В выключающих аппаратах, предназначенных для отключения токов в мощных электрических цепях высокого напряжения, дугогасительное устройство является главным элементом конструкции, в котором происходит основной процесс электродугового размыкания — гашение электрической дуги и последующее восстановление электрической прочности межконтактного промежутка.
Рис. 1. Системы продольного воздушного дутья
Типичные схемы системы продольного воздушного дутья приведены на рис 1. Основными конструктивными параметрами таких систем являются: площадь сечения Sc и диаметр горловины dc сопла, площадь сечения 5ВС и диаметр горловины dBC вспомогательного сопла, расстояние между контактами zq, размеры элементов входной части дутьевой системы, форма контактов и диффузоров. Основным требованием при выборе оптимальных параметров дутьевых систем является минимальный расход газа, необходимый для гашения дуги, при целесообразном давлении в камере и заданных условиях восстановления напряжения. Расход газа в значительной мере определяется площадью сечения горловины сопла
где Еэф — напряженность электрического поля на эффективной части ствола дуги (во входной части сопла); /эф — эффективная длина дуги во входной части сопла; I — действующее значение тока отключения; рс — давление сжатого воздуха в горловине сопла; Руд — максимальная удельная мощность, отводимая через единицу площади сечения горловины сопла и отнесенная к давлению в горловине сопла.
Результаты исследований на физических моделях позволяют определить минимальные сечения сопел и эффективность дугогасительных устройств при одинаковом расходе газа для различных вариантов систем продольного воздушного дутья. Оптимальные условия гашения дуги в таких системах в значительной степени зависят от геометрических параметров входной части (перед горловиной сопла), которые должны удовлетворять двум основным требованиям: форма потенциального поля течения газа должна быть аэродинамически оптимальной, обеспечивающей лучшие условия коаксиальной стабилизации потоком ствола дуги; форма электрического поля в межконтактном промежутке должна быть оптимальной, обеспечивающей максимальную электрическую прочность холодного межконтактного промежутка (без дуги).
В системах несимметричного дутья (рис 1, г)эти требования могут быть выполнены более успешно по сравнению с системами одностороннего (рис 1, б) и двухстороннего (рис 1, в) продольного дутья. Оптимальное относительное расстояние z0/dc для систем одностороннего (рис 1, с) и несимметричного (рис 1, г) дутья составляет
Кроме того, для системы несимметричного дутья оптимальное соотношение площадей сечений SBC/SC ~ 0,25. При таких соотношениях размеров сопел и одинаковом расходе газа максимальная удельная мощность при одностороннем дутье при несимметричном дутье
Руднес =11,3 кВт/(м2-Па), т.е. на 30% больше.
В системе двухстороннего дутья (рис. 1, в) при течении газа в середине промежутка между соплами образуется зона торможения, благодаря которой замедляются процессы распада остаточного ствола дуги и восстановления электрической прочности после перехода тока через нулевое значение. Для исключения этого явления длина Z\ (рис 1, а) конфузоров сопел должна быть возможно меньшей, а площадь сечения входной части дутьевой системы — равной сумме площадей минимальных сечений, т.е. z0 = dl/(2d{).
Удлиненная форма конфузора (рис. 2, б) являющаяся оптимальной для системы одностороннего дутья, непригодна в системах двухстороннего дутья. В конструкциях систем двухстороннего воздушного дутья с укороченным конфузором может быть достигнута такая же эффективность, как и у систем несимметричного дутья, т.е.
При выборе оптимальных параметров диффузоров дутьевых сопел обычно принимают число Маха Л/ =2, а угол расширения 2 а= 12° -5-30° (рис. 2, б). При больших значениях а оптимальная для гашения дуги сверхзвуковая скорость течения вплоть до выхода из сопла может быть получена только при больших избыточных давлениях в камере.
Рис. 2. Системы двухстороннего дутья:
а — с укороченным конфузором; б — с удлиненным конфузором
Поэтому укороченные сопла с большим углом расширения целесообразно применять в дутьевых системах воздушных выключателей, в которых используются высокие избыточные давления.
Рис. 3. Отключающая способность дугогасительного устройства воздушного выключателя
Отключающая способность дугогасительных устройств с продольным газовым дутьем может быть охарактеризована зависимостью предельной скорости восстановления напряжения du/dt от давления р газа в сопле и скорости подхода тока к нулевому значению di/dt:
где т = 1,6; и = 1,3 — для воздуха; т = 2,68; и = 2,42 — для элегаза [77].
На рис 3 приведена зависимость du/dt =/(di/dt) в воздухе при давлении 1,6 МПа (кривая 1), а также зависимости скорости восстановления напряжения при отключении неудаленного КЗ без шунтирующего резистора (ШР) (прямая 2) и при наличии ШР с сопротивлением, равным 100 Ом (прямая 3).
Дугогасительные устройства воздушных выключателей можно классифицировать:
а) по типу дутьевых систем (см. рис. 1).
б) по способу приведения в движение подвижных дугогасительных контактов:
с приводом, расположенным отдельно от дугогасительного устройства;
с пневматическим приводом, встроенным непосредственно в дугогасительных устройствах.
в) по общей компоновке конструкции и наполнению рабочих пространств дугогасительных устройствах при операции включения и отключения;
Рис. 4. Конструкция дугогасителя с несимметричным дутьем в металлической камере большого объема
г) по наличию встроенных шунтирующих резисторов: без встроенных резисторов и со встроенными резисторами.
В настоящее время в основном применяются дугогасительные устройства воздушных выключателей со встроенным пневматическим приводом. В качестве примера рассмотрим конструкцию дугогасительного устройства с несимметричным дутьем (рис. 4) для выключателя крупномодульной серии ВВБК. Межконтактный промежуток образован двумя неподвижными соплообразными контактами 2 и 3. Во включенном положении цепь тока создается подвижной контактной траверсой 1, приводимой в действие при отключении и включении пневматическим механизмом. С последним сопряжен главный дутьевой клапан б и пневматический механизм 5 управления клапаном дополнительного дутья через канал 4. В процессе отключения после открытия дутьевого клапана и последующего размыкания контактов дуга потоком воздуха и электродинамическими усилиями, возникающими в токоведущем контуре, перебрасывается в область дутьевого сопла, где происходит ее гашение.
При отключении больших токов сопло 3 дополнительного дутья в течение большей части полупериода тока закупорено дугой. Непосредственно в конце полупериода вступает в действие система дополнительного дутья, что вызывает более интенсивный распад остаточного ствола у оконечности контакта 3 и создает более благоприятные условия для гашения дуги. Воздушные выключатели с системой несимметричного дутья лучше справляются с отключением тока в наиболее тяжелых условиях восстановления напряжения — при неудаленном КЗ, чем воздушные выключатели с одностороннем дутьем.
