Дугогасительном устройстве

Автоматы АЕ-1000 предназначены для установки в электрических сетях помещений жилых, административных, производственных зданий с напряжением до 240 В п токе до 25 А. Эти автоматы однополюсные с тепловым, электромагнитным или комбинированным расцепителем с уставками, рассчитанными на ток 6, 10, 16, 25 А. Автоматы типа АЕ-1000 ( 122) состоят из корпуса /, крышки 2, механизма управления 3, расцепителей 4 и 5, контактной системы 6 и дугогасительного устройства 7. Автоматы других типов (серий) имеют, в принципе, устройство аналогичное с автоматами АЕ-1000, поэтому для них дается только техническая характеристика,

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДУГОГАСИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

При гашении поля необходимо изменять ток в обмотке возбуждения по определенному закону. Разрыв цепи возбуждения недопустим из-за перенапряжений, а также из-за того, что запасенная в магнитном поле энергия вызовет на контактах выключателя электрическую дугу, гашение которой потребует мощного дугогасительного устройства. Медленное снижение тока в обмотке возбуждения недопустимо, так как длительное протекание аварийного тока приведет к тяжелым повреждениям машины. Поэтому необходимо изменять ток в обмотке возбуждения так, чтобы перенапряжения были допустимы, а время отключения — минимальным.

Зависимость (6.14) будет являться условием неустойчивости дуги. Она отражает взаимосвязь между параметрами отключаемой цепи (отключаемый ток /0, возвращающееся напряжение б/о, частота тока со=2л/, собственная частота цепи со0=2л^о) и параметрами дугогасительного устройства аппарата (удельная отводимая мощность Р0, длина дуги /д, постоянная времени дуги ft).

Повысить эффективность дугогасительного устройства позволяет использование пористых (газопроницаемых) контактов. Гашение дуги при этом в отличие от традиционных дугогасительных устройств продольного дутья осуществляется за счет вдува газа, подводимого

из резервуара высокого давления в камеру дугогасительного устройства / по газо- и токоподводящим трубкам 2 через пористые электроды 3 ( 3.4). При этом происходит интенсивное охлаждение прежде всего оснований дуги, благодаря чему повышается эффективность ее гашения. Такое дугогасительное устройство позволяет резко снизить расход газа и дуговую эрозию электродов. В качестве материала пористых контактов могут применяться обычные конструкционные металлы (сталь, чугун, бронза и др.), что особенно важно с точки зрения экономии дефицитных контактных материалов (серебра, вольфрама и т. п.).

Интенсивному коррозионному воздействию подвержены контакты электрических аппаратов, работающие в условиях тропического и морского климата. В весьма своеобразных условиях находятся контакты и элементы распределительных устройств (электроды, экраны и др.) при использовании для гашения дуги и в качестве изолирующей среды элегаза и его смесей с другими газами. Кроме высоких изоляционных и дугогасящих свойств элегаз обладает более высокой по сравнению с воздухом теплоотводящей способностью. Это позволяет увеличить (до 20% и более) допу- RK,MKUM стимую температуру контактов элегазовых аппаратов, а следовательно, снизить потребление дефицитных контактных материалов за счет увеличения токовой нагрузки. В чистом виде элегаз инертен, вследствие чего переходное сопротивление в этой среде после некоторого роста (обусловленного наличием примесей) стабилизируется. Однако под действием электрических (дуговых и искровых) разрядов элегаз разлагается (см. § 3.6). При взаимодействии продуктов разложения элегаза с материалом контактов и конструкционных элементов дугогасительного устройства 3.11 на контактах образуются поверхностные пленки и отложения твердых пылевидных частиц (металлофторидов), вследствие чего резко возрастает переходное сопротивление.

