Процессы в дугогасительных системах и в электрических сетях 6(10) кВ при коммутациях выключателями

Алексей Таджибаев, к.т.н., ректор Петербургского энергетического института повышения квалификации Минэнерго РФ

Дугогасящие среды (масло, элегаз, вакуум), используемые в коммутационных аппаратах, обуславливают своеобразие процессов в дугогасительных устройствах, влияющих на перенапряжения.

Разряд на контактах выключателя сопровождается концентрированным выделением тепловой энергии: на катоде выделяется энергия, подводимая заряженными ионами, и часть энергии электронов, эмитируемых катодом вследствие излучения из прикатодной области. К аноду в основном подводится энергия электронов. Определенную роль в тепловом балансе играют высокотемпературные потоки плазмы. Часть энергии поступает на электроды из ствола дуги за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Влияние дугогасящей среды на характер протекания разряда весьма существенно, поскольку предопределяет такие основные характеристики дуги, как ее диаметр, температуру, время горения, выброс потоков плазмы и др.

МАСЛЯНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

В масляных выключателях разрыв тока обусловливается специфическими физико химическими процессами, происходящими в зоне дугогашения. При возникновении дуги между размыкающимися контактами образуется парогазовая среда,состоящая из продуктов разложения масла (66%водорода, 17%ацетилена, 9%метана и ряд примесей). Высокая теплоотводящая способность водорода обеспечивает эффективное гашение дуги.Однако в процессе разложения масла,кроме водорода,образуются углеродистые соединения в виде твердого осадка,а также пары материала контактов и продукты разложения твердых изоляционных элементов,снижающие эффективность дугогашения.

Рис.1.Кривые процесса восстановления изоляционных свойств в масле.

Рис.2.Отключение электродвигателя масляным выключателем.

Восстановление изоляционных свойств масляной среды происходит значительно медленнее,чем в выключателях с другими дугогасящими средами. Кривая 1 на рис.1 показывает график изменения напряжения пробоя межконтактного промежутка масляного выключателя после расхождения контактов. Кривая 2 демонстрирует характер изменения напряжения на вводах двигателя при размыкании контактов после прохождения тока через ноль. Эта кривая показывает,что высокочастотный процесс,связанный с обменом энергией между емкостными и индуктивными элементами присоединения, может привести к многократным повторным пробоям межконтактного промежутка.Однако на первых этапах дугового разряда за счет подпитки током от соседних фаздуговой разряд поддерживается и в момент прохождения тока через ноль. Причем дуговой разряд сохраняется до 6-8 периодов частоты 50 Гц. Следовательно,к моменту,когда изоляционные свойства выключателя будут восстановлены,запас энергии в емкости и индуктивности присоединения будет погашен и вероятность эскалации перенапряжения за счет повторных пробоев очень низка.

На рис.2 показаны осциллограммы напряжений фаз А,В и С на вводах электродвигателя мощностью 500 кВт, найденных путем моделирования процессов. Кратность первого импульса перенапряжений составляет 2*1, что ниже допустимой кратности.

Рис.3 иллюстрирует распределение напряжений по виткам обмотки в точках 1, 2 и 3 эквивалентной схемы двигателя (рис.4),которые находятся в пределах допуска. Перенапряжения при отключении масляного выключателя сильно зависят от свойств дугогасящей среды.

Рис.3.Кривые напряжений в различных точках эквивалентной схемы двигателя при отключении масляным выключателем.

Рис. 4. Схема замещения электродвигателя.

Количество продуктов разложения масла зависит от энергии дуги, числа коммутаций и в среднем на единицу энергии дуги составляет 0,045 0,060 г/кДж. Так,после 10 отключений тока 5 кА выключателем с контактами из композиции 70 W-Cu в дугогасительном устройстве с объемом масла 3*10³ см ³ содержится 38 г углеродов (в виде осадка), 2 г вольфрама и 0,8 г меди. Углеродистые соединения до нескольких месяцев остаются в масле во взвешенном состоянии, снижая электрическую прочность внутренней изоляции масляного выключателя. После 8-10 отключений маломасляного выключателя на 6 кВ сопротивление внутренней изоляции снижается до 30 МОм (при первоначальном значении 10000 МОм).

Наличие свободных частиц углерода во взвешенном состоянии и особенно металла снижает электрическую прочность масла, что плохо сказывается на процессах в дугогасительной камере в режиме включения. При уменьшении расстояния между контактами возникает преждевременный множественный пробой межконтактного промежутка, провоцирующий перенапряжения.

