Часть третья
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И ПРИБОРЫ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ
ГЛАВА 7
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА СТАНЦИЙ ПОДСТАНЦИЯ
§ 19. Гашение электрической дуги в коммутационных аппаратах
Общие сведения о возникновении электрической дуги в аппаратах.
В электрических схемах станций и подстанций предусматривают установку коммутационных, или отключающих аппаратов, назначение которых отключать отдельные участки цепи и основное оборудование, например, электрические генераторы, трансформаторы, электродвигатели и др. Эти аппараты устанавливаются и в сетях, для изменения общей схемы работы сети или отдельных ее участков. Отключающие аппараты (масляные и воздушные выключатели, разъединители) имеют контактную систему, осуществляющую разрыв электрической цепи при срабатывании аппарата. При размыкании участка цепи, по которой проходит ток, между контактами аппарата может возникнуть электрическая дуга, температура ее очень высока (порядка нескольких тысяч градусов). Поэтому процесс расхождения контактов при отключении аппаратов должен занимать как можно меньше времени, для того чтобы целостность контактов под действием электрической дуги не нарушилась. С возрастанием тока и номинального напряжения установки размеры и интенсивность горения дуги увеличиваются, что создает трудности для ее разрыва и гашения.
Рассмотрим упрощенную картину возникновения и гашения электрической дуги. При расхождении контактов коммутационного аппарата между ними образуется электрическое поле, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна расстоянию между контактами. Обычно контакты высоковольтных аппаратов работают в масле. Процесс расхождения контактов сопровождается образованием газа, возникающего в результате испарения масла с поверхностей контактов. При появлении дуги масло разлагается и процесс ее горения в дальнейшем происходит в газовой среде. Первоначально газовая среда считается нейтральной, т. е. обладающей свойствами изолятора. Однако под действием электрического поля при расхождении контактов в газовой среде образуются электрические, заряды, она становится токопроводящей. Интенсивное движение заряженных частиц при большой их концентрации в токопроводящей среде и есть электрическая дуга. Таким образом, процесс возникновения электрической дуги связан с ионизацией нейтральной среды, т. е. образованием в ней движущихся заряженных частиц-электронов.
Различают два вида ионизации — ударную и термическую. При ударной свободные электроны за счет сил электрического поля перемещаются с большой скоростью и, сталкиваясь с нейтральным атомом газа, выбивают из него несколько электронов, в результате чего нейтральная частица газа распадается на свободные электроны и положительно заряженный ион. Термическая ионизация обусловлена резким увеличением переходного сопротивления контактов при их расхождении и в связи с этим значительным увеличением температуры как самих контактов, так и окружающей среды. При этом скорости движения заряженных частиц (электронов) сильно возрастают.
Отсюда ясно, что основные мероприятия, связанные с быстрейшим гашением дуги, должны быть направлены на уменьшение как ударной, так и термической ионизации дугового промежутка.
Для уменьшения ионизации первого вида стараются прежде всего увеличить скорость расхождения контактов коммутационного аппарата, так как значение напряженности поля при увеличении расстояния между ними быстро снижается. Следовательно, уменьшается и возможность образования новых заряженных частиц при ионизации. Другим методом является применение специальных гасительных камер с повышенным давлением газа, также уменьшающих скорость движения заряженных частиц или применение деионных решеток в виде омедненных стальных пластин, на которых снижается напряжение, приложенное к контактам. Для снижения действия термической ионизации контактная система выключателя охлаждается принудительным дутьем струи воздуха, масла или газа (в последнем случае — применением газогенерирующего вещества).
Однако для интенсивного гашения электрической дуги этих средств бывает недостаточно, поэтому в коммутационных аппаратах используют процесс обратной ионизации, т. е. деионизацию. При этом процессе количество заряженных частиц уменьшается, поток электронов ослабевает и в пределе образует пространство, заполненное лишь нейтральными частицами, т. е. среду, близкую к изолятору.
