Эффективное гашение мощных дуг в элегазе возможно при здействии потока газа на горящую дугу. Такое воздействие можно осуществить за счет перетекания газа из бака высокого давления в бак низкого давления (выключатель с двумя ступенями давления). ДУ такого выключателя подобно ДУ воздушного. Конструкция выключателя с двумя ступенями давления рассмотрена в [1.4, 3.1]. Выключатели с двумя ступенями давления конструктивно сложны, требуют наличия автоматически включающегося компрессора для рекомпрессии газа из ступени низкого давления в ступень высокого.
Требуется подогрев элегаза в баке высокого давления. Все это понижает надежность выключателя. В настоящее время такие выключатели применяются там, где время отключения требуется меньше 0,04 с и токи отключения достигают 60—80 кА.
На рис. 3.54 представлено ДУ автокомпрессионного выключателя.
Рис. 3.54 Принципиальная схема ДУ автокомпрессионного элегазового выключателя
С подвижным контактом 2 связаны перегородка 5 и сопло 3 и изоляционного дугостойкого материала — фторопласта. Поршень 4 неподвижен. При отключении подвижный контакт 1 и связанные с ним жестко детали перемещаются вправо. Между контактами 1 и 2 загорается дуга. Элегаз, находящийся в ДУ при давлении 0,3— 0,4 МПа, сжимается между поршнем 4 и перегородкой 5 до давления 0,8—1,0 МПа. Возникает охлаждающий дугу поток газа, указанный стрелками. Через 0,02—0,03 с дуга гаснет.
Избыточное давление в ДУ получается за счет энергии привода. Ввиду того что работа, необходимая для сжатия газа и ускорения контактов, при отключении значительна, применяется пневматический привод
Поскольку давление в ДУ, необходимое для гашения дуги, появляется в процессе движения контактов, такое ДУ не может обеспечить гашение дуги за 0,01 с.
Давление в ДУ выбрано небольшим (0,3—0,4 МПа), что позволяет обойтись без подогрева газа при температуре окружающей среды до —40 °C. В настоящее время авто- компрессионные ДУ получили преимущественное распространение.
В ДУ электромагнитного элегазового выключателя элегаз неподвижен. На дугу, возникающую после размыкания контактов, действует магнитное поле. За счет взаимодействия тока дуги с магнитным полем создается сила, перемещающая дугу с большой скоростью относительно неподвижного элегаза.
В выключателях нагрузки (на малые токи отключения) магнитное поле создается постоянными магнитами, в выключателях на большие токи отключения магнитное поле создается специальной обмоткой, по которой протекает ток КЗ. Конструкция элегазового выключателя с электромагнитным дутьем рассмотрена в [1.4]. Ввиду ограничения по току отключения такие выключатели получили применение в основном как выключатели нагрузки.
Рассмотрим выбор основных параметров ДУ автокомпрессионного элегазового выключателя. Диаметр сопла определяется по методике проф. Г. А. Кукекова, разработанной для воздушного выключателя (§ 3.3). Согласно этой методике скорость W1 на входе в сопло выражается уравнениями
(3.120)
где ∆р — перепад давления, МПа; UA — напряжение на дуге, В; 1т — амплитуда тока отключения, кА; А— сечение горловины сопла, м2.
Согласно рекомендациям [3.1] минимальная скорость элегаза должна быть не менее 6—7,5 м/с. Средний градиент напряжения на дуге Еср=115-150 В/см.
Напряжение на дуге Uд=Еср1л. В соответствии с § 3.3 оптимальное расстояние между контактами (см. рис. 3.53) определяется соотношением l0/dc=0,5. Учитывая незначительный эффект термозакупорки, 10 можно увеличивать по сравнению с оптимальным значением. Расстояние 10 должно проверяться по испытательному напряжению. После расчета 10 необходимо провести уточняющий расчет dc, приняв 1д=10.
особенность принципа действия автокомпрессионного ДУ заключается в том, что, с одной стороны, элегаз сжимается поршнем, с другой, вследствие образующегося перепада ∆р элегаз вытекает из камеры ДУ. Для успешного гашения дуги необходимо, чтобы перепад давления ∆р был достаточно большим, чтобы обеспечить надкритический режим истечения газа.
Выбор размеров поршневого устройства, скорости движения поршня производится в основном по экспериментальным данным и опыту конструирования.
После выбора параметров необходимо произвести расчет автокомпрессионного устройства с целью определения давления под поршнем, скорости истечения газа и выявления требований к пневматическому приводу.
Следует отметить, что электрическая дуга нагревает элегаз в ДУ. При этом давление элегаза возрастает. Опыты показали, что с ростом тока эффективность дугогашения увеличивается. Однако методика расчета процессов с учетом действия дуги весьма сложна. Поэтому при предварительных расчетах дугу не учитывают.
Рис. 3.55. Зависимость скорости поршня υ и сечения для выхода газа S0 от положения контакта: I— начало выхода контакта из сопла; II — начало критического истечения; III — выход контакта из сопла
Рис. 3.56. Зависимости давления и секундного расхода от положения поршня
Поскольку процесс гашения дуги протекает очень быстро, принимается адиабатический закон изменения параметров элегаза.
Для проведения расчета необходимо иметь зависимость скорости поршня v и сечения выхода элегаза от хода поршня l (рис. 3.55). Такие зависимости могут быть получены расчетным путем, частично берутся из опыта.
Расчет проводится в следующем порядке.
- Определяем начальные параметры элегаза — его объем V0=Sl0, плотность γ0 и массу М0= V0γ0, где S — сечение поршня, 10 — длина цилиндра.
В результате расчета получаем кривую давления р секундного расхода G в функции хода поршня (рис. 3.56).
Если удается в сопле создать критические условия истечения, то это обеспечивает дугогасящую способность ДУ.
Поскольку известна зависимость давления от хода поршня, можно подсчитать тормозную силу, создаваемую поршнем ДУ, что необходимо для расчета привода.
Сила, которую должен развить пневматический привод при отключении,
где Рторм.пор — тормозная сила, создаваемая поршнем ДУ; п — число ДУ на привод; Рин— силы инерции, которые необходимо преодолеть для получения заданной скорости движения; Ртр.мех — сила трения в механизме; Рд — демпфирующая сила, необходимая для плавного торможения механизма в конце процесса включения. (Обычно после половины хода поршня привода полость цилиндра, сообщающаяся с атмосферой, закрывается специальным клапаном. Плавная остановка получается за счет сжатия воздуха в этой полости); Ртр.к— сила трения в розеточных и токосъемных контактах. Силы, действующие на поршень привода, представлены на рис. 3.57.
Расчет проведен в предположении, что элегаз идеален. В действительности процессы в элегазе, происходящие в ДУ, описываются уравнением p=γRT недостаточно точно. Погрешности расчета могут достигать несколько десятков процентов. Поэтому в уравнение необходимо вводить коррекцию
(3.121) где ϰ— поправочный коэффициент, зависящий от плотности газа.
Методика расчета ДУ автокомпрессионных элегазовых выключателей с учетом коэффициента ϰ разработана К. А. Поздняковым и изложена в [3.10].
Рис. 3.57. Зависимость сил, действующих на привод, от положения контакта
