1.2. Расчёт диаметра сопла

При размыкании контактов в ДУ ЭВ между ними возникает электрическая дуга, на которую будет воздействовать газовый поток. Электрическая дуга представляет собой одну из форм электрического разряда в газе (газового разряда).

Диаметр дуги может быть рассчитан по следующей формуле

_,

где х_кр – расстояние между критическими сечениями сопел (выбираем значение из ряда 1,5; 2; 4 см; берем х_кр = 2 см); P_а– давление в камере, атм.;I_A – амплитуда тока, кА.

Для уменьшения термодинамической блокировки сопел примем критический диаметр металлического сопла на 5 мм больше диаметра дуги:

Тогда сечение металлического сопла и сечение изоляционного сопла ( в элегазовом выключателе 1 разрыв дуги)

Математическая модель ду

Расчетная схема автокомпрессионного ДУ с изоляционным соплом 3 показана на рис. 2. Исходное давление и температура элегаза в камере сжатия К соответственно p=p₀, T=T₀. Движущийся поршень 1, эффективная площадь сечения которого S, имитирует движение подвижной системы ЭВ с приведенной массой m под действием активного усилия привода F_а. При отключении поршень 1 сжимает элегаз в камере К и давление p увеличивается. Сопло подвижного контакта 2 площадью сечения S_м открывается после перемещения поршня 1 на ход l₁, при x<l₁ неподвижный контакт 4 перекрывает сопла выключателя и по контакту 4 скользит подвижный контакт 2 (рис. 2). При дальнейшем движении поршня открывается изоляционное сопло 3 площадью сечения S_с. Дуга 5, которая возникает при размыкании контактов, 2 и 4, интенсивно охлаждается потоками элегаза.

Рис. 2

Импульсный процесс изменения давления в камере сжатия К (нарастание и спад p_i/p) по ходу поршня 1 и расход элегаза dm_г /dt(dm_г/dt  p_i) через сопла дугогасительного устройства зависят от размеров камеры К и сопел, масс подвижных элементов выключателя, параметров привода, среды, энергии дуги и т.д.

Этот процесс предопределяет успешное гашение дуги при заданных номинальных параметрах сети на данном контрольном ходе контактов l₂=l-l₃-l₁, где l₃  путь торможения; l  длина камеры сжатия К (см.рис.2). После размыкания дугогасительных контактов ( см.рис.3, РК момент размыкания контактов), для увеличения интенсивности воздействия газового потока на дугу требуется обеспечить предельный (критический) расход элегаза в соплах ДУ, т. е. в камере К (см. рис. 2) в период дутья следует поддерживать p_i >p_кр (для элегаза p_кр=1,69p). Дополнительное повышение давления p_i (см. рис. 3, кривая p_i^*(t)) возникает при горении дуги в межконтактном промежутке ЭВ, когда часть ее энергии dQ_д=k_дU_дI_дdt расходуется на нагрев элегаза в камере К, где k_д<1 - эмпирический коэффициент. С ростом dQ_д отключающая способность ЭВ увеличивается. Однако, когда мощность дуги P_д=U_дI_д значительна и диаметр дуги перекрывает горловины сопел, отключающая способность ЭВ уменьшается. В реальных конструкциях ЭВ давление p^*_i превышает p_i (при успешной коммутации) не более чем в 2,5 раза (зарубежные данные).

Оптимизацию ЭВ следует рассматривать как поиск параметров ЭВ, обеспечивающих малое время отключения t_отк(y)min при заданном токе отключения I_о.ном, скорости восстановления напряжения на контактах dU/dt, где y  совокупность переменных параметров, которые характеризуют конструкцию дугогасительной камеры, газовую среду, привод и т.д.

рис. 3

Решение задачи определения взаимосвязи механических, дуговых и сетевых процессов при выполнении ЭВ операции отключения в такой обобщенной постановке в настоящее время затруднено из-за отсутствия достоверной математической модели, характеризующей эти процессы, а также наличия многочисленных переменных и случайных параметров, функциональных ограничений. Поэтому необходимо ввести допущения, а также эмпирические зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований моделей и опытных образцов ЭВ.

Для приближенного динамического анализа (t_отк ~ t₁ +t₂ при х= l₁ +l₂ ( см. рис. 3)) при отключении целесообразно вместо мгновенных значений p_i ввести среднее давление p_ср в камере К в период дутья t₂ при передвижении подвижной системы ЭВ на контрольном участке пути l₂.

В приближенной математической модели, характеризующей термогазодинамические процессы в камере К, используется энергетический метод расчета , а элегаз считается идеальной рабочей средой.

Канал с сечением S_эв=S_с+S_м имитирует переменные по ходу подвижной системы выключателя сопловые каналы дугогасительного устройства при V_в=V=S(l-x) в объеме камеры сжатия К (рис. 2). Однако если влияние энергии дуги на изменение термодинамических параметров газа в камере сжатия значительно, то в следует учитывать dQ_д=k_дU_дI_дdt,.

Автокомпрессионное ДУ с постоянным активным усилием на подвижную систему (привод П). Подобные характеристики имеют пружинные и пневматические приводные механизмы.

C учетом уравнений для массового расхода газа (П.4.6, П.4.7), системы уравнений (П.4.21), уравнения движения (П.4.22) можно записать следующее :

при t=0, x=0, , F_а =const.

Для массового расхода элегаза через канал с сечением S_эв

при 1/Y  0,59,

при 1/Y  0,59.

Для получения обобщенных динамических характеристик ЭВ при отключении следует выполнить нормирование уравнений (П.5.1, П.5.2). Для данного ЭВ будем использовать базисные переменные: ,x_б=l, T_б=T₀, p_б=p₀, , и задачу рассматриваем относительно следующих обобщенных параметров:

, , , , λ₁=.

Последующий расчёт геометрических размеров дугогасительного устройства рассматривается относительно критериев: