Дугогасительные устройства с системой продольного дутья

Введение

элегаз выключатель привод

Одним из самых быстроразвивающихся направлений создания новых выключателей переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения, отличающихся меньшими габаритами и отвечающих требованиям современной энергетики по коммутационной способности и надёжности, являются выключатели с дугогасящей средой, более эффективной по сравнению со сжатым воздухом и маслом.

Название элегаз( электрический газ) шести фтористой серы дал 1947 г советский физик Б.Гохбер и он же первым предложил о возможности применения элегаза в качестве изоляционной среды для электрооборудования высокого и сверх высокого напряжения.

Использование элегаза для этих целей обусловлено его высокими изоляционными и дугогасящими свойствами.

Чистый газообразный элегаз совершенно безвреден, химически не активен, поэтому в обычных эксплуатационных условиях он не действует ни на какие материалы, применяемые в аппаратостроении, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасительной средой, позволяющей производить отключение очень больших токов при больших скоростях восстановления напряжения. В однородном поле электрическая прочность элегаза в 2, 3-2, 5 раза выше прочности воздуха.

Низкие температуры сжижения и сублимации дают возможность при обычных условиях эксплуатировать элегазовые аппараты без специального подогрева. Элегаз не горит и не поддерживает горения, следовательно, элегазовые аппараты являются взрыво- и пожаробезопасными.

Стоимость элегаза существенно зависит от объёма его производства. При большом его потреблении стоимость единицы объёма элегаза, имеющего такую плотность, при которой достигается равная с маслом электрическая прочность, незначительно будет отличаться от стоимости единицы объёма масла. Но при правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует поэтому такого тщательного ухода за собой, как масло.

Элегаз представляет собой соединение, имеющее химическую формулу SF₆. При нормальных условиях это бесцветный, не имеющий запаха газ, плотность которого 6, 52 кг/м³ при нормальном атмосферном давлении и температуре 0°C. Он приблизительно в пять раз тяжелее воздуха. Молекулярная масса элегаза 146, 06. В нём содержится 21, 95% серы и 78, 05% фтора.

Одним из необходимых условий возможности использования того или иного соединения в электрических аппаратах является его химическая инертность. Оно не должно вступать в реакцию ни с каким материалом, применяемым в электроаппаратостроении. Чистый элегаз при обычных условиях удовлетворяет этому требованию, несмотря на то, что в состав его молекулы входит фтор, являющийся одним из наиболее активных химических элементов. По химической инертности чистый элегаз при нормальных условиях сравним с азотом или даже инертными газами. Строение молекулы и её энергетическое состояние определяют высокую стабильность элегаза.

Отметим также электроотрицательные свойства элегаза, способствующие активному захвату свободных электронов и повышению эффективности гашения дуги.

Молекула элегаза содержит шесть атомов фтора, расположенных в вершинах правильного октаэдра, и атом серы, который находится в центре молекулы на равных расстояниях от атомов фтора. При таком геометрическом расположении атомов в молекуле обеспечивается максимальное перекрытие электронного облака серы и фтора и понижается общая энергия молекулы. В случае недеформированных электронных оболочек атомов фтора радиус молекулы элегаза равен 3, 07^.10^-10 м. Радиус атома серы лишь на 20% больше радиуса атома фтора. При этом соотношении радиусов атомы фтора плотно облегают центральный атом серы, обеспечивая идеальную его защиту от внешних воздействий. В возбуждённом состоянии атом серы может образовывать шесть ковалентных связей. При атмосферном давлении элегаз, как и углекислый газ, может находиться только в газообразном состоянии. При p_аб = 10⁵ Па температура перехода из твёрдого состояния в газообразное (температура возгонки) равна - 63, 8°C. При давлении свыше р_аб = 2, 28^.10⁵ Па элегаз в зависимости от температуры может находиться во всех трёх агрегатных состояниях. При этом давлении температура тройной точки равна -50, 8°C.

В дугогасительных устройствах (ДУ) элегазовых выключателей применяются различные способы гашения дуги в зависимости от номинального напряжения, номинального тока отключения и условия восстановления напряжения.

Автокомпрессионные ДУ

Другой способ применяется в автокомпрессионных выключателях, в которых бак заполнен элегазом при давлении 0, 3-0, 4 МПа. При этом обеспечивается высокая электрическая прочность газа и возможность работы без подогрева при температуре до -40°C.

