Дугогасительные устройства элегазовых выключателей

Санкт-ПетербургскийГосударственный Технический Университет
Электромеханическийфакультет
Кафедра Электроэнергетика,техника высоких напряжений
Реферат
Тема: Дугогасительныеустройства элегазовых выключателей
Выполнили  студенты группы №3021/1
Карпов П.Н.
Беляков В.А.
Санкт-Петербург
2005 г
Содержание



Введение...............................................................................3
1. Дугогасительные устройства  ссистемой продольного дутья..................................................................................6
2. Автокомпрессионные ДУ...................................................10
3. ДУ с электромагнитным дутьем.........................................16
Вывод………………………………………………………………………25
Список использованной литературы……………………………….26
Введение
Одним из быстроразвивающихся направлений создания новых выключателейпеременного тока высокого и сверхвысокого напряжения, отличающихся меньшимигабаритами и отвечающих требованиям современной энергетики по коммутационнойспособности  и надёжности, являютсявыключатели с дугогасящей средой, более эффективной по сравнению со сжатымвоздухом и маслом. Использование элегаза для этих целей обусловлено его высокимиизоляционными и дугогасящими свойствами.
Чистый газообразный элегазсовершенно безвреден, химически не активен, поэтому в обычных эксплуатационныхусловиях он не действует ни на какие материалы, применяемые в аппаратостроении,обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасительнойсредой, позволяющей производить отключение очень больших токов при большихскоростях восстановления напряжения. В однородном поле электрическая прочностьэлегаза в 2,3-2,5 раза выше прочности воздуха.
Низкие температуры сжижения исублимации дают возможность при обычных условиях эксплуатировать элегазовыеаппараты без специального подогрева. Элегаз не горит и не поддерживает горения,следовательно, элегазовые аппараты являются взрыво- и пожаробезопасными.
Стоимость элегаза существеннозависит от объёма его производства. При большом его потреблении стоимостьединицы объёма элегаза, имеющего такую плотность, при которой достигаетсяравная с маслом электрическая прочность, незначительно будет отличаться отстоимости единицы объёма масла. Но при правильной эксплуатации элегаз нестареет и не требует поэтому такого тщательного ухода за собой, как масло.
Элегаз представляет собойсоединение, имеющее химическую формулу SF6. При нормальных условиях этобесцветный, не имеющий запаха газ, плотность которого 6,52 кг/м3 принормальном атмосферном давлении и температуре 0°C. Он приблизительно в пять разтяжелее воздуха. Молекулярная масса элегаза 146,06. В нём содержится 21,95%серы и 78,05% фтора.
Одним из необходимых условийвозможности использования того или иного соединения в электрических аппаратахявляется его химическая инертность. Оно не должно вступать в реакцию ни с какимматериалом, применяемым в электроаппаратостроении. Чистый элегаз при обычныхусловиях удовлетворяет этому требованию, несмотря на то, что в состав егомолекулы входит фтор, являющийся одним из наиболее активных химическихэлементов. По химической инертности чистый элегаз при нормальных условияхсравним с азотом или даже инертными газами. Строение молекулы и еёэнергетическое состояние определяют высокую стабильность элегаза.
Отметим такжеэлектроотрицательные свойства элегаза, способствующие активному захватусвободных электронов и повышению эффективности гашения дуги.
Молекула элегаза содержит шестьатомов фтора, расположенных в вершинах правильного октаэдра, и атом серы,который находится в центре молекулы на равных расстояниях от атомов фтора. Притаком геометрическом расположении атомов в молекуле обеспечивается максимальноеперекрытие электронного облака серы и фтора и понижается общая энергиямолекулы. В случае недеформированных электронных оболочек атомов фтора радиусмолекулы элегаза равен 3,07.10-10 м. Радиус атома серылишь на 20% больше радиуса атома фтора. При этом соотношении радиусов атомыфтора плотно облегают центральный атом серы, обеспечивая идеальную его защитуот внешних воздействий. В возбуждённом состоянии атом серы может образовыватьшесть ковалентных связей. При атмосферном давлении элегаз, как и углекислыйгаз, может находиться только в газообразном состоянии. При pаб = 105 Патемпература перехода из твёрдого состояния в газообразное (температуравозгонки) равна — 63,8°C. При давлении свыше раб= 2,28.105 Па элегаз в зависимости от температуры можетнаходиться во всех трёх агрегатных состояниях. При этом давлении температуратройной точки равна -50,8°C.
В дугогасительных устройствах (ДУ) элегазовых выключателей применяютсяразличные способы гашения дуги в зависимости от номинального напряжения,номинального тока отключения и условия восстановления напряжения.

