4.3 Комбинированные аппараты на основе воздушных выключателей

Общность закономерностей протекания коммутационных процессов в комбинированных аппаратах низкого и высокого напряжения определяет возможность использования одних и тех же (или схожих) принципиальных схем силовой части аппарата.

В частности, все варианты исполнения силовой части комбинированных аппаратов низкого напряжения (см. рисунок 3.13) полностью приемлемы и для аппаратов высокого напряжения. Что касается конструктивного исполнения, то оно определяется в основном базовой конструкцией используемого контактного устройства и выбранным способом воздействия на электрическую дугу. По этим признакам комбинированные аппараты высокого и низкого напряжения существенно отличаются.

Наиболее общей для комбинированных выключателей высокого напряжения является схема (рисунок 4.7), контактная система в которой представлена типичной для контактных аппаратов совокупностью главных контактов S₁, дугогасительных контактов S₂ (резистор R_п во внимание не принимать) и контактов отделителя S₃. Непосредственно к дугогасительным контактам (параллельно) подсоединен полупроводниковый блок (ПБ). Он может быть выполнен по схеме со встречно-параллельно соединенными цепями тиристоров (см. рисунок 4.1.) или в виде только одной тиристорной (диодной) цепи, если проектируется синхронизированный аппарат. Параллельно каждому СПП подключаются элементы, обеспечивающие выравнивание распределения восстанавливающегося напряжения по отдельным приборам и ограничение его амплитуды: R_ш , RC-цепи и варисторы.

Рисунок 4.7 − Функциональная схема комбинированного

выключателя

Конструкция и характеристики контактной системы определяются номинальными параметрами (I_ном, I_{0 ном}, U_ном и др.) аппарата и условиями его работы, которые, в свою очередь, обусловливают выбор типа базового контактного выключателя, род дугогасящей среды и способа гашения электрической дуги. Учитывая ограниченный диапазон напряжений (до 35 кВ), в котором применение комбинированных аппаратов эффективно, в качестве базового контактного аппарата можно использовать воздушный, маломасляный, вакуумный и электромагнитный выключатель. Однако наилучшие результаты в отношении облегчения условий работы контактов достигаются при применении электромагнитных и воздушных аппаратов. Это объясняется тем, что в них обеспечивается быстрое увеличение напряжения на дуге до уровня, при котором возможно включение полупроводникового блока. Напротив, вакуумные дугогасительные устройства характеризуются малым напряжением на дуге, составляющем 20…40В при токе до 10кА, что затрудняет использование их в комбинированных аппаратах на напряжение свыше 10 кВ. К тому же достигнутые к настоящему времени характеристики вакуумных камер по коммутационному ресурсу и предельной коммутационной способности позволяют создавать высокоэффективные аппараты на их основе без специальных дополнительных устройств. Поэтому в дальнейшем остановимся на рассмотрении характеристик комбинированных аппаратов, выполненных на основе воздушных выключателей.

Во включенном положении аппарата (рисунок 4.7) все его контакты S₁, S₂ и S₃ замкнуты. Из-за относительно большого сопротивления контура с дугогасительными контактами S₂ протекаемый в нем ток составляет 5…10% от тока в главных контактах. Тиристоры в полупроводниковом блоке закрыты. Заметим, что в случае использования ПБ на основе диодов в синхронизированных выключателях он тоже остается в непроводящем состоянии, т.к. падение напряжения на контактной схеме намного меньше напряжения, достаточного для перевода последовательно соединенных диодов в проводящее состояние.

Отключение комбинированного аппарата можно условно разделить на три стадии. Первая стадия соответствует размыканию главных контактов S₁, в результате чего осуществляется переход тока из главной цепи в дугогасительный контур. Продолжительность этой стадии определяется конструктивным исполнением контактной схемы и соотношением активных и реактивных сопротивлений параллельных контуров.

Вторая стадия коммутационного процесса начинается в момент времени, который соответствует размыканию дугогасительных контактов S₂. Одновременно с этим моментом времени или с небольшим упреждением его необходимо подавить управляющие импульсы напряжения на тиристоре полупроводникового блока. Образующуюся при размыкании контактов электрическую дугу можно рассматривать в двух аспектах. С одной стороны, это ─ нежелательное явление, приводящее к быстрому износу контактов и последующему их разрушению. С другой стороны, она представляет собой активное переменное сопротивление, которым можно управлять посредством различных воздействующих факторов. В обычных воздушных выключателях переменного тока дугогасительные устройства конструируются таким образом, чтобы обеспечивались условия, необходимые для поддержания достаточно высокой проводимости дуги в течение всего полупериода тока, а непосредственно у нуля тока (за единицы микросекунд) проводимость резко снижалась. В результате удается свести до минимума энергию, выделяемую в дуговом промежутке в течение полупериода, исключить возможность появления среза тока в конце полупериода и в то же время обеспечить успешное гашение дуги в околонулевой области. При конструировании дугогасительных устройств комбинированных аппаратов задача управления интенсивностью воздействия на электрическую дугу теряет смысл.

В данном случае необходимо добиться быстрого нарастания падения напряжения на дуге U_д, сразу же после размыкания контактов S2. Причем минимальное значение его должно быть, по крайней мере, в 2…3 раза больше произведения n_UU_(то). С увеличением u_Д процесс перехода тока в полупроводниковый блок протекает быстрее.

В дугогасительных устройствах воздушных выключателей эффективным средством воздействия на электрическую дугу является интенсивное охлаждение ее в продольно направленном потоке сжатого воздуха. Необходимая скорость течения воздуха обеспечивается конструкцией так называемой дутьевой системы (рисунок 4.8), объединяющей в себе оконечные части размыкаемых контактов и дутьевые каналы (сопла).

Интенсивность охлаждения дуги и, следовательно, изменение ее сопротивления определяются формой и соотношением определяющих геометрических размеров сопла (размер входной части l_вх, диаметр горловины сопла d_С, диаметр выхлопной части d_В), давлением воздуха в камере перед размыканием контактов. В результате выбора оптимальных значений этих параметров, а они, в свою очередь, определяются коммутируемым током и характеристиками полупроводникового блока, можно обеспечить минимальную длительность переходного процесса на второй стадии.

Заметим, что многие физические явления, происходящие при горении и гашении дуги в выключателях, в настоящее время могут быть объяснены только с качественной стороны. Поэтому не существует и точных аналитических решении этой задачи. В то же время опыт конструирования различных типов дугогасительных устройств и результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров дутьевых систем на характеристики электрической дуги позволяют сделать правильный выбор направления в создании новых или модернизации существующих дугогасителей.

Рисунок 4.8 − Зависимости переходных процессов в комбинированных аппаратах от параметров дутьевой системы

Для конкретных конструктивных решений количественные характеристики переходных процессов могут быть определены приближенно по известным эмпирическим зависимостям или аналитически при использовании упрощений, подобных тем, которые приемлемы для первой стадии.

Третья стадия отключения аппарата соответствует окончательному прерыванию тока полупроводниковым блоком. Как и у всех полупроводниковых аппаратов, этот процесс завершается при переходе тока через нуль (см. рисунок 3.7).

Эффективность использования воздушных дугогасительных устройств на второй стадии отключения аппарата иллюстрируется рисунок 4.8. На нем показаны экспериментально полученные зависимости длительности перехода тока из дугогасительной цепи полупроводниковый блок от давления в дугогасительной камере. Опыты проводились на модели контактной системы с односторонним воздушным дутьем. С целью исключения влияния на вольт-амперную характеристику дуги динамических процессов, связанных со скоростью размыкания контактов, заданное расстояние между контактами устанавливалось заранее. В процессе опытов зажигание дуги происходило вследствие перегорания плавкой вставки, которой предварительно соединялись контакты. Давление воздуха в камере изменялось в пределах 0,2...0,8 МПа. На рисунке 4.8 показаны только две кривые t_п = t(p), полученные соответственно при диаметре горловины сопла d_С = 8 мм (кривая 1) и d_С = 6 мм (кривая 2) при отключении тока с амплитудой 3кА. Включение тиристоров полупроводникового блока осуществлялось при достижении током дуги амплитудного значения (ψ= 90°). Из этих кривых видно, что длительность переходного процесса может быть доведена до 150...250 мкс при относительно небольших давлениях в камере.

Если аппарат предназначен для оперативного отключения номинальных токов и токов перегрузки, то к нему не предъявляются жесткие требования в отношении собственного времени отключения. Важным является лишь сокращение до минимума времени горения дуги. Это обстоятельство позволяет создавать комбинированные аппараты с однонаправленными тиристорными или диодными цепями в полупроводниковых блоках, т. е. синхронизированные аппараты. В результате становится возможной реализация тех преимуществ, которые присущи синхронизированным аппаратам.

Эскиз конструкции полупроводникового блока комбиниро­ванного аппарата, выполненного на основе СПП таблеточной конструкции, показан на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 − Конструкция полупроводниковых блоков

комбинированных аппаратов

Базовым элементом ее является П-образный каркас из электроизоляционного материала (стеклопластика). Боковины каркаса 3 имеют отверстия под поперечные стальные балки 2 и 9. Необходимые усилия сжатия приборов 6 обеспечиваются нажимным винтом 1. Вкладыш 4, в который шарнирно упирается нажимной винт, обеспечивает равномерное распределение давления по плоскости приборов 6. Между корпусами СПП размещены оловянистые прокладки 7 толщиной 0,1мм, которые обеспечивают надежный электрический контакт по всей поверхности СПП. Резиновая прокладка 8 необходима для компенсации линейного расширения элементов конструкции (в основном полупроводниковых приборов), обусловленного их нагревом. Подсоединение полупроводникового блока к контактной системе осуществляется с помощью токоведущих шин 5.