В таких выключателях перепад давления, необходимый для гашения дуги, создаётся специальным компрессионным устройством, механически связанным с подвижным контактом аппарата. В процессе гашения получается перепад Dp=0, 6¸ 0, 8 МПа. При этом обеспечиваются условия для получения критической скорости истечения и эффективного гашения дуги.

Рассмотрим типичную конструкцию автокомпрессионных ЭВ (рис. 3). Аппарат находится в отключенном положении, и кон такты 5 и 3 разомкнуты. К неподвижному контакту 3 ток подво дится через фланец 2, а к подвижному контакту 5 — через фла нец 9. В верхней крышке 1 монтируется камера с адсорбентом. При включении ЭВ срабатывает пневмопривод 13 (укрепленный на основании 11), шток 12 которого соединен через изоляционную тягу 10 и стальной стержень 8 с подвижным контактом 5. Последний жестко связан с фторопластовым соплом 4 и подвижным цилиндром 6. Вся подвижная система ЭВ (элементы 5, 6, 8, 10, 12) движется вверх относительно неподвижного поршня 7, и полость К дугогасительной системы ЭВ увеличивается.

При отключении ЭВ шток 12 приводного силового механизма тянет подвижную систему выключателя вниз и в полости. К создается повышенное давление элегаза по сравнению, с давлением в камере ЭВ. Такая автокомпрессия элегаза обеспечивает истечение газовой среды через сопло 4, интенсивное охлаждение электрической дуги, возникающей между контактами 3 и 5 при отключении. Указатель, положения 14 дает возможность визуального контроля исходного положения контактной системы ЭВ. В некоторых конструкциях автокомпрессионных ЭВ используются пружинные, гидравлические силовые приводные механизмы, а организация истечения элегаза через сопла в дугогасительной камере происходит но принципу двухстороннего несимметричного дутья.

Схема ДУ двухстороннего дутья показана на рис. 4.

Рис

На этом рисунке верхняя половина ДУ изображена во включенном положении, а нижняя — в отключен ном. Внутри герметичной изоляционной камеры 1, заполненной элегазом, соосно установлены два соплообразных неподвижных контакта 2 и 4 и неподвижный дутьевой поршень 5. Цепь тока при включенном положении выключателя образована скользящим не подвижным контактным мостиком 3, жестко связанным с подвижным дутьевым цилиндром 6. При отключении тока тяга 7 перемещает дутьевой цилиндр и контактный мостик вправо, в рабочем объеме цилиндра повышается давление.

Дуга, возникающая между контактным мостиком и левым соплом, потоком сжатого элегаза затягивается внутрь сопел. Двухстороннее продольное дутье интенсивно воздействует на ствол дуги, которая гаснет в один из переходов тока через нуль. В конце хода цилиндра на отключение между соплами остается свободный изоляционный промежуток обеспечивающий необходимую электрическую прочность. Отработанный элегаз сбрасывается под оболочку изоляционной камеры.

Рис

Аппарат находится в отключенном положении. Главные контакты 5, 7 и дугогасительные контакты 2, 4 находятся в разомкнутом состоянии. В полостях К, В, Б давление элегаза по стоянно: р=р_В=р_Б=const. Изоляционная покрышка 6 отделяет полости ЭВ от внешнего пространства. При подаче команды на включение внешний привод (на рис. 5 не показан) обеспечивает перемещение справа налево подвижной системы ЭВ: подвижного дутьевого цилиндра 8, подвижного главного 7 и дугогасительного 2 контактов, которые жестко связаны через тягу с силовым приводным механизмом. В начале замыкаются дугогасительные контакты 2, 4, а затем — главные контакты 5, 7. Вся подвижная система движется относительно неподвижного поршня 1 и неподвижных контактов 5 и 4.

В положении «включено» ток проходит по главным контактам, а давление в полостях р=р_В=р_Б=const. При подаче команды на отключение внешний привод обеспечивает перемещение подвижной системы ЭВ с большой 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> р_В Как следует из рис. 5, дугогасительные контакты размыкаются с задержкой на ходу. После размыкания контактов 2, 4 начинается истечение элегаза через сопло подвижного контакта 2 и изоляционное сопло 3, где и происходит гашение дуги под действием двухстороннего продольного дутья. Дополнительное дутье через канал небольшого диаметра (по сравнению с диаметром основного сопла) в неподвижном дугогасительном контакте 4 может способствовать отключению малых токов на начальной стадии отключения, а также создавать благоприятные условия для распада остаточного ствола дуги вблизи оконечности дугогасительного контакта 4. После окончания перемещения подвижной системы истечение элегаза затухает и давление в полостях ДУ становится равным исходному.

