СПОСОБ ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ОТКЛЮЧЕНИЯ
METHOD OF THE SWITCHING OFF ELECTRIC ARC EXTINGUISHING

Изобретение относится к области электроаппаратостроения и может быть использовано для гашения электрической дуги в коммутационных аппаратах.
Известен способ гашения дуги [1] затопленными струями дугогасящей жидкости. Дуга изгибается по потоку, и одновременно деформируется ее сечение от круглого к овальному. При этом образуется электрический разряд, который принимает вид тонкой плазменной оболочки с развитой поверхностью теплообмена, повторяющей форму струи жидкости. Плазма разряда деионизируется, и дуга гасится. На границе дуги и дугогасящей жидкости образуется парогазовая полость, затрудняющая теплоотвод от дуги, что увеличивает время коммутации и ограничивает величину коммутируемых токов при использовании этого способа гашения дуги в высоковольтных коммутационных аппаратах.
Известен способ гашения дуги [2] затопленными струями дугогасящей жидкости. Дуга изгибается по потоку и одновременно деформируется ее сечение от круглого к овальному. При этом образуется электрический разряд, который принимает вид тонкой плазменной оболочки с развитой поверхностью теплообмена, повторяющей форму струи жидкости. Процесс воздействия на дугу сопровождают контролем одного из ее параметров, в качестве которого выбирают толщину дуги. Толщину дуги измеряют с помощью электрических зондов или фотодиодов. Когда толщина дуги достигает определенной расчетной величины, гашение дуги завершают с помощью дополнительного воздействия на дугу, для чего инициируют с помощью разрядников, установленных в дугогасительной камере концентрично контактам, ударные волны, направленные перпендикулярно фронтальному участку дуги. Происходит интенсивное перемешивание плазмы дуги с холодным газом, образовавшимся при испарении дугогасящей жидкости, нарушение теплового баланса дуги и ее гашение.
Недостатками данного способа являются сложность измерения толщины дуги и возможность повторных пробоев межконтактного промежутка при возникновении коммутационных напряжений и, как следствие, большой разброс времен коммутации и коммутационные потери энергии.
Техническим результатом данного изобретения является снижение коммутационных потерь и увеличение надежности работы коммутационных аппаратов, использующих данный способ гашения электрической дуги отключения.
р.к
удл.д
р.к
удл.д
вн
вк
вн
вн
Для достижения указанного технического результата в известном способе гашения электрической дуги отключения, при котором в процессе разведения контактов деформируют дугу затопленными струями дугогасящей жидкости, истекающими из полости контактов в дугогасительную камеру, при этом процесс воздействия на дугу сопровождают контролем, по крайней мере, одного параметра дуги и в момент достижения значения этого параметра, определенной предварительно величины, гашение дуги завершают с помощью дополнительного воздействия на дугу, предложено в качестве контролируемого параметра выбрать скорость изменения напряжения на дуге dU/dt, а датчик скорости изменения напряжения на дуге подключать с задержкой τ относительно времени команды на срабатывание коммутационного аппарата τ=τ+0,5τ, где τ - время расхождения контактов, τ - экспериментально полученное время удлинения дуги до резкого увеличения скорости изменения напряжения на дуге, а в качестве дополнительного воздействия использовать повышение давления в дугогасительной камере посредством поджига дополнительно введенной горючей газовой смеси, которой заполняют свободный объем дугогасительной камеры, и дополнительно введенного поршня-поплавка, размещенного на поверхности дугогасящей жидкости. Дополнительно введенный поршень-поплавок изготавливается из изоляционного теплостойкого негорючего материала и имеет внутренние полости, заполненные, например, воздухом, так чтобы плотность поршня-поплавка была меньше плотности дугогасящей жидкости. Дополнительно введенный поршень-поплавок выполнен в виде кольца, внутренний диаметр (d) которого соответствует наружному диаметру верхнего контакта (d), а наружный внутреннему диаметру дугогасительной камеры, а также поршень-поплавок имеет 6-8 сквозных осевых отверстий диаметром (5-7) мм, равномерно расположенных на радиусе 1,3d/2, где d - внутренний диаметр поршня-поплавка. Дугогасительная камера заполняется дугогасящей жидкостью выше уровня контактного узла (от центральной плоскости межконтактного промежутка при расхождении контактов) на (8-10)h, где h - межконтактный промежуток.
