Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_5

§5.3. Элегазовые выключатели

5.3.ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

5.3.1.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕГАЗА

Шестифтористая сера (SF6) – элегаз, относится		ронного разряда происходит разложение элегаза
ê ”электроотрицательным” газам, получившим		с образованием химически активных соединений,
такое название из-за	способности атомов фтора	которые могут вызвать разрушение изоляционных
захватывать свободные	электроны, превращаясь	и конструкционных материалов. Степень разложе-
в тяжелые и малоподвижные отрицательно заря-		ния элегаза под воздействием электрической дуги
женные ионы. Элегаз при нормальной температуре		в дугогасительной камере низка из-за того, что
(20°С) и давлении (0,1 МПа) представляет собой газ		большое количество разложившегося газа немед-
без цвета и запаха. Плотность его почти в 5 раз		ленно восстанавливается в элегазе. Газообразными
выше плотности воздуха, скорость звука в нем при		продуктами разложения являются низшие фториды
температуре 30 °С – 138,5 м/с (330 м/с в воздухе).		ñåðû SF2, SF4. Õîòÿ ýòè ãàçû ñàìè ïî ñåáå íå
На рис. 5.8 показаны кривые изменения удельной		токсичны, но легко гидролизуются при взаимодей-
теплоемкости и теплопроводности, из которых сле-		ствии с влагой, образуя фтористоводородную кис-
дует, что элегаз обладает низкой теплоемкостью		лоту и двуокись серы. Для их поглощения в элега-
в канале столба дуги и повышенной теплопровод-		зовые выключатели включаются фильтры сорберы
ностью горячих газов, окружающих столб дуги		из активированного алюминия Al2O3, которые по-
(2000 К). Это характеризует элегаз как среду, обла-		глощают как газообразные продукты разложения,
дающую высокими теплопроводящими свойства-		так и влагу. Кроме активных газов во время горения
ми. К недостаткам элегаза следует отнести его		дуги в результате реакции с парами материалов
низкую температуру сжижения – 64 °С при 0,1 МПа,		контактов дугогасителя образуются металлические
которая с повышением давления тоже повышается.		фториды в виде тонкого слоя порошка. Обладая
Чистый элегаз негорюч, инертен, нагревостоек до		низкой электропроводностью, они не снижают
800 °С. Под влиянием электрической дуги или ко-		электрическую прочность изоляции аппарата.

5.3.2.ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Âэлегазовых выключателях гашение дуги продимостью. Это исключает возможность появления

исходит так же, как и в воздушных выключателях	перенапряжений при отключении ненагруженных
при интенсивном охлаждении дуги потоком газа.	трансформаторов и линий электропередач. В про-
По данным [60] дугогасительная способность эле-	тивоположность этому в воздушных выключателях
газа в 4–4,5 раза выше, чем воздуха при сопостави-	интенсивными турбулентными процессами столб
мых условиях. Это преимущество объясняется раз-	дуги может разрушаться раньше естественного нуля
личиями теплофизических свойств элегаза и возду-	тока, что приводит к появлению перенапряжений,
ха. Канал столба дуги в элегазе обладает меньшим	для ограничения которых воздушные выключатели
теплосодержанием по сравнению с воздухом, что	снабжаются шунтирующими сопротивлениями.
обуславливает и меньшее значение тепловой посто-	В элегазовых дугогасительных устройствах (ДУ)
янной времени – около 1 мкс (около 100 мкс	в отличие от воздушных при гашении дуги истече-
в воздухе) при подходе тока к нулю. Малое значение	ние газа через сопло происходит не в атмосферу,
постоянной времени объясняют высокой способ-	а в замкнутый объем камеры, заполненный элега-
ностью элегаза захватывать свободные электроны.	зом при небольшом избыточном давлении. По спо-
В результате количество носителей тока – свобод-	собу гашения дуги в элегазе различают следующие
ных электронов – в столбе дуги вследствие этого	ÄÓ:
уменьшается, баланс их может стать отрицатель-	с системой продольного дутья, в которую пред-
ным и дуга гаснет. Явление захвата электронов	варительно сжатый газ поступает из	резервуара
особенно благоприятно сказывается после перехода	с относительно высоким давлением	элегаза (ДУ
тока через нуль, вследствие чего элегазовые выклю-	с двумя ступенями давления);
чатели мало чувствительны к частоте восстанавли-	автокомпрессионные с дутьем в элегазе, созда-
вающегося напряжения. Как показали исследова-	ваемом посредством встроенного компрессионного
ния, в элегазе практически до естественного пере-	устройства (ДУ с одной ступенью давления);
хода тока через нуль не происходит разрушения	с электромагнитным дутьем, в котором гашение
канала столба дуги, обладающего высокой прово-	дуги обеспечивается в результате ее перемещения

137

Гл. 5. Аппараты высокого напряжения

с высокой скоростью в неподвижном элегазе по кольцевым электродам под воздействием радиального магнитного поля, создаваемого отключаемым током;

с продольным дутьем, в котором повышение давления в элегазе происходит при разогреве дугой, вращающейся в специальной камере под воздействием магнитного поля (ДУ с электромагнитным дутьем) (см. Приложение ”Основные сведения об электрооборудовании, выпускаемом компанией Шнайдер Электрик” (Франция), рис. 2, 3, 4).

” Интенсивное газодинамическое воздействие аксиального потока элегаза на столб электрической дуги является наиболее эффективным способом гашения дуги. Поэтому оно используется в большинстве современных конструкций ДУ элегазовых выключателей. Гашение дуги происходит в соплах

Рис. 5.11. Схемы продольного элегазового дутья

Рис. 5.12. Отключающая способность дугогасительного устройства

(рис. 5.11) в потоке элегаза высокого давления (0,5–0,6 МПа) как при одностороннем (рис. 5.11,à), так и при двустороннем несимметричном (рис. 5.11,á) газовом дутье.

Основными параметрами системы продольного дутья являются: площадь сечения Sc или диаметр dc горловины сопла, относительное расположение контактов, определяемое расстоянием z0, геометри- ческие размеры, формы диффузоров и конфузоров дутьевой системы. Оптимальные условия гашения дуги в таких системах во многом определяются, как и в воздушных выключателях, геометрическими параметрами дутьевых систем и особенно входной части (конфузора). Если в ДУ воздушных выклю- чателей при выборе геометрических форм и размеров дутьевых систем принимают компромиссное решение, то в ДУ элегазовых выключателей большее внимание уделяется форме электрического поля в межконтактном промежутке.

Отключающая способность элегазовых ДУ, а также других типов ДУ с газовым дутьем, зависит как от параметров ДУ, так и от параметров электрической цепи. К определяющим конструктивным параметрам относятся давление газа, род газа, а также распределение давления вдоль продольной оси ДУ, зависящее от конфигурации дутьевой системы. К параметрам электрической цепи следует отнести ток отключения и скорость его подхода к нулю. Отключающая способность ДУ с продольным элегазовым дутьем может быть охарактеризована зависимостью предельной скорости восстановления напряжения dU/dt от давления элегаза P в сопле и скорости изменения тока di/dt:

dU	=	kP		m	di − n	(5.9)
dt					.
					dt
На рис. 5.12 приведена			зависимость			dU/dt =

= f (di/dt) для ДУ элегазового 1 и воздушного выключателей 2 при давлении 1,5 МПа, постоянных k = 1,4; m = 1,6; n = 1,3 для воздуха и k = 4,1; m = 2,68; n = 2,42 для элегаза.

Приведенные зависимости подтверждают преимущества дугогасящих свойств элегазовых выклю- чателей по сравнению с воздушными, особенно при отключении неудаленных КЗ, характеризующихся высокой скоростью восстановления напряжения и большими токами КЗ.

138

§5.3. Элегазовые выключатели

5.3.3.КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕГАЗОВЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Фирма Merlin Gerin разработала элегазовый вы-	движной поршень 12 совместно с подвижным глав-
ключатель Fluarc FB4 нанапряжениеUíîì = 7,2–36 êÂ,	ным контактом 14 и соплом 16 перемещается под
номинальный ток отключения Iî.íîì = 25 êÀ, íîìè-	воздействием приводных рычагов 4, 5. Этим созда-
нальный ток Iíîì = (630–1250) À.	ется избыточное давление в полости над поршнем
Давление внутри корпуса 1,5 МПа, время гаше-	по сравнению с объемом под поршнем. Ток из
ния дуги 15 мс, полное время отключения 60–80 мс,	главных контактов 14, 17 перебрасывается в дуго-
срок службы – 20 лет.	гасительную цепь контактов 13, 15. При дальней-
На рис. 5.13 представлены полюс автокомпрес-	шем перемещении поршня (положение 3) происхо-
сионного выключателя и положение механизма,	дит размыкание контактов 13, 15 с одновременным
соответствующее различным этапам отключения.	возникновением дутья через внутренние полости
Положение 1 соответствует нормальному включен-	контактов 13, 15 – двустороннее симметричное
ному состоянию. Ток протекает по главным кон-	дутье. При этом выделяющаяся энергия дуги разо-
тактам 14, 17, дугогасительные контакты 13, 15	гревает элегаз, что приводит к повышению пере-
замкнуты. Ввиду того, что они изготовляются из	пада давления и усилению интенсивности истече-
дугостойкой металлокерамики (CuW), токоведу-	ния газовой струи. После гашения дуги при даль-
щий контур обладает большим сопротивлением.	нейшем перемещении поршня (положение 4)
Поэтому через дугогасящие контакты, как правило,	продолжается вентиляция межконтактного про-
проходит ток не более (15–20%)Iíîì. Положение 2	межутка, обеспечивающая необходимую электри-
соответствует началу процесса отключения. По-	ческую прочность.

1

2

3

4

Рис. 5.13. Элегазовый автокомпрессионный выключатель фирмы Merlin-Gerin

139

Гл. 5. Аппараты высокого напряжения

Контрольные вопросы

1. В чем особенность процесса гашения дуги	4. В чем достоинства элегазовых выключателей по
в элегазе?	сравнению с воздушными и масляными?
2. Каковы основные конструктивные отличия эле-	5. В чем заключаются недостатки элегаза как дуго-
газовых выключателей от воздушных?	гасящей и охлаждающей среды?

3.В чем заключаются преимущества и недостатки автокомпрессионных элегазовых выключателей?

5.4.МАСЛЯНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

5.4.1.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В дугогасительных устройствах масляных выключателей гашение дуги осуществляется путем эффективного ее охлаждения в потоке газопаровой смеси, вырабатываемой дугой в результате разложения и испарения масла. В зависимости от назначе- ния масла можно выделить две основные группы масляных выключателей:

баковые (многообъемные) масляные выключа- тели, в которых масло используется для гашения и изоляции токоведущих частей от заземленного бака;

маломасляные (малообъемные) масляные выключатели, в которых масло используется только для гашения дуги и изоляции между разомкнутыми контактами одного полюса.

В составе газопаровой смеси, возникающей в результате разложения масла под действием дуги, входит до 70% водорода H2, обладающего по сравнению с воздухом в 8 раз более высокой теплопроводностью, но меньшей предельной электрической прочностью. Поток газопаровой смеси в зоне горения дуги обладает высокой температурой 800–2500 К. Механизм охлаждения столба дуги при больших (обычно выше 100 А) и малых значениях тока дуги различен. При больших токах охлаждение дуги происходит главным образом за счет принудительной конвекции в потоке газопаровой смеси при большом давлении. С увеличением тока интенсивность конвективного охлаждения и давление в зоне гашения дуги увеличиваются. При небольших токах конвекция и давление газа в зоне гашения дуги снижаются, условия охлаждения дуги ухудшаются и время гашения дуги затягивается. Повышение давления в зоне гашения дуги в результате принудительной подачи масла может существенно улуч- шить условия гашения дуги при отключении небольших токов.

Можно считать, что основными условиями для наиболее эффективного гашения дуги являются:

интенсивное дутье газопаровой смеси в зоне дуги, особенно в момент тока близкого к нулю;

максимально возможное высокое давление газопаровой смеси в области дуги в конце полупериода тока.

Дугогасительные системы с автоматическим дутьем получили наиболее широкое применение благодаря своей эффективности и простоте конструкции. В зависимости от конструкции дугогасительных камер различают (рис. 5.14,à) продольное дутье, когда поток газопаровой смеси направлен вдоль столба дуги, поперечное, когда поток направлен перпендикулярно или под некоторым углом к столбу дуги (рис. 5.14,á) и встречное, когда поток направлен противоположно по отношению к направлению движения подвижного контакта с дугой (рис. 5.14,â). Часто в дугогасительных устройствах используется их комбинация.

Гашение дуги может быть разбито на три основных этапа (рис. 5.15).

Первый этап (ðèñ. 5.15,à). После размыкания контактов дуга горит в замкнутом, как правило, небольшом, пространстве, создавая за счет разложения масла значительные давления. Это так называемый ”режим замкнутого пузыря”. В течение этого этапа в результате выделяющейся в дуге энергии в замкнутом объеме создается (аккумулируется) высокое давление (до 10 МПа), которое используется на следующем этапе гашения дуги.

Второй этап (ðèñ. 5.15,á) наступает с момента начала истечения газопаровой смеси из области замкнутого объема через рабочие каналы, открываемые при перемещении подвижного контакта за пределы предкамерного объема. Этап характеризуется изменением давления газопаровой смеси в камере и рабочих каналах, куда затягивается дуга, а также интенсивного истечения газопаровой смеси и завершается процессами распада столба дуги и восстановления электрической прочности межконтактного промежутка.

В течение третьего этапа (ðèñ. 5.15,â) происходит удаление из камеры оставшихся после гашения дуги горячих газов, продуктов разложения масла

140

§ 5.4. Масляные выключатели

Рис. 5.14. Принципы организации автодутья дугогасительных камер в масле

Рис. 5.15. Этапы гашения дуги с автодутьем в масле

и заполнение внутренней полости камеры свежим	в режиме АПВ из-за преждевременного пробоя
маслом. На этом этапе происходит подготовка ка-	межконтактного промежутка. Продукты разложе-
меры для последующего ее отключения. В масля-	ния масла и изоляционных материалов камеры
ных выключателях, предназначенных для рабо-	ДУ влияют на состояние контактов, их структуру
ты в цикле АПВ, этот этап имеет очень важное	и переходное сопротивление. Время горения дуги
значение.	возрастает по мере накопления продуктов разложе-
Эффективность ДУ и ресурс масляных выклю-	ния в масле. Все это, естественно, требует постоян-
чателей в значительной мере обуславливаются фи-	ного контроля за состоянием качества масла, его
зико-химическими процессами, происходящими	уровнем в ДУ. Коммутационный ресурс в большой
в зоне горения дуги. Образующиеся под влиянием	степени зависит от тока Iî.íîì выключателя и реаль-
дуги продукты разложения масла (H2, C è äð.),	ных токов отключения. Так при Iî.íîì = 20 êÀ
ионизированный газ, пары материала контактов	для маломасляного выключателя на напряжение
понижают отключающую способность ДУ и огра-	35 кВ количество отключений N ≤ 10, à ïðè òîêå
ничивают коммутационный ресурс. Свободные час-	Iî.íîì = 10 кА допустимое число отключений воз-
тички углерода, образуя коллоидную взвесь, снижа-	растает до N ≤ 30. Вышеизложенные особенности
ют электрическую прочность изоляционного про-	требуют постоянного контроля за техническим сос-
межутка и утяжеляют процесс включения на КЗ	тоянием масляных выключателей.

141

Гл. 5. Аппараты высокого напряжения

	5.4.2. КОНСТРУКЦИИ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Масляные выключатели благодаря простоте		1000 и 1600 А, номинальные токи отключения 20;
конструкции явились первыми выключателями вы-		31,5 кА. Выключатели ВК-10 с пружинным приво-
сокого напряжения. Но отмеченные выше техни-		дом предназначены для работы в шкафах КРУ
ческие сложности по их эксплуатации, а также		внутренней и наружной установки, а также в режи-
повышенные взрыво- и пожароопасность, необхо-		ìå ÀÏÂ.
димость в сложном масляном хозяйстве по хране-		Три полюса выключателя устанавливаются на
нию и регенерации его, привели к значительному		литое основание, в котором расположены рычаги
вытеснению этих типов выключателей. В настоя-		механизма, связанные со встроенным пружинным
щее время ввиду большого срока службы (25 лет)		приводом. Полюс выключателя образован изоляци-
можно встретить в эксплуатации баковые выклю-		онным цилиндром 1 (ðèñ. 5.16,à), внутри которого
чатели [61] на напряжение 220 и 110 кВ. Маломас-		проходят	токоведущие элементы, соединенные
ляные выключатели можно разделить на две груп-		с верхним неподвижным розеточным контактом 2
пы. Первая, более многочисленная, – с установкой		и обоймой 3, присоединенной к направляющим
ДУ в нижней	части полюса и перемещением	стержням 4. Токоподвод к подвижному контакту 5
подвижного контакта сверху вниз (см. рис. 5.14,â).		от направляющих стержней осуществляется роли-
Вторая – с перемещением подвижного контакта на		ковым устройством 6. Подвижный контакт 5 ïðè-
включение снизу вверх и установкой ДУ в верхней		соединен к рычагу механизма управления 11 ïî-
части полюса. Выключатели второй группы более		средством изоляционной тяги 7. На обойму 3 сверху
перспективны,	т. к. повышаются отключаемые	устанавливается распорный цилиндр 8, à íà íåãî
токи и улучшаются динамические процессы при		дугогасительное устройство 9. Маслоуказатели 10
отключении.		поплавкового типа расположены наверху полюса.
На рис. 5.16 представлен полюс колонкового		Íà ðèñ. 5.16,á представлена конструкция дугога-
маломасляного выключателя ВК-10. Он выпускает-		сительной	камеры комбинированного масляного
ся на напряжение 10 кВ, номинальные токи 630,		дутья, состоящей из пакета изоляционных пластин

Рис. 5.16. Полюс маломасляного выключателя ВК-10 (à) и его дугогасительная камера (á)

142

§ 5.5. Электромагнитные выключатели

разной конфигурации, стянутых шпильками. Верх-	ня вдоль дутьевых щелей 2 и достигает глухих
няя перегородка имеет кольцо 1, изготовленное из	карманов 5. В этом случае вследствие незначитель-
дугостойкого материала (фторопласта). Камера	ности объемов этих полостей масло, содержащееся
имеет центральное отверстие для прохода подвиж-	в них, даже при незначительном токе отключения
ного стержня. В верхней части камеры изоляцион-	испаряется взрывообразно. Это приводит к попыт-
ные пластины образуют три поперечные, располо-	ке отрыва столба дуги за счет импульсного повыше-
женные одна под другой, дутьевые щели 2 äëÿ	ния давления от токоведущего стержня, так как
больших токов, связанные вертикальным каналом	выброс газопаровой смеси будет происходить вверх
3 с подкамерным и надкамерным пространствами.	в зону, свободную от контактной свечи. Конусная
В нижней части камеры имеются два глухих	втулка 4, установленная в средней части камеры,
масляных кармана 5 для гашения малых токов. При	служит для предотвращения чрезмерного разгона
гашении малых токов ввиду недостаточности дав-	подвижного стержня под воздействием высокого
ления газопаровой смеси, создаваемого в течение	давления, возникающего в камере при отключении
первого этапа, дуга не гаснет при движении стерж-	токов КЗ.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные этапы процесса гашения дуги	3. Чем ограничен предел отключающей способнос-
в масляных выключателях.	òè ïî òîêó?
2. Каковы особенности коммутации малых токов	4. Чем объясняется необходимость проведения час-
в масляных выключателях?	тых ревизий масляных выключателей?

5.5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Несмотря на ограниченную область использования по напряжению (6–20 кВ) выключатели этого типа находят широкое применение в КРУ, особенно в системах внутренних нужд на ТЭЦ и АЭС. Номинальные токи выключателей достигают 3150 А, а номинальные токи отключения до 40 кА. При этом в отличие от масляных или воздушных выключателей эксплуатационные расходы относительно невелики.

Принцип действия электромагнитного выклю- чателя заключается в том, что при воздействии магнитного поля на дугу она удлиняется и загоняется в дугогасительную камеру (рис. 5.17) узкощелевого типа, где, тесно взаимодействуя со стенками камеры (диаметр дуги значительно превосходит ширину щели dä > δ ù), происходит ее охлаждение.

Для дугогасителей этого типа характерным является большое напряжение на столбе дуги. Из экспериментальных исследований было установлено, что градиент напряжения на столбе дуги не зависит от тока, а определяется лишь шириной канала камеры, с уменьшением ширины канала δ ù напряжен-

ность увеличивается

E = 19 ⁄ √δ ù , Â/ì.