В ДУ автокомпрессионных ЭВ необходимое для гашения дуги давление достигается после определенного хода поршневойсистемы. Поэтому при создании выключателей этого типа возникают трудности с обеспечением времени отключения менее 0, 04 с. Од ним из способом сокращения времени отключения является уменьшение длины хода подвижной системы до момента размыкания контактов. Для того чтобы давление элегаза к моменту размыкания контактов (этап предварительного сжатия элегаза) сохранялось на необходимом уровне, поршень на этой части хода ускоренно перемещается навстречу движущемуся цилиндру (см. рис. 4). На этапе гашения дуги (после размыкания контактов) поршень остается неподвижным, а дутьевой цилиндр продолжает перемещаться вплоть до своего конечного положения. Взаимные перемещения цилиндра и поршня обеспечиваются кинематической схемой привода выключателя. Сокращение времени отключения выключателя может быть достигнуто также за счет уменьшения длительности горения дуги. Так например, в автокомпрессионном ДУ (на рис. 6) перепад давления в дутьевой системе создается не только в результате сжатия элегаза, но и в результате разрежения в области выхлопа через подвижный дугогасительный кон такт — сопло 1.

В этом ДУ по сравнению с ранее рассмотренной системой ДУ с неподвижным поршнем (см. рис. 5) имеется зона разрежения 2, которая образуется при движении дополнитель ного поршня 3. Отработанный элегаз сначала попадает в зону разрежения, а затем при открытии окон 4 для выхлопа — под оболочку изоляционной камеры.

Безопасность

В качестве изолирующей и дугогасящей среды в выключателях серии LF использован элегаз -шестифтористая сера (SF6), обладающая высокими изоляционными и дугогасящими характеристиками. Три фазы выключателя расположены в едином корпусе, нечувствительном к условиям окружающей среды и заполненном элегазом при низком избыточном давлении (0, 15 МПа или 1, 5 атм.). Каждый выключатель имеет мембрану безопасности, действие которой защищает оператора при повышении давления внутри полюса.

Применяемый принцип дугогашения, основанный на технике вращения дуги и эффекте температурного расширения элегаза, обеспечивает надежное гашение дуги при отключении номинальных токов, в том числе емкостных и индуктивных, больших токов коротких замыканий, а также низкий уровень коммутационных перенапряжений. Кроме того, безопасность и надежность эксплуатации электроустановки гарантированы возможностью отключения номинальных токов при номинальном напряжении даже при нарушениях герметичности камеры выключателя и нулевом избыточном давлении.

Надежность

Механический пружинный привод, действие которого основано на аккумулировании энергии, необходимой для отключения и последующего включения выключателя, является важнейшим элементом, обеспечивающим надежность выключателя. Наблюдение за парком всех установленных выключателей (свыше 180 000 в 80 странах мира) на протяжении 30 лет позволило установить среднее время наработки на отказ – 2800 лет, что соответствует 4 отказам на 10 000 выключателей в год. Накопленный опыт производства и эксплуатации элегазового коммутационного оборудования, использование современных систем контроля качества в процессе его производства, а также специальные технические решения обеспечивают герметичность дугогасящей камеры и поддержание технических параметров выключателя на уровне номинальных в течение 30 лет эксплуатации.

Ресурс выключателя

Механический и электрический ресурс выключателей серии LF являются более высоким по сравнению с требованиями норм МЭК. Выключатели серии LF прошли специальные испытания на механическую и электрическую прочность в соответствии с требованиями норм МЭК. Испытания подтвердили высокую надежность и долговечность выключателей - не менее 10 000 циклов ВО при номинальном токе и 40 отключений номинальных токов коротких замыканий (25 кА).

Обслуживание выключателя

Эксплуатация выключателя при номинальных технических условиях не требует обслуживания механического привода в течение 10 лет или в течение 10 000 циклов ВО. Обслуживание дугогасящей камеры выключателя не требуется в течение всего срока эксплуатации.

Экологическая безопасность

Выключатели серии LF разработаны и изготавливаются с учетом требований по охране окружающей среды: материалы, изоляционные и токопроводящие компоненты являются экологически чистыми, заменяемыми и могут быть подвержены утилизации; элегаз может быть извлечен из камеры выключателя после его демонтажа и повторно использован после соответствующей обработки.