Влияние дугогасящей среды и материала контактов на дуговые и эрозионные процессы. Дуговая эрозия контактов коммутационных аппаратов определяется энергией, выделяемой в дуговом разряде, и зависит от отключаемого тока, длительности горения дуги, свойств контактного материала, конструктивных параметров контактной системы, свойств дугогасящей среды и ряда других факторов. Влияние дугогасящей среды на дуговую эрозию контактов весьма существенно, так как оно предопределяет не только различный характер протекания дуговых процессов, но, как правило, и различное конструктивное исполнение дугогасительного устройства. Различие в свойствах дугогася-щих сред, используемых в настоящее время в электроаппаратострое-нии (воздух, масло, вакуум, элегаз и его смеси с другими газами), обусловливает и различный характер эрозионного разрушения контактов в этих средах. Так, энергия, выделяющаяся в дуге, горящей в масле, более чем в 70 раз выше по сравнению с дугой в вакууме. Однако из этого не следует, что во столько же раз эрозия контактов в масле выше. Это объясняется прежде всего различием механизма дуговой эрозии контактов в той или иной среде. Среда (при условии не слишком высоких давлений) не вносит особых изменений в приэлектродные процессы, однако характер протекания дугового процесса в разных средах различается существенно. Так, дуга в вакууме горит в парах материала контактов, и при отключаемом токе до 2 кА, основным механизмом эрозии в вакуумных выключателях является испарение [411. В масляных выключателях дута подвержена интенсивному турбулентному воздействию парогазовой среды, образующейся при дуговом разряде, вследствие чего с одной стороны происходит интенсивное охлаждение дуги, что способствует ее гашению, с другой — наблюдается интенсивное газодинамическое воздействие на контакты струй паров и газов, вызывающих существенное их разрушение.

Для примера рассмотрим особенности протекания дуговых и эрозионных процессов на электродах дугогасительного устройства с гашением дуги 3 посредством ее вращения под воздействием магнитного поля в промежутке между концентрическими электродами / и 2 в эле-газе и воздухе ( 3.21, а). В элегазе наблюдается четко выраженный («отшнурованный») ствол дуги и происходит сужение (стягивание) ее оснований ( 3.21,6); в воздухе при тех же условиях все пространство между контактами занимают ионизированные газы, дуга имеет расплывчатый вид и рыхлую структуру ( 3.21, в). Диаметр дуги в эле-

Так, в масляных выключателях при взаимодействии продуктов разложения масла с медными контактами на их поверхности образуется рыхлый карбид меди, в результате чего контакты быстро выходят из строя. Кроме химического разрушения контактов продукты разложения масла в совокупности с парами контактного материала, находясь во взвешенном состоянии в межконтактном промежутке, а также оседая на элементах дугогасительного устройства, могут привести к затяжному горению дуги и снижению электрической прочности.

Рассмотрим процессы при горении дуги в потоке элегаза, т.е. при наличии конвективного охлаждения. В этом случае поток энтальпии для единичного участка ствола дуги (см. § 5.5) qKl — cppvz Т = pvzh. Зависимость потока энтальпии от температуры плазмы в элегазе и воздухе приведена на 5.36, где показано, что поток энтальпии для дуги в элегазе (кривая 1) и ниже, чем для дуги в воздухе (кривая 2). Такая зависимость энтальпии от температуры приводит к тому, что напряжение на стабильно горящей дуге в потоке элегаза ниже, чем на дуге, охлаждаемой в воздухе. На 5.37 приведены зависимости напряжения на дуге при ее стабильном горении от перепада давления ?/д = /(Ар) в элегазе (кривая /) и в воздухе (кривая 2) для дугогасительного устройства, схема которого приведена на 5.17, при токе /т = 1200 А. Как видно, охлаждающая способность элегаза при данном способе воздействия на дугу менее эффективна, чем охлаждающая способность воздуха. Поэтому в устройствах гашения дуги постоянного тока, где прерывание тока обеспечивается за счет большого падения напряжения на дуге, применение элегаза нецелесообразно.

Наиболее распространенные газовые выключатели — воздушные, в которых в качестве дугогасящей среды используется сжатый воздух. К группе газовых выключателей относятся также автогазовые, в которых гашение дуги осуществляется дутьем газов, образующихся в дугогасительном устройстве под воздействием высокой температуры дуги на специальные вкладыши из газогенерирующих материалов (органическое стекло, фибра).

На В.6 изображена конструктивная схема контактора прямоходового типа. При подаче напряжения на обмотку 6 элек-тромагн'итного привода возникает магнитный поток Ф, который развивает электромагнитную силу и притягивает к полюсам 5 верхний якорь 4. Вместе с ним переместится вниз контактный элемент 2, мостиковые контакты 2 и 3 замкнут цель тока /о. Контактная пружина обеспечит необходимую силу нажатия Рк в замкнутых контактах. Для отключения аппарата снимается напряжение с обмотки 6. Тогда исчезнет электромагнитная сила привода и силой Р„ отключающей пружины подвижная система переместится вверх, а цепь тока /0 будет разорвана контактами 2 и 3. Возникающие при отключении тока электрические дуги между контактами 2 и 3 гасятся з дугогасительном устройстве 7.

Чтобы ограничить тепловое воздействие дуги на детали аппарата, время ее гашения обычно не должно превышать 0,1 с. Существует минимальное расстоянии между контактами /min (мм), начиная с которого создаются необходимые условия для выдувания дуги с контактов и растяжения ее в дугогасительном устройстве:

При взаимодействии материала контактов с продуктами разложения эле-газа на их поверхности образуются поверхностные пленки, в результате чего резко увеличивается переходное сопротивление и контакты подвергаются коррозионному разрушению. Наиболее характерными продуктами разложения SF6 являются SOF2, SO2F2, SF4, SOF4, CF4 и др. Наряду с газообразными продуктами разложения образуются пылеобразные метал-лофториды. Их количество зависит от интенсивности дуговой эрозии (испарения) контактов. Из 3.25 видно, что количество образования продуктов разложения пропорционально дуговой эрозии рассматриваемых контактных материалов. После прекращения разряда продукты разложения частично рекомбинируют. Ускорить процесс рекомбинации позволяет использование поглотителей— окиси алюминия, гидроокиси калия, синтетического цеолита. Взаимодействие контактного материала с продуктами, образующимися в дугогасительном устройстве при дуговых разрядах, необходимо учитывать и при оценке работоспособности контактов в других ду-гогасящих средах.

Энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, L/o/2 возвращается в генератор. Минимальное количество энергии выделится, если дуга погаснет при первом прохождении тока через нуль (т = I). Если дуга начнет гаснуть раньше естественного перехода тока через нуль, то часть энергии LI^/2 не успеет вернуться в генератор и выделится в дуге. Таким образом, гашение дуги переменного тока в момент естественного прохождения тока через нуль облегчается и за счет меньшей энергии, выделяемой в дугогасительном устройстве.

мере установлен подвижный контакт 6 в виде перемычки, опирающийся на четыре контактные пружины 7. В местах соприкосновения с неподвижным контактом 8 напаяны металлокерамические пластины. При отключении штанга 1 опускается вниз вместе с камерой 4, в результате чего образуются два разрыва и загорается дуга в камере ( 4.56,6). Давление в камере резко возрастает, и, как только откроются выхлопные отверстия 5, создается поперечное дутье. При отключении больших токов это дутье энергично и дуга гаснет. Если отключаются малые токи, то после выхода неподвижных контактов из камеры через выхлопные отверстия 3 создается продольное дутье, обеспечивающее гашение дуги. В дугогасительном устройстве есть воздушная подушка — небольшая металлическая камера 2, заполненная воздухом и сообщающаяся с основным объемом дугогаси-тельной камеры, заполненной маслом. В продольном разрезе камеры каналов, по которым осуществляется эта связь, не видно. В первый момент загорания дуги, когда давление резко возрастает, часть масла сжимает воздух, это несколько снижает удар в стенки камеры, а в моменты, когда ток в дуге проходит через нуль и давление в области дуги уменьшается, сжатый воздух выталкивает масло и создает дополнительное дутье.

Работа выключателя основана на гашении электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, потоком газомасляной смеси, образующейся в результате интенсивного разложения трансформаторного масла, под действием высокой температуры дуги. Этот поток получает определенное направление в специальном дугогасительном устройстве, размещенном в зоне горения дуги.

сверху колпаком 6. Колпак снабжен манометром для контроля избыточного давления в дугогасительном устройстве, устройством для заполнения сжатым газом, выпускным автоматическим клапаном, указателем уровня масла 8. В процессе гашения дуги уровень масла поднимается, занимая частично объем 7.

В выключателях с отделителем размыкание дугогасительных контактов и гашение дуги осуществляются одним и тем же потоком сжатого воздуха, поступающего из отдельного резервуара. Контакты (один или оба) выполнены в виде контактно-поршневлх механизмов. Во включенном положении выключателя в дугогасительном устройстве и в отделителе все контакты замкнуты. При подаче команды на отключение сжатый воздух из резервуара подается в дугогасительную камеру, размыкает контакты и гасит дугу. Обычно параллельно контактам включается шунтирующий резистор, облегчающий гашение дуги. После погасания дуги на основных дугогасительных контактах размыкается отделитель, который отключает оставшийся ток. Отделитель может вы-

1) специальные автоматические выключатели, обеспечивающие превращение энергии магнитного поля генератора в тепловую энергию электрической дуги в дугогасительном устройстве выключателя при постоянном за весь процесс напряжении и быстром уменьшении тока по линейному закону ( 9-24, а);

Предохранители служат для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов, электродвигателей и трансформаторов напряжения. При наступлении недопустимой перегрузки или аварии сгорает плавкая вставка предохранителя и возникшая при этом дуга гаснет в дугогасительном устройстве.