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