Система контроля качества

Каждый выключатель проходит тщательные систематические заводские испытания с целью проверки качества и соответствия типовым характеристикам:

- контроль герметичности;

- контроль правильной работы механических частей и блокировок;

- контроль одновременности замыкания контактов;

- диэлектрические испытания;

- контроль сопротивления главных контактов;

- контроль уровня изоляции вторичных цепей;

- снятие временных характеристик;

- измерение скорости размыкания и замыкания контактов;

- проверка работы циклов ВО.

Результаты проведенных текущих испытаний заносятся в сертификат индивидуальных испытаний выключателя. Комплексные решения по разработке и модификации выключателя, система контроля качества завода-изготовителя сертифицированы французской ассоциацией по контролю качества (AFAQ) на соответствие ISO 9001 и ISO 9002. Выключатели серии LF успешно прошли типовые испытания на соответствие требованиям норм МЭК 56 и ГОСТ 687.

Введение

элегаз выключатель привод

Использование элегаза для этих целей обусловлено его высокими изоляционными и дугогасящими свойствами.

Дугогасительные устройства с системой продольного дутья

Интенсивное газодинамическое воздействие аксиального потока элегаза на ствол электрической дуги является наиболее эффективным способом гашения дуги. Поэтому оно используется в большинстве конструкций ДУ современных элегазовых выключателей переменного тока высокого напряжения. Гашение дуги в ДУ про исходит в дутьевых соплах в потоке элегаза высокого давления (0, 5—0, 6 МПа), куда ствол дуги попадает после размыкания кон тактов. Основными конструктивными параметрами систем продольного элегазового дутья (рис. 1) являются: площадь сечения S_c или диаметр d_c горловины сопла, относительное расположение контактов, определяемое расстоянием z₀, размеры элементов входной части сопла (z₁, z₃), а также геометрическая форма и размеры диффузоров (z₂, α —полуугол расширения), площадь сечения S_BC или диаметр d_BC горловины вспомогательного сопла.

Оптимальные условия для гашения дуги в таких системах во многом определяются геометрическими параметрами дутьевых систем и особенно входной части, которые должны удовлетворять следующим основным требованиям:

-форма потенциального поля течения во входной части должна способствовать коаксиальной стабилизации ствола дуги потоком;

-в межконтактном промежутке должна быть образована оптимальная форма электрического поля, обеспечивающая наибольшую электрическую прочность промежутка.

Рис

Для оценки эффективности дутьевых систем элегазовых вы ключателей воспользуемся выражением удельной мощности от водимой потоком и отнесенной к площади сечения горловины сопла и к давлению в горловине сопла.

Давление элегаза р_с в горловине сопла связано с давлением р_к в дугогасительной камере, которое обычно задано, следующим соотношением:

р_с=α _pр_к

Коэффициент α _p зависит от режима работы дутьевого сопла.

Из уравнения:

S_с=E_эфl_эфI/(P_удp_с)

можно приближенно определить площадь сечения S_С и диаметр d_c горловины сопла при заданных значениях I, E_эф, р_к, P_уд.

В дугогасительных устройствах с несимметричным дутьем (рис. 1 г, е) оптимальные условия для гашения дуги выполняются более полно по сравнению с системами одностороннего дутья (рис. 1 а, д). На рис. 2 представлены опытные зависимости предельного минимального давления р_гаш в камере, необходимого для успешного

Рис. 2 Зависимость предельного давления гашения от расстояния между контактами

1-одностороннее дутье; 2-несимметричное дутье

гашения дуги при отключении тока I_т= = 3 кА и скорости восстановления напряжения 1 кВ/мкс, от конструктивных параметров системы одностороннего и несимметричного дутья в элегазе. Оптимальные относительные расстояния z₀/d_c для этих систем примерно одинаковы:

(z₀/d_c)_одн≈ (z₀/d_c)_нес=0, 7÷ 0, 75

Кроме того, найдено, что для системы несимметричного дутья оптимальное отношение площадей сечений S_BC/S_c≈ 0, 20—0, 25.

Таким же образом были получены оптимальные относительные расстояния для систем двухстороннего дутья (рис. 1 в, ж)

(z₀/d₁)_дв ≈ 0, 35─ 0, 45.

При выборе оптимальных параметров диффузоров дутьевых систем элегазовых ДУ, которые обычно работают при относительно небольшом (по сравнению с ДУ воздушных выключателей) избыточном давлении, принимают удлиненную форму сопла с углом расширения 2α =10÷ 12°.

Автокомпрессионные ДУ

Схема ДУ двухстороннего дутья показана на рис. 4.

Рис

12 Следующая ⇒