Исследование принципа гашения дуги в выключателях среднего класса напряжения переменного тока

В статье автор исследует механизм гашения дуги в выключателях различных типов среднего класса напряжения 6–10 кВ. Для исследования были взяты конструкции следующих коммутационных аппаратов: масляных выключателей, электромагнитных выключателей, выключателей нагрузки, вакуумных выключателей, элегазовых выключателей. Генераторные выключатели в данной статье не рассматриваются.

Ключевые слова: выключатель, электрическая дуга, гашение дуги, дугогастельная камера.

Введение

При расхождении контактов при отключении выключателя в начальный момент возникает электрическая дуга. Электрическая дуга представляет собой газовый разряда, состоящего из ионизированного газа (плазмы). Под действием сил электрического поля с большой скоростью от анода к катоду перемещаются свободные электроны в следствии этого возникают термодинамические и др. физические явления. Поэтому задача коммутационного аппарата по отключению не только создать диэлектрический промежуток между двумя контактами путем физического разрыва, но и погасить электрическую дугу.

1. Актуальность гашения дуги в коммутационном аппарате

С возрастанием тока и номинального напряжения коммутационного аппарата интенсивность горения дуги увеличивается, что создаёт сложности с её разрывом и гашением. За увеличением интенсивности горения следует увеличение температуры плазмы, что повышает за собой вероятность нарушения целостности контактов; возможное повторное зажигание электрической дуги с увеличением риска работы сети в неполнофазном режиме, что может повлечь за собой перенапряжения и повреждения оборудования.

2. Принцип гашения дуги в коммутационном аппарате
   1. Принцип гашения дуги в масляном выключателе

В выключателе, залитом маслом, в верхней части кармана 4 (рисунок 1) имеется воздушная подушка под некоторым незначительным давлением за счет столба масла в основном цилиндре. При включенном выключателе свеча находится в нижнем положении и перекрывает вход в горизонтальные щели А, Б, В со стороны сегментного выреза камеры. При отключении выключателя между розеткой и свечой возникает дуга. Дуга, разлагая и испаряя масло под камерой, создает парогазовый пузырь с большим давлением. Газы не имеют выхода из-под камеры до тех пор, пока при движении свечи вверх не будут открыты выходы в горизонтальные щели. Давлением газового пузыря из нижней части основного цилиндра в карман 4 вытесняется масло и воздушная подушка в нем сжимается. Когда открывается вход в горизонтальные щели, то под действием большого давления создается интенсивное дутье газов и масла через щели поперек дуги. Благодаря сегментному вырезу в нижней части камеры обеспечиваются наиболее благоприятные условия для дутья через щели. К моменту начала дутья дуга соприкасается с нижней фибровой прокладкой камеры, при этом происходит мощное газообразование, чем усиливается дутье. В момент перехода тока через нуль давление в зоне горения дуги спадает и в это время сжатия в кармане 4 подушка расширяется и подобно поршню обеспечивает подачу свежего масла в зону щелей. При этом за счет поперечного дутья и поступления свежего масла происходит восстановление электрической прочности промежутка между свечой и розеткой и протекание тока прекращается. При отключении малых токов газообразование происходит слабо и дутье может оказаться недостаточным для восстановления электрической прочности промежутка, даже при открытии всех трех щелей. В этом случае горение дуги будет продолжаться и тогда карманы, расположенные в верхней части камеры, также будут заполнены газом под давлением. При переходе тока через нуль и уменьшении давления в зоне горения дуги дополнительно к поперечному дутью создается давление вдоль канала дуги за счет карманов. Это обеспечивает гашение дуги при отключении малых токов. [1]

Рис. 1. Дугогасящая камера масляного выключателя ВМГ-133-II (III) [1, с.6] 1 — основной цилиндр; 2 — маслоотделитель; 3 — дополнительный резервуар; 4 — карман; 5 — отверстие кармана; 6 — выхлопные отверстия цилиндра;7 — клапан; 8 — маслоуказатель; 9 — маслоспускная пробка; 10 — маслоналивная пробка; 11 — упорный болт;12 — проушина; 13 — проходной изолятор; 14 — фланец проходного изолятора; 15 — опорный изолятор; 16 — опорное кольцо; 17 — нижний цилиндр; 18 — верхний цилиндр; 19 — дугогасительная камера; 20 — розетка; 21 — выводной штырь розетки; 22 — фибровая прокладка; 23 — нажимная шайба; 24 — контактная гайка; 25 — контргайка; 26 — подвижной контакт (свеча); 27 — контактная колодка; 28 — промежуточная пластина; 29 — гибкая связь; 31 — кронштейн; 32-контактный наконечник свечи; 33 — шины.