1. Дугогасительные устройства  с системой продольного дутья
Интенсивноегазодинамическое воздействие аксиального потока элегаза на ствол электрическойдуги является наиболее эффек­тивным способом гашения дуги. Поэтому оноиспользуется в боль­шинстве конструкций ДУ современных элегазовых выключателейпеременного тока высокого напряжения. Гашение дуги в ДУ про­исходит в дутьевыхсоплах в потоке элегаза высокого давления (0,5—0,6 МПа), куда ствол дугипопадает после размыкания кон­тактов. Основными конструктивными параметрамисистем продольного элегазового дутья (рис. 1) являются: площадь сечения Sc или диаметр dc горловины сопла, относительное расположениеконтактов, определяемое расстоянием z0, размеры элементов входной части сопла (z1, z3), а также геометрическая форма и размерыдиффузоров (z2, α—полуугол рас­ширения), площадьсечения SBC или диаметр dBC горловины вспо­могательного сопла.
Оптимальные условия для га­шения дуги в такихсистемах во многом определяются геометри­ческими параметрами дутьевых систем иособенно входной ча­сти, которые должны удовлетво­рять следующим основнымтребованиям:
-форма потенциального поля течения во входнойчасти должна способствовать коаксиальной стабилизации ствола дуги потоком;
-в межконтактном промежутке должна быть обра­зованаоптимальная форма электрического поля, обеспечивающая наибольшую электрическуюпрочность промежутка.

Рис. 1 Системы продольного элегазового дутья

Для оценки эффективности дутьевых систем элегазовых вы­ключателейвоспользуемся выражением удельной мощности от­водимой потоком и отнесенной кплощади сечения горловины сопла и к давлению в горловине сопла.
Давление элегаза рс в горловине сопла связано сдавлением рк в дугогасительной камере, которое обычно задано,следующим соотношением:
рс=αpрк
Коэффициент αp зависит от режима работы дутьевого сопла.
Из уравнения:
Sс=EэфlэфI/(Pудpс)
можноприближенно определить площадь сечения SС и диаметр dc горловины сопла при заданных значениях I, Eэф, рк,Pуд.
В дугогасительных устройствах снесимметричным дутьем (рис. 1 г, е) оптимальные условия для гашения дугивыполняются более полно по сравнению с системами одностороннего дутья (рис. 1 а,д). На рис. 2 представлены опытные зависи­мости предельного минимальногодавления ргаш в камере, необхо­димого для успешного
Рис. 2 Зависимость предельного давлениягашения от расстояния между контактами
1-одностороннее дутье; 2-несимметричноедутье
гашения дуги при отключении тока Iт= = 3 кАи скорости восстановления напряжения 1 кВ/мкс, от кон­структивных параметровсистемы одностороннего и несимметрич­ного дутья в элегазе. Оптимальныеотносительные расстояния z0/dc для этих систем примерно одинаковы:
(z0/dc)одн≈(z0/dc)нес=0,7÷0,75
Крометого, найдено, что для системы несимметричного дутья оптимальное отношениеплощадей сечений SBC/Sc≈0,20—0,25.
Такимже образом были получены оптимальные относительные расстояния для системдвухстороннего дутья (рис. 1 в, ж)
(z0/d1)дв ≈0,35─0,45.
При выборе оптимальных параметров диффузоровдутьевых систем элегазовых ДУ, которые обычно работают при относи­тельнонебольшом (по сравнению с ДУ воздушных выключате­лей) избыточном давлении,принимают удлиненную форму сопла с углом расширения 2α=10÷12°.

