Конспект лекций по предмету электрические аппараты (стр. 4 )

С увеличением выходного отверстия растет скорость истечения потока воздуха, условия га­шения улучшаются.

По отношению к стволу дуги поток воздуха может быть поперечным — поперечное воздуш­ное дутье (рис. 6, а), продольным — продольное воздушное дутье (рис. 6, б — е) и продольно­поперечным — продольно-поперечное дутье. Про­дольное и продольно-поперечное дутье может быть односторонним и двусторонним.

Поперечное дутье является весьма эффективным способом гашения, но имеет существенные недостатки. Работа камер связана с большим расходом воздуха и большим износом поперечных изоляционных перегородок 2 (рис. 6). Камеры оказываются достаточно сложными. Такое дутье при­меняется при напряжении до 20 кВ и токах отключения до 120 к А.

Рис. 7. Схема охлаждающего действия продольного дутья 1 — неподвижный контакт; 2 — ствол дуги;

3 — стенки сопла; 4 — подвижный контакт; рк — давление в камере; рб— давле­ние вне камеры (в баке)

Продольное дутье нашло преимущественное распространение за счет своей простоты и надежности, малого износа камер. Эффективность этого способа гашения заключается в следующем. Сама камера находится в закрытом баке. Давление в камере много выше давления в баке. Вытекая из камеры под давле­нием 1—4 МПа, газовый поток направлен вдоль дуги. В сопле (рис. 7), где этот поток тесно соприкасается с дугой и проникает в нее, образуются два потока — поток холодного воздуха с температурой примерно 0,3 • 103 К и скоростью истечения vх ≈ 330 м/с и поток горячего воздуха с температурой до 15 •103 К и скоростью истечения до vг ≈ 2500 м/с. На границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение, схематично изображенное на рисунке (vтурб). Перемешивание потоков и обеспечивает чрезвычайно интенсивный отбор теплоты от ствола дуги.

Установлено, что при охлаждении потоком воздуха отвод теплоты с единицы длины (1 см) ствола дуги до 12 раз больше, а с единицы объема (1 см3) плазмы до 104 раз больше, чем при охлаждении дуги в спокойном воздухе.

При больших токах теплота из дугового ствола переносится в основном за счет перемещения плазмы (объемное охлаждение). При малых токах, в том числе и в области перехода тока через нуль, отвод теплоты происходит в основном за счет конвекции и излучения.

Следует отметить, что для эффективного гашения весьма существенное значение имеет положение дуги в сопле. Она должна находиться в центре сопла и охлаждаться со всех сторон.

2.3.4. Гашение дуги в элегазе

В последние годы все более широко в высоковольтных выключателях вместо воздуха применяется элегаз — электротехнический газ. Элегаз — шестифтористая сера SF6, полученный впервые в Советском Союзе, обладает очень высокими дугогасительными свойствами, что позволяет при высокой отключаю­щей способности выключателей существенно сократить их размеры, а также создать герметизированные (полностью закрытые) комплексные распределительные устройства. Ниже приведены некоторые характеристики элегаза.

Рис. 8. Напряжение пробоя в различных средах

1 — элегаз; 2 — трансформаторное масло; 3 воздух

Рис. 9. Харак­тер восстановления прочности проме­жутка

1 — в элегазе; 2 — в воздухе

Молекулы элегаза обладают способностью захватывать электроны, что усили­вает деионизацию. Образующиеся малоподвижные (по отношению к электро­нам) отрицательные ионы, которые медленно разгоняются электрическим полем, увеличивают электрическую прочность газа. При атмосферном давлении она при­мерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха, а при давлении 0,23 МПа равна электрической прочности трансформаторного масла (рис. 6-21).

Следует отметить, что для максимального использования высокой электри­ческой прочности элегаза электрическое поле в межконтактном промежутке должно быть однородным. При резком местном его усилении, в частности у электродов, может возникнуть корона, вызывающая разложение элегаза. Продукты разложения обладают коррозионными и токсическими свойствами. В конструкциях контактной и дугогасительной систем должны приниматься меры, исключающие местные усиления электрического поля.

По отношению к воздуху элегаз имеет почти в четыре раза большую удельную объемную теплоемкость (энергия, необходимая для нагрева 1 см3 элегаза на 1 °С). Поэтому охлаждающая способность элегаза выше, что повышает его дугогасящие свойства и позволяет повысить нагрузку на токоведущие детали, находящиеся в его среде, на 15 — 25%. Учитывая, что чистый элегаз негорюч до температуры 800 °С, нагревостоек и химически инертен, можно допустить более высокие температуры нагрева контактов, не опасаясь их окисления.

Высокая дугогасящая способность элегаза объясняется еще его поведением в области нуля тока. Ток обрывается в самый последний момент подхода к нулю, но остаточный ствол дуги после прохода тока через нуль продолжает интенсивно охлаждаться. Восстанавливающаяся прочность проме­жутка Uпр, которая в элегазе имеет меньшее, чем при воздушном дутье, начальное значение, нарастает во времени интенсивнее и существенно превышает прочность при воздушном дутье. С учетом сказанного при равных условиях дугогасящая способность элегаза в 4,5 — 5 раз выше, чем воздушного дутья.

Отключающая способность устройств с гашением дуги в элегазе может быть еще повышена (на 20 — 30 %) путем прибавления в элегаз гелия.

Недостатком элегаза является переход из газообразного состояния в жидкое при относительно невысоких температурах. При наличии дуги элегаз разлагается, образуя, как указывалось выше, ряд соединений, обладающих коррозионными и токсическими свойствами. Ввиду этого дугогасительные устройства снабжаются экранами, фильтрами-поглотителями из активизированного А1203.

2.3.5. Гашение дуги в вакууме

Известно, что вакуум обладает высокими изоляционными и дугогасящими свойствами (рис. 10). Достижения в области получения высокого вакуума 1,33 • (10-4... 10-6) Па в современных выключателях, а главное, сохранение его в процессе их работы обеспечили внедрение и расширение применения этого спо­соба гашения в выключателях на напряжения свыше 1000 В.

Рис. 10. Зависимость про­бивного напряжения в раз­личных средах от расстояния между электродами 1 — вакуум; 2 — масло; 3 — фар­фор; 4 — элегаз; 5 — воздух

Рис. 11. Зависимость восстанав­ливающейся прочности в различ­ных средах от времени: 1 — вакуум; 2 —элегаз; 3 — азот; 4- водород

Механизм гашения дуги в вакууме поясняется следующим образом. При расхождении контактов вначале образуется жидкий металлический мостик из материала электродов. Мостик очень быстро нагревается и испаряется, появ­ляется дуга, которая горит в среде этих паров. Такая дуга называется вакуумной. Её характерной особенностью является малое падение напряжения на ней (20 — 40 В). Только при токах 10—100 кА падение напряжения на дуге воз­растает до 50 — 200 В. При прохождении тока через нуль дуга гаснет. Чрезвычайно большая разница в плотности частиц в плазме погасшей дуги и в пространстве камеры (вакууме) обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов из дугового промежутка. Соответственно этому мгновенно достигается высокая начальная прочность промежутка. Восстанавли­вающаяся электрическая прочность промежутка в зависимости от времени в вакууме на несколько порядков выше, чем в других средах. Последнее иллюстрируется рис. 11.

2.3.6. Гашение дуги в дугогасительной решетке

Рассмотренные выше способы гашения дуги сводились к воздействию на её ствол. Дугу можно также гасить, используя околоэлектродные падения напряжения. Впервые этот принципиально новый способ гашения предложил -Добровольский. Над контактами 1 и 2 аппарата (рис. 12) устанавливаются неподвижные, изолированные друг от друга металлические пластины 5, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключе­нии дуга 3 загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд последо­вательно включенных коротких дуг 4. У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. Гашение дуги происходит за счет суммы околоэлектродных падений напряжения.

Рис. 12. Статические вольт-амперные характеристики электрической дуги в решетке и схемы дугогасительных решеток

Гашение дуги постоянного тока

Для того чтобы дуга в решетке погасла, число пластин, между которыми она должна находиться, должно быть т > U/Uэ, где U — напряжение сети, В.

Возможны две типичные схемы решетки. В схеме на рис. 12,а дуга, возникшая на контактах, переходит на рога и, двигаясь кверху, под действием магнитного поля всеми своими точками одновременно проникает в область, занятую решеткой. Напряжение на дуге достигает значения Uэ• т, ток в цепи снижается до нуля по кривой, представляющей собой экспоненту.

В схеме на рис. 12,б дуга, возникшая на контактах, последовательно входит в промежутки между пластинами решетки по мере удаления подвижной контакт-детали от неподвижной. Напряжение на дуге возрастает постепенно по закону, близкому к линейному. Длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин на единицу длины.

При прочих равных условиях схема на рис.12,а  позволяет получить меньшую продолжительность горения дуги, чем схема на рис.12,б. Однако для обеспечения одновременного входа дуги во все промежутки между пласти­нами требуется внешнее магнитное поле.

Гашение дуги переменного тока. При гашении дуги переменного тока в дугогасительной решетке основную роль играют процессы у катода, заклю­чающиеся в том, что в рационально спроектированной дугогасительной решетке в момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство может мгновенно приобрести электрическую прочность 50—200 В.