Методические указания. В элегазовых выключателях применяется сравнительно невысокое давление

В элегазовых выключателях применяется сравнительно невысокое давление. Это объясняется замечательными свойствами элегаза: высокой электрической прочностью и высокой дугогасительной способностью. Высокая электрическая прочность шестифтористой серы SF₆ была установлена советскими физиками-ядерщиками Гохбергом и Зайделем в начале 40-х годов прошлого века. Предвидя перспективы применения этого газа в электрооборудовании, шестифтористая сера была ими названа электрическим газом, а сокращенно — эле газом.

Молекула SF6 представляет собой правильный октаэдр, в центре которого находится атом серы (рис.3.1). Радиус атома серы на 20 % больше радиуса фтора, поэтому атомы фтора плотно облегают атом серы, защищая его от внешних воздействий. Такое строение молекулы объясняет многие свойства шестифторисой серы.

Рис. 3.1. Строение молекулы элегаза

Элегаз совершенно безвреден, химически неактивен, в обычных эксплуатационных условиях не действует на материалы, применяемые в электроаппаратостроении. Он бесцветен, не имеет запаха, тяжелее воздуха примерно в пять раз, скорость звука в элегазе в два с лишним раза меньше, чем в воздухе. Удельная объемная теплоемкость элегаза выше в 3,7 раза, чем воздуха, а коэффициент теплоотдачи с поверхности такой же, как в водороде. Элегаз не горит и не поддерживает горение. По химической активности он сходен с азотом.

При горении дугового разряда происходит диссоциация и ионизация части элегаза, однако за этим следует рекомбинация без образования каких-либо продуктов разложения.

При атмосферном давлении элегаз может находиться в газообразном и твердом состоянии. Как видно из диаграммы (рис.3.2), при атмосферном давлении в твердое состояние элегаз переходит при температуре -63,8 °С, а в жидкое состояние элегаз может переходить только при давлении выше 0,228 МПа, тройная точка на диаграмме, где встречаются границы газообразного, жидкого и твердого состояний, соответствует температуре -50,8 °С. Считается, что предел применения элегаза приходится на -41...- 42 °С при давлении 0,40...0,45 МПа.

Элегаз относится к числу электроотрицательных газов. Ряд химических элементов, таких как F, Cl, Br, I, O, имеют сродство к электронам, что выражается в образовании отрицательных ионов этими элементами при наличии свободных электронов.

Простейшим условием развита газового разряда является соотношение

α_эфS > K, где К— некое число; S- длина разрядного промежутка.

В свою очередь α_эф=α-η, где а — количество ионизаций, произведенных одним электроном на единичном пути вдоль силовой линии электрического поля; η — коэффициент прилипания электронов.

Чтобы компенсировать убыль электронов за счет прилипания, необходимо повышать напряженность электрического поля для интенсификации процесса ионизации. Расчетно-экспериментальные значения относительных напряженностей (Е/р), характеризующих энергию набранную электроном за свободный пробег, и при которых выполняется условие развития разряда, составляют: для воздуха - 2,7·10-4 кВ/(см·Па), а для элегаза в три раза больше - 8,9·10-4 кВ/(см·Па). Такая разница объясняется тем, что коэффициент прилипания η в воздухе значительно меньше коэффициента прилипания в элегазе, в то время как коэффициенты ионизации α в этих газах примерно одинаковы.

Рис. 3.2. Состояния элегаза в зависимости от температуры и давления

На рис. 3.3представлены напряжения пробоя промышленной частоты промежутков с электрическим полем, близким к однородному, для воздуха при атмосферном давлении и для элегаза при атмосферном и повышенных давлениях. Согласно этим данным при атмосферном давлении средняя пробивная напряженность в воздухе составляет 20кВ/см, а в элегазе - 60 кВ/см. Следует отметить, что наибольшее преимущество элегаза проявляется при сравнительно невысоких давлениях, например, уже при повышении давления до 0,5 МПа наблюдается только 2-кратное повышение электрической прочности элегаза.

Элегаз обладает высокой дугогасительной способностью, что объясняется особенностями горения дуги в элегазе. Из-за более низкой теплопроводности при высоких температурах токопроводящий канал в элегазе имеет меньший диаметр, но более высокую температуру. Затухание проводимости канала интенсивно охлаждаемой дуги при подходе тока к естественному нулю в элегазе происходит очень быстро. Принято скорость исчезновения проводимости дуги характеризовать псевдопостоянной времени Т, которая прямо пропорциональна теплосодержанию дуги и обратно пропорциональна мощности теплоотвода. В момент перехода тока через нуль Т интенсивно охлаждаемой дуги в элегазе составляет 1 мкс, что на несколько порядков меньше Т дуги, горящей в воздухе. Сравнительные испытания показали, что дугогасительная способность элегаза примерно на порядок выше, чем воздуха. С другой стороны, проводящий канал дуги в элегазе весьма устойчив к механическим воздействиям и сохраняется почти до самого момента перехода тока через нуль, т.е. срез тока бывает незначительным при отключении.