Процесс деионизации — это воссоединение (рекомбинация) электронов в первоначальную нейтральную частицу за счет снижения скорости их движения, и диффузии, т. е. проникновения одной газовой среды в другую. Это явление возникает при выбросе заряженных частиц в воздух во время горения электрической дуги и обеспечивается применением принудительного дутья, которое выполняют различными способами.
В современных коммутационных аппаратах, особенно масляных выключателях, для ускорения расхождения контактной системы широко используются быстродействующие пружинные приводы, различные газогенерирующие материалы для создания газового дутья (в воздушных выключателях) и дугогасительные камеры (в выключателях и контакторах различного типа).
Гашение электрической дуги постоянного и переменного тока.
Гашение дуги в цепях постоянного тока затруднено наличием постоянного напряжения, неизменного по своей величине. Кроме того, в этих цепях, как правило, имеются различные катушки, обмотки электрических машин и другие индуктивные сопротивления. Если отключить их, появится электродвижущая сила, которая накладывается на основное напряжение и вызывает появление значительных перенапряжений на контактах. В цепях постоянного тока используют воздушные выключатели. Основным способом надежного и быстрого гашения дуги здесь является применение дугогасительных решеток. Эти решетки, хотя и не исключают полностью возникновение перенапряжений, однако снижают их величину до трех-четырехкратного значения номинального напряжения цепи.
В цепях переменного тока процесс гашения дуги облегчается тем, что при частоте 50 Гц напряжение 100 раз в секунду меняет свой знак, каждый раз проходя через нулевое значение. Естественно, что в момент прохождения напряжения через нуль напряжение на дуге также равно нулю. В этот момент процесс ионизации дугового промежутка прекращается, температура дуги снижается и усиливается процесс деионизации, способствующий восстановлению электрической прочности (изоляции) дугового промежутка. В отдельных случаях в момент прохождения напряжения через нуль электрическая дуга может погаснуть. Для восстановления дуги в последующий момент на контактах должно появиться напряжение, которое возникает не сразу. Это напряжение называется напряжением зажигания дуги. Чем медленнее нарастает напряжение зажигания, тем меньше возможность появления дуги. Если электрическая прочность дугового промежутка после прохождения напряжения через нуль нарастает быстрее напряжения зажигания, — дуга гаснет, если медленнее, — загорается вновь.
Процесс восстановления электрической прочности дугового промежутка, а следовательно, и гашения дуги облегчается при быстром расхождении контактов, поэтому в современных масляных выключателях применяют быстродействующие системы привода. Хороший отвод тепла также способствует быстрой деионизации и снижению температуры дуги. Поэтому для масляных выключателей применяют массивные медные электроды, обладающие большой теплопроводностью.
Принцип работы высоковольтных масляных выключателей.
В цепях высокого напряжения (3, 6, 10 кВ и выше) широко используются выключатели, заполненные трансформаторным маслом. Такие выключатели называются масляными. Условия гашения электрической дуги в масле значительно улучшаются, так как масло обладает дугогасящими свойствами и хорошими изоляционными качествами.
Рис. 49. Разрез многообъемного масляного выключателя бакового типа:
1— кривошипно-шатунный механизм, 2 — масло-указатель, 5 — неподвижные контакты, 4 — подвижные контакты, 5 — трансформаторное масло, 6 — общий бак, 7 — газоотводная трубка, 8 — проходной изолятор
Масляные выключатели выполняют с большим объемом масла и с малым. В соответствии с этим различают многообъемные, или баковые, и малообъемные, или горшковые, масляные выключатели. В многообъемных выключателях масло служит не только как средство гашения дуги, но и как изолирующая среда, для изоляции токоведущих частей друг от друга и стенок бака. В малообъемных выключателях масло используется исключительно как дугогасящая среда. Масляные выключатели снабжают дугогасительными камерами различных конструкций, ускоряющими процесс гашения дуги и повышающими отключающую способность выключателя.
Рассмотрим принцип работы высоковольтного выключателя на примере масляного выключателя баковой конструкции. Схематический разрез такого выключателя показан на рис. 49. В общем баке 6, выполненном из стали, размещают контактную систему всех трех фаз выключателя и заливают бак трансформаторным маслом 5. Уровень масла контролируется по маслоуказателю 2. Провода или шины электрической цепи подводятся к вводам — проходным изоляторам 8. В нижней части токоведущих стержней изоляторов укреплены неподвижные контакты выключателя 3, помещенные в масло. Каждая фаза бакового выключателя имеет по два неподвижных контакта и по два замыкающих подвижных контакта 4, укрепленных на траверсе. Во включенном положении выключателя контакты 4 подняты и соединяются с неподвижными контактами 3, осуществляя замыкание силовой цепи масляного выключателя. Подъем контактов при включении осуществляется кривошипно-шатунным механизмом 1, который при повороте вала выключателя по часовой стрелке поднимает вертикальную изолированную тягу с закрепленной на ее конце траверсой с подвижными контактами. Размыкаются контакты при отключении масляного выключателя пружинным механизмом, перемещающим вертикальную тягу вниз. При расхождении контактов между ними возникает электрическая дуга (см. рис. 49). В баковых выключателях рассматриваемой конструкции происходит двукратный разрыв дуги в каждой фазе, т. е. между обеими парами подвижных и неподвижных контактов.
Масло под действием высокой температуры дуги разлагается на составные части и образует газ (в основном водород, способствующий быстрому гашению дуги). Таким образом, дуга горит не в масле, а в парах газа, образующего вокруг дуги газовый пузырь с высоким внутренним давлением. Это давление передается всему объему масла и действует на стенки бака, который должен обладать достаточной механической прочностью. Однако, несмотря на это, бак выключателя был бы I изорван, если бы он был герметически закрыт и над уровнем масла не было бы слоя воздуха (воздушной подушки, выполняющей роль буфера). При расширении масла во время возникновения дуги масло вытесняет воздух и он выходит через газоотводную трубку 7, тем самым снижая давление на стенки бака выключателя. После того как дуга гаснет, газы, образующие газовый пузырь, поднимаются вверх и выходят через трубку 7.
Уровень масла в баке должен быть таким, чтобы при разрыве максимального тока отключения, на который рассчитан выключатель, процесс гашения дуги и подъем масла за счет его расширения заканчивался раньше, чем масло заполнит все буферное пространство. В противном случае масло, вытесняя воздух, выплеснется через газоотводную трубку, повредит или даже сорвет крышку выключателя. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо строго следить за уровнем масла в баке, поддерживая его на отметке, рекомендованной заводом-изготовителем. Некоторые конструкции баков снабжаются дополнительными предохранительными устройствами, через которые масло может выйти наружу.
Для изоляции токоведущих частей выключателя от заземленного корпуса бака его внутренние стенки покрывают электротехническим картоном, обладающим высокими изоляционными качествами. Прокладки из картона предохранят бак от переброски электрической дуги на его стенки.
В масляных выключателях, рассчитанных на большие токи и мощности отключения, предусматривают специальные устройства для ускорения охлаждения и гашения электрической дуги (гасительные камеры продольного и поперечного дутья, дугогасительные решетки в др.).
Наряду с выключателями, заполненными маслом, в последнее время в сельской электрификации стали применять автогазовые и воздушные выключатели. В автогазовых выключателях дугогасительные камеры выполняют из твердых диэлектриков (например, органического стекла), способных под действием высокой температуры дуги выделять большое количество газов. В воздушных выключателях гашение дуги осуществляется струей сжатого воздуха, поступающего под давлением до 20 атм от компрессорной установки. В таких выключателях применяют как продольное, так и поперечное дутье, способствующее скорейшему гашению дуги.
