараты для упрощенных подстанций
Назначение и область применения элегазовых выключателей нагрузки. Подстанции без выключателей на стороне высшего напряжения получили широкое распространение.
Рис. 78 Схемы подстанций: а — однотрансформаторная подстанция с аппаратами на одно направление; б — однотрансформаторная подстанция с аппаратом на три направления; в —двухтрансформаторная подстанция с аппаратами на одно направление; г — двухтрансформаторная подстанция с аппаратами на два направления
Отказ от выключателей существенно сократил расходы на сетевое строительство. Вместо них на подстанциях устанавливают более дешевые аппараты-отделители типа ОД, построенные на основе двухколонковых разъединителей, и короткозамыкатели. Однако низкая надежность этих аппаратов, являющаяся следствием несовершенства их конструкции, в условиях гололеда, загрязненной атмосферы, низких температур и т. д. вызывают справедливые нарекания при эксплуатации. Но еще, кроме низкой надежности, существующие отделители и короткозамыкатели не удовлетворяют эксплуатацию и по чисто техническим причинам — время их срабатывания очень велико.
Элегазовые выключатели нагрузки предназначены для установки на подстанциях без выключателей на стороне высшего напряжения вместо отделителей ОД-110. Они имеют закрытое исполнение и не подвержены поэтому воздействию окружающих условий. Величина междуконтактного промежутка в элегазе менее 100 мм, поэтому время их срабатывания в 4—5 раз меньше, чем у ОД-110.
Элегазовые аппараты способны отключать без перенапряжений токи ненагруженных линий электропередачи и трансформаторов и токи нагрузки.
Рис. 79. Полюс аппарата на три направления в процессе сборки
Их можно применять в качестве оперативных коммутационных аппаратов как в энергетике, так и в других отраслях (например, для управления электропечами). Это обеспечивает гибкость электрических сетей, автоматическое их управление и эксплуатацию на более высоком техническом уровне при меньшем количестве эксплуатационного персонала.
Исключительная компактность подстанций даже по сравнению с подстанциями без выключателей и, следовательно, меньшая их стоимость достигается при применении аппаратов на два и три направления, сущность которых становится понятной при рассмотрении схем, изображенных на рис. 78. Из рисунка видно, что в аппарате на три направления территориально объединены три аппарата на одно направление, а в аппарате на два направления — два. Фотография аппарата на 110 кВна три направления приведена на рис. 79.
Очевидным недостатком аппаратов на два и три направления является то, что авария на одном из направлений выводит из строя и другие направления. Необходимо отметить, что этот недостаток присущ любому сосредоточению в едином целом комплексе аппаратов (например, в КРУ) или больших мощностей в одном агрегате. Однако применение КРУ и мощных генераторов является прогрессивным направлением.
Рис. 80. Вариант исполнения проходной подстанции с аппаратом на три направления
Кроме того, зона аварии с аппаратами на три направления существенно сужается при применении шунтирующего разъединителя, изображенного на рис. 78, б, причем общее количество разъединителей на такой подстанции будет меньше, чем на подстанции с аппаратами на одно направление.
Один из возможных вариантов проходной подстанции с аппаратом на три направления изображен на рис. 80. Рисунок показывает, что такой аппарат обеспечивает малые габариты подстанции, которая превращается в однопортальную конструкцию. Сокращается расход материалов, объем строительно-монтажных работ и сроки строительства.