2. Автокомпрессионные ДУ
Другойспособ применяется в автокомпрессионных выключателях, в которых бак заполненэлегазом при давлении 0,3-0,4 МПа. При этом обеспечивается высокаяэлектрическая прочность газа и возможность работы без подогрева при температуредо  -40°C.
В таких выключателях перепаддавления, необходимый для гашения дуги, создаётся специальным компрессионнымустройством, механически связанным с подвижным контактом аппарата. В процессегашения получается перепад Dp=0,6¸0,8 МПа.При этом обеспечиваются условия для получения критической скорости истечения иэффективного гашения дуги.

Рис. 3 Автокомпрессионный
элегазовый выключатель Рассмотрим типичную конструкцию автокомпрессионныхЭВ (рис. 3). Аппарат находится в отключенном положении, и кон­такты 5 и 3разомкнуты. К неподвижному контакту 3 ток подво­дится через фланец2, а к подвижному контакту 5 —через фла­нец 9. В верхней крышке 1монтируется камера с адсорбентом. При включении ЭВ срабатывает пневмопривод 13(укрепленный на основании 11),шток 12 которого соединен через изоляционную тягу 10 и стальнойстержень 8 с подвижным контактом 5.Послед­ний жестко связан с фторопластовым соплом 4 и
подвижнымци­линдром 6. Вся подвижная система ЭВ (элементы 5, 6, 8, 10, 12) движетсявверх относительно неподвижного поршня 7,и полость К дугогасительной системы ЭВ увеличивается.
При отключении ЭВ шток 12 приводного силового механизма тянетподвижную систему выключателя вниз и в полости К соз­дается повышенное давлениеэлегаза по сравнению, с давлением в камере ЭВ. Такая автокомпрессия элегазаобеспечивает исте­чение газовой среды через сопло 4, интенсивноеохлаждение элек­трической дуги, возникающей между контактами 3 и 5 при от­ключении.Указатель, положения 14 дает возможность визуального контроля исходногоположения контактной системы ЭВ. В неко­торых конструкциях автокомпрессионныхЭВ используются пру­жинные, гидравлические силовые приводные механизмы, а орга­низацияистечения элегаза через сопла в дугогасительной камере происходит но принципудвухстороннего несимметричного дутья.

Рис. 4 Дугогасительное устройство элегазового  выключателя Схема ДУдвухстороннего дутья показана на рис. 4.

На этом рисунке верхняяполовина ДУ изображена во включенном положении, а нижняя — в отключен­ном.Внутри герметичной изоляционной камеры 1, заполненной элегазом, соосноустановлены два соплообразных неподвижных контакта 2 и 4 инеподвижный дутьевой поршень 5. Цепьтока при включенном положении выключателя образована скользящим не­подвижнымконтактным мостиком 3, жестко связанным с подвиж­ным дутьевым цилиндром 6.При отключении тока тяга 7 переме­щаетдутьевой цилиндр и контактный мостик вправо, в рабочем объеме цилиндраповышается давление. Дуга, возникающая между контактным мостиком и левымсоплом, потоком сжатого элегаза затягивается внутрь сопел. Двухстороннеепродольное дутье интенсивно воздействует на ствол дуги, которая гаснет в одиниз переходов тока через нуль. В конце хода цилиндра на отключение между сопламиостается свободный изоляционный промежуток обеспечивающий необходимуюэлектрическую проч­ность. Отработанный элегаз сбрасывается под оболочку изоляци­оннойкамеры.
На рис. 5 представлена другаясхема дугогасителыюй ка­меры ЭВ.


Рис. 5 Дугогасительное устройство элегазового  выключателя с изоляционным соплом


Аппарат находится в отключенномположении. Главные контакты 5, 7 идугогасительные контакты 2, 4 находятся в разомкнутом состоянии. Вполостях К, В, Б давление элегаза по­стоянно: р=рВ=рБ=const. Изоляционная покрышка 6 отделяетполости ЭВ от внешнего пространства. При подаче команды на включение внешнийпривод (на рис. 5 не показан) обеспечивает перемещение справа налево подвижнойсистемы ЭВ: подвиж­ного дутьевого цилиндра 8, подвижного главного 7 и дугогасительного 2 контактов,которые жестко связаны через тягу с сило­вым приводным механизмом. В началезамыкаются дугогасительные контакты 2, 4, а затем — главные контакты 5, 7. Вся подвижная система движется относительнонеподвижного поршня 1 и неподвижныхконтактов 5 и 4.
В положении «включено» токпроходит по главным контактам, а давление в полостях р=рВ=рБ=const. При подаче команды наотключение внешний привод обеспечивает перемещение подвиж­ной системы ЭВ сбольшой скоростью слева направо. Сначала размыкаются главные контакты 5, 7,а затем дугогасительные 4, 2. Уменьшение объема камеры К (поршень 1 неподвижен) вызывает повышение давления элегаза в этой полости: р>рВКак следует из рис. 5, дугогасительные контакты размыкаются с задержкой находу. После размыкания контактов 2, 4 начинается истечение элегаза черезсопло подвижного контакта 2 и изоляционное сопло 3, где ипроисходит гашение дуги под действием двухстороннего продольного дутья.Дополнительное дутье через канал небольшого диаметра (по сравнению с диаметромосновного сопла) в непо­движном дугогасительном контакте 4 может способствоватьот­ключению малых токов на начальной стадии отключения, а также создаватьблагоприятные условия для распада остаточного ствола дуги вблизи оконечностидугогасительного контакта 4. После окончания перемещения подвижнойсистемы истечение элегаза за­тухает и давление в полостях ДУ становится равнымисходному.
В ДУ автокомпрессионных ЭВнеобходимое для гашения дуги давление достигается после определенного ходапоршневой си­стемы. Поэтому при создании выключателей этого типавозникают трудности с обеспечением времени отключения менее 0,04 с. Од­ним изспособом сокращения времени отключения является умень­шение длины ходаподвижной системы до момента размыкания контактов. Для того чтобы давлениеэлегаза к моменту размы­кания контактов (этап предварительного сжатия элегаза)сохра­нялось на необходимом уровне, поршень на этой части хода уско­ренноперемещается навстречу движущемуся цилиндру (см. рис. 4). На этапе гашения дуги(после размыкания контактов) поршень остается неподвижным, а дутьевой цилиндрпродолжает перемещаться вплоть до своего конечного положения. Взаимныеперемещения цилиндра и поршня обеспечиваются кинематической схемой приводавыключателя. Сокращение времени отключения выключателя может быть достигнутотакже за счет уменьшения длительности горения дуги. Так например, вавтокомпрессионном ДУ (на рис. 6) перепад давления в дутьевой системе создаетсяне только в результате сжатия элегаза, но и в результате разре­жения в областивыхлопа через подвижный дугогасительный кон­такт — сопло 1.

Рис. 6 ДУ с полостью разрежения  В этом ДУ по сравнению с ранее рассмотреннойсистемой ДУ с неподвижным поршнем (см. рис. 5) имеется зона
разрежения 2, котораяобразуется при движении дополнитель­ного поршня 3. Отработанный элегаз сначала попадает в зону разрежения, а затемпри открытии окон 4 для выхлопа — под обо­лочку изоляционной камеры.


3. ДУ с электромагнитным дутьем
Гашение мощной дуги в аппаратах высокого напряжения воз­можно лишь приинтенсивном теплоотводе, который в высоко­вольтных выключателях обеспечиваетсяинтенсивным дутьем.
Теплоотвод от дуги существенно возрастает при быстром её перемещениисилами магнитного поля в неподвижном газе. Электромагнитное дутьё в воздухешироко используется в аппаратах низкого напряжения. При замене воздуха элегазомэлектромагнитный способ гашения дуги оказалась возможным распространить и наобласть высоких напряжений.
Принципиальные схемы дугогасительных устройств с электромагнитнымгашением дуги в элегазе показаны на рисунке 7.


