Простейшее ДУ представлено на рис. 5.6. Камера имеет плоскую щель. Электрическая дуга возникает между рогом подвижного контакта и рогом неподвижного и имеет форму дуги окружности. Для облегчения вхождения дуги в узкую щель ее сечение вблизи контактной системы сделано уширенным. При высоком напряжении, например Ulном= 10 кВ, и δ=2 мм расчетная длина lд.расч=1,84 м, т. е. длина дуги при гашении приближается к 2 м, что требует ДУ больших габаритных размеров, выключатель получается громоздким. Поэтому такие ДУ применяются при напряжениях до 3 кВ и небольших токах отключения.
В ДУ на рис. 5.6 катушка магнитного дутья включена в цепь постоянно. Поэтому она выполняется проводником, рассчитанным на пропускание номинального длительного тока. Магнитная система должна выполняться шихтованной для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. Эти потери создают дополнительный нагрев контактной системы.
На рис. 5.10 показано лабиринтно-щелевое ДУ, которое применяется в выключателях на напряжение до 17,5 кВ и мощностью отключения до 500 МВ-А (ток отключения 16,5 кА). Элементы ДУ представляют собой керамическую пластину с ребрами переменной высоты. Ребра одной половины входят в углубления другой. По мере перемещения дуги в камеру она принимает зигзагообразную форму и ее длина возрастает. Постепенное уменьшение щели δ обеспечивает равномерное вхождение дуги в камеру.
Рис. 5.10. Электромагнитный выключатель с лабиринтно-щелевым ДУ
Следует отметить, что на разные участки дуги действует различная сила Это объясняется тем, что в средней части на ток действует индукция Вδsinα, причем α<π/2, а в месте поворота дуги α1= π/2, и на дугу действует индукция Вδ (ем. рис. 5 7). Неравномерная скорость движения дуги создает дополнительное увеличение ее длины.
За ДУ следует пламегасительная решетка. Она представляет собой набор изолированных друг от друга медных пластин, через которые проходит ионизированный газ. При этом газ охлаждается и уменьшается зона выброса ионизированных газов, опасных для элементов РУ, находящихся под напряжением. Эта же решетка уменьшает звуковой эффект при отключении.
В ДУ такого типа, применяемых в выключателях на большие длительные токи (2500 А), катушки магнитного дутья включаются в цепь только в процессе отключения (см. рис. 5.1). Как правило, используются две или три независимые магнитные системы. Выключатель с лабиринтно-щелевым ДУ показан на рис. 5.10. В ближайшем к нам полюсе половина камеры снята.
Следует отметить, что при отключении небольших токов (несколько ампер или десятков ампер) начальная электродинамическая сила, действующая на дугу, мала и не может переместить дугу в положение, при котором будут включены катушки магнитной системы. Поэтому с подвижным контактом связан поршень автопневматического устройства. При вращении подвижного контакта по часовой стрелке сжатый поршнем воздух по трубке направляется на дугу и перемещает ее вверх. Необходимо отметить, что в области, близкой к нулю тока, индукция в камере также мала, что делает магнитное дутье в этот момент мало эффективным. Для улучшения работы выключателя на магнитную систему ставится короткозамкнутый виток. При этом поток отстает по фазе от тока в катушке В результате в момент подхода тока к нулю индукция не равна нулю, что способствует перемещению дуги и ее гашению.
В заключение следует отметить, что технология изготовления керамических пластин ДУ (рис. 5.10) связана с большими трудностями, так как щель δ достаточно мала и не допускает отклонений от номинального размера. В Советском Союзе нашло применение ДУ с камерой, изображенной на рис. 51,б. Камера собирается из плоских пластин керамики с зазором δ. Каждая пластина имеет сужающийся паз, смещенный относительной оси пластины. Камера собирается так, что соседние пластины имеют пазы, сдвинутые в разные стороны. При перемещении дуги вверх она заходит в эти пазы и принимает форму зигзага.
Технология изготовления проста и позволяет получить пластины со строго выдержанными размерами.
Рис. 5.11. Электромагнитный выключатель «соленарк»
Выключатель ВЭМ-6 с такой камерой имеет номинальный ток 1600 А, номинальный ток отключения 38,5 кА, номинальное напряжение 6 кВ. Этот выключатель допускает без ревизия 10 000 отключений номинального тока. Капитальный ремонт выключателя производится после 75 000 операций. В настоящее время Ровенским заводом высоковольтной аппаратуры разработаны электромагнитные выключатели ВЭ-6 и ВЭ-10 примерно на те же выходные параметры, но имеющие значительно меньшие габариты и массу. Оригинальное решение использовала французская фирма «Мерлен Жерен». Общий вид выключателя представлен на рис. 5.11. После расхождения контактов 1 дуга с помощью поршневого устройства 7 и электродинамических сил перемещается вверх на дуговые электроды 2. Электромагнитная система 3 и 4 перемещает дугу далее вверх, пока она не коснется промежуточных контактов 5. Эти контакты имеют такую форму, что способствует образованию между изоляционными пластинами дуги, имеющей форму части окружности. После этого дуга быстро растягивается в форме окружности большого диаметра за счет радиальных электродинамических сил, действующих в контуре дуги. При этом плоскость витка дуги совпадает с плоскостью пластин. Таких кольцевых дуг образуется по числу секций изоляционных пластин. Этот выключатель получил название «соленарк», так как дуга здесь образует своеобразный соленоид.
Отдельные витки дуги притягиваются друг к другу (соленоид сжимается по длине), при этом обеспечивается хороший тепловой контакт между дугой и керамическими пластинами. Контакт 6 соединяет вывод выключателя с крайней пластиной ДУ. После гашения дуги контакт 6 выходит из ДУ.
Номинальная мощность отключения выключателя 250 МВ-А, номинальное напряжение 24 кВ. Выключатель имеет очень небольшие габаритные размеры.
Необходимо отметить, что идея гашения дуги в ДУ, в котором образуется соленоид из дуги, принадлежит советскому ученому Б. П. Петрову, который предложил это устройство для тяговых автоматов еще в 30-х годах.
5.8. ПОРЯДОК РАСЧЕТА ДУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
- Определяется ширина щелевого канала δ из неравенства (5.22) с соблюдением технологического условия δ≥2 мм. Расчет проводится для номинального тока отключения.
- Определяется расчетная длина дуги по уравнению (5.10) с учетом запаса.
- Из конструктивных соображений выбирается форма зигзагообразного канала и определяется угол а.
- Определяются общая ширина камеры и рабочий зазор системы магнитного дутья.
- Находится минимальная скорость движения дуги в зоне гашения по (5.16). Расчетная скорость vр берется с запасом: vр=l,lvmin.
- С помощью уравнений (5.26) — (5.28) по известной скорости vр находится амплитудное значение индукции Втв рабочем зазоре и определяется число витков системы магнитного дутья.
- Определяется длина пути, пройденного дугой за время t=0,01 с, и находится высота активной зоны камеры с запасом, так как фактическое время гашения принимается t2=0,02 с.
- Выбирается высота зоны предварительного растяжения дуги 12. При этом должны удобно располагаться главные, дугогасительные контакты, дугогасительные рога и должен предусматриваться плавный переход от широкой щели к узкой.
- Определяется время движения дуги t1 в зоне предварительного растяжения по уравнению (5.29).
- Полное расчетное время гашения t0=t1+t2 не должно превышать 0,03 с.