(5.10)

Гашение дуги в дугогасительной камере щелевого типа отличается от других процессов гашения рядом особенностей. Условия гашения в конце полупериода тока наступают при большой длине

дуги. Это приводит к ограничению тока. После прохождения тока через нуль остаточная проводимость области существования дуги велика, что придает процессу восстановления напряжения апериодический характер. Как известно, это значительно облегчает задачу выключателя по отключению цепи. Условия гашения дуги наступают тогда, когда в момент перехода тока через нуль напряжение на дуге становится равным напряжению сети, а условный угол сдвига фаз между напряжением и током ϕ , уменьшается при увеличении активной составляющей отключаемой цепи (рост сопротивления

Рис. 5.17. Этапы развития гашения дуги в щелевой дугогасительной камере

143

Гл. 5. Аппараты высокого напряжения

столба дуги за счет увеличения ее длины), достигает некоторого минимального значения, т. е. когда

		Uä = Um sinϕ	,	(5.11)
ãäå ϕ = 32,5°.
Тогда
Uä =	19	lä ≥ Um sin32,5 =	0,537Um .	(5.12)
	√δ ù

Из вышесказанного следует, что условия гашения дуги в узкощелевом дугогасителе оказываются значительно более легкими, чем в других типах выключателей.

На рис. 5.18 представлено дугогасительное устройство электромагнитного выключателя ВЭМ-6 на напряжение U = 6 кВ, номинальный ток отключения Iî.íîì = 38,5 кА, номинальный ток Iíîì= 1600 À.

На стальной раме 13 при помощи изоляторов 12 укреплена гасительная камера 14 и катушка магнитного дутья 11 с магнитными полюсами 10, охватывающими камеру с боков (показано штриховыми

линиями). Подвижный контакт 2 вращается на опорном изоляторе 1 при помощи изоляционной тяги 18. Выключатель имеет главный 3 и дугогасительные 5, 6 контакты. В зависимости от назначе- ния функции их различны: главный служит для проведения тока во включенном состоянии и имеющий серебряные накладки для снижения переходного сопротивления; дугогасительный обеспечивает режим коммутации и армирован дугостойкой металлокерамикой. При размыкании дугогасительных контактов 5, 6 возникающая между ними дуга под воздействием электродинамических сил перемещается вверх. По мере развития дуги на рисунке показаны различные этапы ее промежуточного положения (À, Á, Â, Ã, Ä, Å). Неподвижный контакт 6 отделен от дугогасительного рога 9 изоляционным промежутком необходимым для того, чтобы катушка магнитного дутья 11 включалась бы посредством связи 8 лишь в момент перехода основания дуги на дугогасительный рог 9 (участок дуги Å шунтируется

Рис. 5.18. Дугогасительное устройство электромагнитного выключателя ВЭМ-6

144

§ 5.6. Вакуумные выключатели

катушкой магнитного дутья 11). Пройдя этапы пос-	силы на начальном этапе развития дуги недостаточ-
ледовательного гашения дуги À–Å–Á––ÖÄ	ны для ее вхождения в ДУ. Для устранения этого
в магнитном поле, образованном катушкой магнит-	недостатка имеется автопневматическое устройство
ного дутья, связью 16 и дугогасительным рогом 15,	17. Поршень его связан с подвижным контактом 2,
дуга приобретает очень большие линейные размеры	что приводит к выбросу струи сжатого воздуха по
(до 2 м), что приводит к выполнению необходимых	трубке 4 автопневматического устройства на кон-
условий для ее гашения.	тактную поверхность неподвижного дугогаситель-
Следует отметить, что при отключении неболь-	ного контакта 6 и облегчает условия перехода дуги
ших токов (десятки ампер) электродинамические	на дугогасительный рог 9.
Контрольные вопросы
1. Чем ограничивается верхний предел по напряже-	3. Почему процесс восстановления напряжения
нию коммутируемой сети при использовании	в электромагнитных выключателях носит апери-
электромагнитных выключателей?	одический характер?
2. Какова особенность гашения дуги в электромаг-	4. Каковы преимущества электромагнитных вы-
нитном выключателе?	ключателей по сравнению с масляными?

5.6.ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Âпоследние годы отмечается интенсивное искость при коммутации номинальных токов и токов

пользование вакуумных коммутаторов в области			нагрузки, произвольное рабочее положение ваку-
напряжений 6–35 кВ для создания вакуумных кон-			умного дугогасительного устройства.
такторов, выключателей нагрузки, вакуумных вы-			Принцип использования вакуума для гашения
ключателей для КРУ. Это объясняется рядом бес-			дуги при высоких напряжениях известен достаточ-
спорных	достоинств:	высокое быстродействие,	но давно. Но практическая реализация стала воз-
полная взрыво- и пожаробезопасность, экологи-			можна лишь после появления технических воз-
ческая чистота, широкий диапазон температуры (от			можностей – создания вакуумночистых проводни-
+200 до –70 °С), надежность, минимальные экс-			ковых и изоляционных материалов больших
плуатационные затраты, минимальные габаритные			размеров, проведения вакуумночистых сборок этих
размеры,	повышенная	устойчивость к ударным	материалов и получения высокого вакуума до
и вибрационным нагрузкам, высокая износостой-			1,3(10-2 10-5) Ïà.