Рис. 7 Принципиальные схемы устройств с электромагнитным гашением дуги в элегазе: а─одна катушка, б─две встречно включенные катушки
1-путь тока при включенном положении аппарата, 2-путь тока в процессе отключения, 3-главные контакты,
4-дугогасительные контакты, 5-катушка
 В них на каждую единицу длины дуги действуетсила F, возникающаяпри взаимодействии тока дуги с нормальной к её стволу составляющей напряжённостимагнитного поля. Под действием этой силы дуга перемещается по электродам соскоростью, зависящей от различных параметров, и в частности конструктивных.Магнитное поле создаётся самим отключаемым током при прохождении его по однойкатушке (рис. 7, а) или по двум встречно включенным катушкам (рис. 7, б). Вовключенном состоянии аппарата катушки шунтированы главными контактами, которыепри отключении размыкаются первыми.
Возникающая между подвижными и неподвижными контактами дуга начинаетдвигаться не сразу, а лишь после того, как сила F достигнетнекоторого значения, ибо, чтобы сдвинуть дугу с места первоначального еёобразования,  необходимо приложить вполнеопределённую силу Fмин, которуюможно вычислить (в ньютонах) по формуле Fмин=I.H.10-6(гдеI-ток дуги,H-напряжённостьмагнитного поля катушки), исходя из следующих соображений.
Для гашения дуги с током до нескольких десятков aмпеpдостаточно весьма незначительной скорости дуги, причем необя­зательно, чтобы ееопорные точки перемещались. Зная макси­мальное значение тока, который надежногаснет в элегазе при неподвижных опорных точках дуги, для различных конкретныхусловий экспериментально определяют значения напряженности магнитного поля Hмин, прикоторых дуга, включая и ее опорные точки, приходит в движение.
Для каждого конкретного конструктивного исполнения дугогасительногоустройства существует свое значение тока, кото­рый надежно гаснет при указанныхусловиях. Например, в ка­мере на 10 кВ при искусственно созданном резконеравномер­ном поле надежно гаснет дуга с током до 80 А.
Необходимо, чтобы уже при этом токе и более высоких его значениях дугадвигалась. Минимальное значение напряженно­сти Hмин, прикотором дуга с током 80 А придет в движение, равно 90 А/см. Этот параметрявляется исходной величиной при определении минимального числа витков катушки ωмин.
Для схемы рис. 7, а напряженность магнитного поля на оси катушкиизвестна:

где l— длина катушки, х — расстояниеточки, для которой оп­ределяется напряженность H, отсередины катушки, R — радиус катушки.
От числа витков катушки зависит напряженность магнит­ного поля и, следовательно,скорость движения дуги vд, котораяявляется основным параметром, определяющим отключающую способностьдугогасительного устройства. Кроме числа витков, на скорость дуги влияетдавление газа и значение отключае­мого тока. Поскольку скорость в течениеполупериода меняется, целесообразно говорить о максимальной скорости движения дугиvд.м..
Максимальное допустимое число витков катушки определяется из условия надежного гашениядуги, возникающей при раз­мыкании главных контактов, шунтирующих катушку. Этоусло­вие соблюдается при индуктивности катушки L─4 Гн.
Скорость дуги зависит не только от напряженности магнит­ного поля,создаваемого катушкой, но и от конструктивного ис­полнения контактов: разрезныеили неразрезные; в случае не­разрезного контакта скорость дуги зависит отсоотношения между активным и индуктивным сопротивлением его контура.
Под действием переменного магнитного потока в неразрез­ных контактах,представляющих собой короткозамкнутые кольца, возникает ток. Создаваемый этимтоком магнитный по­ток накладывается на основное поле катушки, вследствие чегомаксимум результирующего магнитного потока не совпадает с амплитудным значениемотключаемого тока, а кривые скоро­сти смещены по отношению к кривым тока. Из-запотерь в кон­тактах амплитуда результирующего магнитного поля снижается посравнению с амплитудой основного поля катушки.
Для выключателей на 6—35 кВмеждуконтактный промежу­ток будет лежать в пределах 10—30 мм. В результате обработки экспериментальных данных длясредних значений указанного промежутка была получена следующая эмпирическаязависи­мость:

где k0—коэффициент, зависящий от геометрических парамет­ров катушки, р —давление газа в камере выключателя.
Следует отметить, что, хотя при увеличении давления скорость дуги иуменьшается, дугогасительная способность растет вследствие повышения электрическойпрочности междуконтактного промежутка.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что максимальноезначение индукции магнитного поля в мо­мент перехода тока через нуль и,следовательно, максимум ско­рости при подходе тока к нулю получится тогда,когда индук­тивное сопротивление кольцевого неразрезного контакта равно егоактивному сопротивлению, т. е.
ωL = r.
Такой