2. Принцип гашения дуги в электромагнитном выключателя

На рисунке 2 изображена схема дугогасительной камеры электромагнитного выключателя и показано перемещение дуги в процессе отключения выключателя. Электрическая дуга, которая возникает между дугогасительными контактами в момент их размыкания (положение a), под действием тепловых потоков и электродинамических сил перемещается в камеру на дугогасительные рога. При этом естественное движение тепловых потоков вверх усиливается действием специального воздушного поддува. На рисунке 2 воздушный поддув не показан. При перемещении дуга касается дугогасительного рога 1 над неподвижным контактом. Но пока дуга не оторвется от неподвижного контакта, ток проходит непосредственно с неподвижного контакта на подвижный контакт, минуя катушку электромагнитного дутья 5, которая в этот момент зашунтирована отрезком дуги между неподвижным контактом и его рогом (положение б). После того как дуга оторвется от неподвижного контакта (положение В), весь ток будет проходить через катушку электромагнитного дутья, вследствие чего создается мощное магнитное поле. В результате взаимодействия дуги с полем происходит дальнейшее перемещение дуги в камеру (положения г и д).

Рис. 2. Дугогасительная камера электромагнитного выключателя ВЭМ-6(10) [2, с.28]: 1 — дугогасительный рог неподвижного контакта; 2 — вывод от рога неподвижного контакта к катушке электромагнитного дутья; 3 — опорные изоляторы; 4 — рама; 5 — катушка электромагнитного дутья; 6 — сердечник магнитопровода; 7 — фибровые козырьки; 8 — пакет керамических пластин; 9 — керамический лоток, 10 –асбоцементная пластина; 11 — дугогасительный pог подвижного контакта; 12 –боковая облицовочная плита 13 — латунные шпильки; 14 — торцевая изоляционная плита; 15 — асбоцементная прокладка; 16 — асбестовая прокладка; 17 — боковая изоляционная плита; А-Д — положения дуги.

По мере движения дуги вверх она затягивается в узкую зигзагообразную щель керамической решетки, образуемую вырезами в пластинах и промежутками между ними. Продвигаясь в зазорах между пластинами, дуга изгибается, что дает возможность при сравнительно небольших размерах камеры значительно растянуть дугу, В узком зигзагообразном канале керамической решетки происходит тесное соприкосновение дуги с поверхностью пластин, в результате чего дуга отдает пластинам значительную часть своей тепловой энергии. При подходе тока к нулевому значению происходит интенсивное охлаждение дуговой среды; столб дуги деионизируется, и она гаснет.

Дугогасительные камеры придают траектории дуги большую длину, которая может составлять 1,5–1,8 м, чем обеспечивается значительное увеличение сопротивления дуги и как следствие этого в ней падает напряжение, но величине близко к напряжению отключаемой цепи. Быстро возрастающее сопротивление дуги играет роль ограничительного сопротивления, вводимого последовательно в отключаемую цепь, Поэтому к моменту обрыва дуги уменьшается ток короткого замыкания, что облегчает процесс ее гашения. Вследствие большого сопротивления дуги напряжение восстановления сглаживается по форме и снижается по величине. Уменьшение амплитуды и сглаживание формы кривой восстанавливающегося напряжения у электромагнитных выключателей усиливается наличием последугового сопротивления, шунтирующего контакты выключателя.

Остаточная проводимость дуги в межконтактном промежутке существует в течение очень короткого, но достаточного для восстановления напряжения времени. к моменту разрыва цепи и гашения дуги ее столб охлаждается и в межконтактном промежутке создается высокая, все время возрастающая диэлектрическая прочность, что препятствует повторным зажиганиям. [2]

3. Принцип гашения дуги в выключателе нагрузки

Простейшим коммутационным аппаратом, позволяющим отключать и включать токи нагрузки в нормальном режиме, является автогазовый выключатель нагрузки типа ВН. Данный выключатель изображен на рисунке 3.

Рис. 3. Дугогасящая камера выключателя нагрузки ВН [3, с.86]: а — общий вид; б — дугогасительная камера; 1 — вал привода; 2 — дугогасительная камера; 3 — главный неподвижный контакт; 4 — подвижный дугогасительный контакт; 5 — главный подвижный контакт-нож; 6 — неподвижный дугогасительный контакт; 7 — газогенерирующие вкладыши.

Выключатели нагрузки ВН созданы на базе разъединителей рубящего типа. На опорном изоляторе с неподвижным главным контактом 3 укреплена простейшая дугогасительная камера 2 с газогенерирующими вкладышами 7 из органического стекла (см. рисунок 3 б). При отключении под действием пружины привода движение от вала 1 передается главным контакт — ножам 5, которые размыкаются в воздухе первыми, но дуги не образуется, так как весь ток проходит по дугогасительным контактам 4 и 6. При дальнейшем движении ножа 5 размыкаются дугогасительные контакты, возникшая дуга воздействует на вкладыши, из которых выделяется газ. Давление в камере повышается, а при выходе дугогасительного контакта 4 из камеры создается выхлоп газа, и дуга гаснет. При включении сначала замыкаются дугогасительные контакты 4 и 6, затем — главные 5. [3]

4. Принцип гашения дуги в вакуумном выключателе

Процесс отключения тока в вакуумной камере происходит следующим образом. После расхождения контактов дуга отключаемого тока, вызвавшая испарение материала контактов, гасится при первом переходе тока через нуль.

Пары металла, образованные дугой отключаемого тока, конденсируются на поверхности контактов в течении нескольких микросекунд после погасания дуги, теряя при этом свои токопроводящие свойства. После конденсации паров металла на поверхности контактов изоляционный промежуток между ними восстанавливает свои изоляционные свойства. Пары металлов в очень малом количестве конденсируются на поверхности коммутационной камеры (4), которая защищает керамические изоляторы (3) от напыления проводящим металлическим слоем и, тем самым, защищает от нарушения их изоляционных свойств, т. е. коммутационная камера выступает как защита от нарушения диэлектрической прочности изоляторов (3).

Горение дуги в вакуумной камере при отключении токов основано на проводящей среде паров металла контактов, которая еще до полного расхождения контактов конденсируется в течение нескольких микросекунд, и диэлектрическая прочность вакуума восстанавливается полностью. Это явление в значительной мере обеспечивается тем, что энергия горения дуги паров металла из специально подобранных сплавов контактных материалов, в вакууме гораздо меньше, чем энергия горения дуги в плазме элегаза в дугогасительной камере элегазового выключателя. [4]

Рис. 4. Дугогасящая камера вакуумного выключателя [4, с.44]: 1 — неподвижный контакт 2 — место подключения 3 — изолятор (керамический) 4 — коммутационная камера 5 — металлический сильфон 6 — направляющая шайба 7 — подвижный контакт 8 — резьба для присоединения к приводу

5. Принцип гашения дуги в элегазовом выключателе

В выключателе LF применен принцип вращения дуги в элегазовой среде и метод автокомпрессии, что в комплексе позволяет создать наилучшие условия для гашения дуги. Основные этапы гашения дуги показаны на рисунке 5. Выключатель включен (см. рисунок 5а). Основные контакты разомкнуты (см. рисунок 5б). Размыкание основных контактов (а), ток проходит через дугогасительные контакты (b). Гашение дуги (см. рисунок 5в). Размыкание дугогасительных контактов. При расхождении дугогасительных контактов в дугогасительной камере происходит загорание дуги. Воздействие магнитного поля, создаваемого катушкой (d), вызывает закручивание дуги и ее охлаждение. Избыточное давление в расширительном объеме (с), обусловленное повышением температуры, вызывает охлаждение дуги потоком элегаза, направленным из зоны с высоким давлением в зону с более низким давлением, что приводит к удлинению дуги и ее затягиванию в полость цилиндрического дугогасительного контакта (е). При прохождении тока через ноль дуга гарантировано гаснет. Выключатель выключен (см. рисунок 5г). [5]

Рис. 5. Дугогасящая камера элегазового выключателя LF [5, с.3]: а — основные контакты; b — дугогасительные контакты; d — катушка; c — расширительный объем; е — полость цилиндрического дугогасительного контакта; а-г — состояние выключателя

Гашение дуги при отключении выключателях среднего класса напряжения является обязательным, во избежание негативных последствий как для самого коммутационного аппарата, так и соседних. Условие гашения дуги для всех выключателей переменного тока — это переход тока через нуль. При этом в каждом коммутационном аппарате среднего напряжения применяются различные принципы гашения дуги: восстановление электрической прочности промежутка между контактом и розеткой за счет поперечного дутья и поступления свежего масла в зону гашения; увеличении сопротивления дуги вследствие её интенсивного удлинения под действием магнитного поля и охлаждения; выхлоп газа в зону горения дуги; восстановление диэлектрической прочности вакуума путем конденсации паров металла на поверхности контактов в течении нескольких микросекунд после погасания дуги; охлаждение избыточным давлением в следствии нагрева газа и направленное удлинение дуги в сторону дугогасительного контакта (зона низкого давления газа) за счет разности давлений.

Литература:

1. Батхон И. С. Инструкция по эксплуатации и ремонту выключателей типа ВМГ-133 / Батхон И. С. [Электронный ресурс] // NeHudLit.ru: [сайт]. — URL: https://www.nehudlit.ru/books/instruktsiya-po-ekspluatatsii-i-remontu-vyklyuchateley-tipa-vmg-133.html (дата обращения: 08.03.2025).
2. Е. И. Быков, А. М. Колузаев Электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10 [Текст] / Е. И. Быков, А. М. Колузаев. — Москва: Энергия, 1973–104 с.
3. Н. В. Ситников, С. А. Горемыкин Электрические станции и подстанции [Текст]: учеб. пособие / Н. В. Ситников, С. А. Горемыкин — Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2016–114 c.
4. Евдокунин, Г. А., Тилер, Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей напряжения: (технические преимущества и эксплуатационные характеристики) [Текст] / Г. А. Евдокунин, Г. Тилер — Санкт-Петербург: Сизова М. П., 2000–114 c.
5. Техническое описание элегазовых выключателей серии LF 6, 10 кВ / [Электронный ресурс] // elec.ru: [сайт]. — URL: https://www.elec.ru/viewer?url=/files/127/000001343/attfile/01.pdf (дата обращения: 15.03.2025).