m
На рис. 1 представлена геометрия потока дугогасящей жидкости и дуги отключения в одной из возможных конструкций, реализующих способ гашения дуги; на рис. 2 - разрез А-А на рис. 1; на рис. 3 - блок-схема работы коммутационного аппарата; на рис. 4 - пример осциллограммы напряжения и теневых фотографий электрической дуги отключения в затопленной струе технической воды, 1,5 кВ/дел., 200 мкс/дел., время экспозиции одного кадра - 25 мкс, t=500-600 мкс - время после расхождения контактов, υ=100 м/с - скорость затопленной струи дугогасящей жидкости, I=75 кА - максимальный ток электрической дуги отключения.
вн
вк.
вн
вн
3
8
2
Контакты - верхний подвижный 1 и нижний неподвижный 2 расположены соосно и вертикально в дугогасительной камере 3, заполненной дугогасящей жидкостью выше уровня контактного узла (от центральной плоскости межконтактного промежутка при расхождении контактов) на (8-10)h, где h - межконтактный промежуток (рис. 1). Верхний подвижный контакт 1 выполнен в виде стакана, стенки которого охватывают снаружи стенки неподвижного контакта 2, имеющего полость 4, заполненную дугогасящей жидкостью. На поверхности дугогасящей жидкости в дугогасительной камере 3 размещен поршень-поплавок 5, изготовленный из изоляционного теплостойкого негорючего материала. Поршень-поплавок 5 имеет внутренние полости 6, заполненные, например, воздухом, так чтобы плотность поршня-поплавка была меньше плотности дугогасящей жидкости. Поршень-поплавок 5 выполнен в виде кольца, внутренний диаметр (d) которого соответствует наружному диаметру верхнего контакта 1 (d), а наружный - внутреннему диаметру дугогасительной камеры 3, а также поршень-поплавок 5 имеет 6-8 сквозных осевых отверстий 7 диаметром (5-7) мм, равномерно расположенных на радиусе 1,3d/2, где d - внутренний диаметр поршня-поплавка. В отверстиях 7 размещены клапаны 8, а на цилиндрических поверхностях поршня-поплавка 5 - уплотнения 9, 10. Свободный объем дугогасительной камеры 3 над поршнем-поплавком 5 заполнен горючей газовой смесью известного состава, например, горючей газовой смесью, состоящей из пропана (CH) и кислорода (O), используемой в приводе коммутационного аппарата [3]. В стенке дугогасительной камере 3 размещен искровой разрядник 11, необходимый для зажигания газовой смеси.
6
7
р.к
удл.д
р.к
удл.д
При подаче команды на срабатывание коммутационного аппарата (рис. 3) в полости 4 нижнего неподвижного контакта 2, заполненной дугогасящей жидкостью, известным способом создают повышенное давление. Верхний контакт 1 под воздействием давления начинает ускоренное движение, происходит разрыв контактов, в образующийся межконтактный промежуток истекает поток дугогасящей жидкости, воздействующий на электрическую дугу отключения. Дуга изгибается по потоку и одновременно деформируется ее сечение от круглого к овальному. При этом образуется электрический разряд, который принимает вид тонкой плазменной оболочки с развитой поверхностью теплообмена, повторяющей форму струи жидкости (рис. 1, 2). Осциллограмма напряжения на дуге U (рис. 4) имеет пологий участок (ab), который соответствует квазистационарному удлинению дуги на фронте затопленной струи жидкости (dU/dt≈3⋅10 В/с) и участок (bc) - резкого возрастания скорости изменения напряжения на дуге (dU/dt≈1,5⋅10 В/с). Участок (bc) связан с процессами в дуге на ее переднем фронте. Когда на 500-550-й мкс после расхождения контактов и возникновения дуги на отрезке дуги перед передним фронтом струи жидкости начинают развиваться возмущения, интенсивность свечения дуги падает и на ее переднем фронте появляется темная область, разделяющая излучающий канал дуги на две части (600-я мкс, рис. 4.). Возникновение