5.6.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ДУГИ В ВАКУУМЕ

Условия существования и гашения дуги в вакууме имеют свои особенности. При расхождении контактов в вакуумной дугогасительной камере (ВДК) в последний момент между ними образуется жидкометаллический мостик, который затем разрушается. Происходит ионизация паров металла контактного мостика под воздействием приложенного напряжения сети, приводящая к образованию дуги. Таким образом, дуга в вакууме существует из-за ионизации паров контактного материала внача- ле за счет материала контактного мостика, а затем в результате испарения материала электродов под воздействием энергии дуги. Поэтому, если поступление паров контактного материала будет недостаточно, вакуумная дуга должна погаснуть. При подходе тока к нулю тепловая энергия, выделяющаяся в дуге, тоже уменьшается, количество паров

металла соответственно снижается и дуга должна погаснуть на первом переходе тока через нуль. Время горения дуги в ВДК не превосходит 10 мс. Кроме того, для вакуумной дуги характерна очень высокая скорость деионизации столба дуги (диффузная деионизация носителей тока электронов и ионов), обеспечивающая быстрое восстановление электрической прочности после погасания дуги.

В вакууме электрическая дуга существует либо

âрассеянном ”диффузном” виде при токах до 10–15 кА, либо в концентрированном ”сжатом” виде при больших значениях тока. Граничный ток перехода дуги из одного состояния в другое зависит

âзначительной степени от материала, геометрической формы и размеров контактов, а также от ско-

рости изменения тока. Диффузная” – дуга в вакууме существует в виде”нескольких параллельных

145

Гл. 5. Аппараты высокого напряжения

дуг одновременно, через каждую из которых может протекать ток от нескольких десятков до нескольких сотен ампер. При этом катодные пятна, отталкиваясь друг от друга, стремятся охватить всю контактную поверхность. При небольших токах

èзначительной площади контактов силы электромагнитного взаимодействия этих проводников с током (токи одного направления притягиваются) не могут преодолеть сил отталкивания катодных пятен друг от друга. Так как через каждое катодное пятно протекают небольшие токи, это приводит к небольшим размерам опорных пятен дуги на катоде

èсоответственно тепловая постоянная их оказыва-

ется очень малой τ äèôô < 1 ìêñ.

По мере увеличения тока силы электромагнитного притяжения преодолевают силы отталкивания и происходит слияние отдельных дуг в один канал, что приводит к резкому увеличению размеров катодного опорного пятна и соответственно его тепловой постоянной τ ñæ >> τ äèôô. Вледствие этого появляются значительные трудности гашения дуги, либо происходит полный отказ камеры. Поэтому задачи, стоящие при разработке ВДК, заключаются в создании условий, при которых дуга существовала

бы в диффузном виде, либо время воздействия ”сжатой” дуги на электроды было бы минимальным. Это достигается созданием радиальных магнитных полей, обеспечивающих перемещение опорных точек дуги с высокой скоростью по электродам.

Для получения радиальных и аксиальных магнитных полей разработаны различные конструкции контактных систем (рис. 5.19). В ВДК на номинальное напряжение 10 кВ и номинальные токи отклю- чения до 31,5 А применяются контактные системы с поперечным (по отношению к дуге) радиальным магнитным полем (рис. 5.19,à). Контакты со спиральными лепестками имеют вид дисков, у которых периферийные участки разрезаны спиральными пазами 3 на сегменты, соединенные в центральной части. В замкнутом состоянии контакты соприкасаются по кольцевому выступу 1. При размыкании контактов дуга под воздействием электродинами- ческих сил, возникающих из-за искривления контура тока, перемещается на периферийные участки 4. При этом из-за спиралеобразных прорезей возникает радиальное магнитное поле, под воздействием которого дуга перемещается по периферий-

Рис. 5.19. Конструкции контактных систем ВДК с поперечным (à) и продольным (á) магнитным полем

146