Рис. 3.3. Напряжения пробоя элегазовых промежутков при различных давлениях и воздушных промежутков при атмосферном давлении

Гашение дуги в выключателях происходит при интенсивном теплоотводе за счет дутья с целью создания дисбаланса между подводимой и рассеиваемой энергии. Основными механизмами потерь являются радиальная диффузия и излучение. В элегазовых выключателях газ не выбрасывается наружу.

По способу гашения дуги в элегазе дугогасительные устройства можно разделить на четыре типа:

► дугогасительные устройства, в которых дутье обеспечивается поступающим из резервуара газом, с высоким давлением (рис. 3.4). Функционирование таких устройств предполагает наличие компрессорного хозяйства;

Рис. 3.4 Дугогасительное устройство элегазового выключателя с двумя ступенями давления: а — включено; б — гашение дуги при отключении: / — газопровод; 2 — подвижный контакт, 3 — сопло; 4 — дугогасительный контакт, 5 — главный неподвижный контакт, б — клапан; 7 — резервуар высокого давления; 8 — изоляционная тяга

► автокомпрессионные дугогасительные устройства с дутьем в элегазе, создаваемым компрессионым устройством (рис.3.5);

► с электромагнитным дутьем, при котором дуга вращается в поперечном магнитном поле, создаваемом отключаемым током или постоянными магнитами;

► с продольным дутьем, когда происходит повышение давления в сравнительно замкнутом объеме за счет энергии дуги, вращающейся в поперечном магнитном поле (рис.3.6).

Автокомпрессионый способ гашения дуги широко используется в элегазовых выключателях напряжением от 6 до 750 кВ. Характерными элементами автокомпрессионных дугогасительных устройств являются поршневое устройство и изоляционное сопло. При размыкании контактов на возникшую дугу направляется струя элегаза из объема с помощью поршня и изоляционного дугостойкого сопла. В этом устройстве используется то, что скорость звука в элегазе невысокая, это обуславливает меньший "расход" газа на гашение дуги. При отключении больших токов гашению дуги способствует также дополнительное дутье в результате повышенного давления в зоне горения дуги, ограниченной дугогасительными соплами.

Электромагнитное дутье также широко используется для гашения дуги в элегазовых выключателях. Принудительное движение дуги осуществляется в поперечном магнитном поле, которое создается либо соленоидом с отключаемым током, либо постоянными магнитами.

Рис. 3.5. Элегазовый выключатель с автокомпрессионным типом гашения дуги: 1 — изоляционный корпус; 2 — основание; 3 — вал привода; 4 — главный подвижный контакт; 5 — подвижный дугогасительный контакт, 6 — неподвижный дугогасительный контакт, 7 — система уплотнений; 8 — камера сжатия газа; 9 — подвижный поршень, 10 — клапаны; И — сопло из изоляционногоматериала

Рис. 3.6. Комбинированное воздействие электромагнитного дутья и продольного дутья за счет термического расширения газа в гасительной камере элегазового выключателя

Сила воздействия на заряженные частицы дуги, измеряемая в ньютонах, как известно, равна

F = IH·10^-6, где I — ток дуги, А; H — напряженность магнитного поля, А/см.

Четвертый способ гашения дуги демонстрируется на рис. 3.6. Чтобы обеспечить высокую дугогасительную способность, используют одновременно два механизма гашения дуги: электомагнитное дутье и дутье за счет теплового расширения элегаза и перемещения его в зону пониженного давления. В левой части рис. 3.6показаны стадии горения дуги в элегазе в экспериментальной дугогасительной камере по мере приближения значения переменного тока к нулю.

Одной из важных характеристик выключателей являются временные параметры: время включения и время отключения. С одной стороны, они имеют значение для настройки систем автоматики и релейной защиты, а с другой — по ним можно судить об исправности или неисправности выключателя. Контролю подлежат следующие параметры выключателя с приводом: время включения tвкл и собственное время отключения t_{с. откл}.

Время включения — это время с момента подачи напряжения на механизм включения выключателя до момента замыкания контактов выключателя.

Собственное время отключения выключателя — это время с момента подачи напряжения на электромагнит расцепителя отключения до момента начала расхождения контактов выключателя.

Оценка результатов измерений производится путем их сравнения с паспортными данными и с браковочными нормами завода изготовителя.