темной области на переднем фронте дуги совпадает по времени с максимумом на осциллограмме напряжения. Скорость изменения напряжения на дуге dU/dt контролируют датчиком скорости изменения напряжения на дуге (рис. 3), который подключают с задержкой τ относительно времени команды на срабатывание коммутационного аппарата τ=τ+0,5τ, где τ - время расхождения контактов, τ- экспериментально полученное время удлинения дуги до резкого увеличения скорости изменения напряжения на дуге (точка b на осциллограмме напряжения на дуге U (рис. 4)). При резком возрастании скорости изменения напряжения на дуге с помощью искрового разрядника 11 поджигается газовая смесь над поршнем-поплавком 5. Искровой разрядник 11 срабатывает по сигналу от генератора однократных импульсов, который запускается от блока регистрации сигнала с датчика скорости изменения напряжения на дуге (рис. 3). Горение газовой смеси над поршнем-поплавком 5 приводит к повышению давления и прекращению свободного перемещения поршня-поплавка 5 вместе с уровнем дугогасящей жидкости. В дугогасительной камере 3 повышается давление, клапаны 8 открываются, и из отверстий 7 происходит истечение жидкости, а также газов, отведенных из парогазовой области, прилегающей к дуге, в пространство над поршнем-поплавком 5. Характер теплообмена дугового разряда при этом существенно изменяется, нарушается тепловой баланс, преобладающим становится процесс остывания дуги, пронизанная струями дугогасящей жидкости, она приобретает ячеистую структуру и гасится. Вероятность повторных пробоев сводится к минимуму за счет поддержания повышенного давления в дугогасительной камере 3 при горении газовой смеси.
Как показали эксперименты, использование данного способа позволяет снизить на 40% по сравнению с прототипом коммутационные потери при увеличении надежности работы.
0
3
8
2
вк
п
1
m
-2
6
7
Приведем один из конкретных примеров реализации способа. Дугогасительная камера и полости контактов заполнены технической водой с проводимостью σ=2,8⋅10 См/м и температурой t=20°C. До срабатывания коммутационного аппарата давление горючей газовой смеси, состоящей из пропана (CH) и кислорода (O) (состав по массе в %: 12 - пропан, кислород - остальное), над поверхностью поршня-поплавка P=0,5 МПа. Наружный диаметр верхнего контакта d=60 мм. Межконтактный промежуток h=5 мм. Толщина поршня-поплавка h=50 мм. Задержка подключения датчика скорости изменения напряжения на дуге относительно времени команды на срабатывание коммутационного аппарата τ=275 мкс. Пологий участок (ab) на осциллограмме напряжения, соответствующий квазистационарному удлинению дуги на фронте затопленной струи жидкости (dU/dt≈3⋅10 В/с) и участок (bс) - резкого возрастания скорости изменения напряжения на дуге (dU/dt≈1,5⋅10 В/с) (рис. 4). Давление в дугогасительной камере после поджига горючей газовой смеси P=7 МПа. Скорость затопленной струи дугогасящей жидкости V=100 м/с. Максимальный ток электрической дуги отключения I=75 кА.
Источники информации
1. Ахмеров Н.А., Герасимов В.П., Годонюк В.А, Грибков А.М., Егоров Ю.Я., Емельянов А.И., Жаворонков М.А., Смоляк А.И. Макет коммутатора постоянного тока многократного действия // ПТЭ. - 1983. - №4. - С. 132-136.
2. Азизов Э.А., Годонюк В.А., Емельянов А.И., Цветков Н.В., Ягнов В.А. Способ гашения электрической дуги отключения. Патент РФ №1757372 // Бюллетень изобретений и открытий. - 1994. - №10. - С. 203.
3. Азизов Э.А., Годонюк В.А., Емельянов А.И., Цветков Н.В. Высоковольтный коммутационный аппарат и горючая газовая смесь для привода высоковольтного коммутационного аппарата. Патент РФ №1621097 // Бюллетень изобретений и открытий. - 1991. №2. - С. 176.