Моделирование процессов включения электродвигателя той же мощности иллюстрируется рис. 5 (масштаб рисунка тот же, что и рис. 2). Кратность перенапряжений выше нормы, а перенапряжения на витках обмотки (рис. 6) оказываются недопустимыми.

Рис. 5. Перенапряжения при включении электродвигателя масляным включателем.

Рис. 6. Перенапряжения на витках при вклю чении двигателя масляным выключателем.

ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Характер дугогашения в элегазовых (SF₆) выключателях существенно отличается от процессов в других дугогасительных средах. Так, энергия, выделяемая дугой в элегазах, меньше, чем в воздухе, вследствие меньшего ее теплосодержания, обусловленного меньшим напряжением на дуге.

Чем ниже температура диссоциации газа, тем лучше условия для уменьшения остаточной проводимости ствола дуги, поскольку в этом случае происходит более интенсивное охлаждение ее высокотемпературного ядра. Поэтому элегаз с температурой диссоциации 2000 К обладает высокой дугогасящей способностью по сравнению с воздухом, температура диссоциации которого равна 7000 К.

Отметим также электроотрицательные свойства элегаза, способствующие активному захвату свободных электронов и повышению эффективности гашения дуги.

Скоростная съемка дуговых процессов сверхскоростным фоторегистратором СФР-2М, фотометрические и металлографические методы исследования дуговых процессов на электродах из различных материалов позволили выявить существенное различие в характере протекания дуговых процессов при магнитном дутье в элегазе и воздухе. Гашение дуги осуществлялось посредством ее вращения под воздействием магнитного поля в промежутке между концентрическими электродами 1 и 2 в элегазе (рис. 7, а).

Рис.7.Характер движения электрической дуги при магнитном дутье в элегазе.

Рис.8.Временные зависимости пробивного напряжения элегазового выключателя.

Скорость движения при магнитном дутье в элегазе

V_Д = К_dy * I^0.83 * B^0.5 * P^0.66

где I –ток отключения, A ; B – магнит ная индукция, T_л ; P – давление SF₆ в дугогасительной камере, Па .

Анализ результатов скоростной съемки показывает, что в элегазе наблюдается четко выраженный («отшнурованный ») ствол дуги и происходит сужение (стягивание) ее оснований. Дуга в элегазе имеет склонность к петлеобразованию (особенно в области перехода тока через нулевое значение) , а при определенных условиях происходит расщепление ствола дуги в элегазе на отдельные волокна. В ряде случаев наблюдается выброс потоков плазмы, образующихся в результате радиального сжатия дуги ее собственным магнитным полем (за счет пинч эффекта), что приводит к закорачиванию отдельных участков дуги, скачкообразному ее перемещению.

Наиболее благоприятные условия для повышения эффективности гашения дуги и дугостойкости контактов при магнитном дутье в элегазе соответствуют равномерному движению дуги (рис. 7, б), когда ее основания перемещаются приблизительно с одинаковой скоростью (при этом ствол дуги несколько опережает основания). Это обусловлено снижением локального нагрева контактов вследствие рассеивания энергии, сконцентрированной в основаниях дуги, при быстром ее перемещении.

Фотометрические исследования параметров электрической дуги на моделях дугогасительных устройств элегазовых выключателей позволили определить напряжение на дуге, ее диаметр и температуру дуги SF₆.

На основании фоторегистрации дуги определен диаметр ствола дуги в различных системах дугогасительных устройств элегазовых выключателей на моделях, приведено сопоставление расчетов с экспериментом, установлено влияние материала контактов на характер дугогашения. Диаметр дуги в элегазе меньше, чем в воздухе. Вследствие этого более высокое отношение единицы поверхности дуги к ее объему в элегазе обусловливает более интенсивный отвод тепла, а следовательно, более интенсивное восстановление электрической прочности межконтактного промежутка.

Эксперименты показывают, что диаметр дуги в элегазе при отключении тока 5 кА на контактах из меди составляет 10 мм, температура ядра дуги –25*10³К, на периферии дуги – 10*10³К.

Существенно влияет на дуговые процессы выброс потоков плазмы, возникающих на контактах вследствие радиального сжатия дуги ее собственным магнитным полем. При этом в дуге образуется разность давлений, обусловливающая выброс потоков плазмы, исходящих из мест наибольшего сужения – оснований дуги.

Кроме стягивающего эффекта, вызываемого электромагнитными усилиями, определенную роль в образовании потоков плазмы играют тепловые процессы в приэлектродных основаниях дуги. Сужение оснований дуги приводит к увеличению плотности тока в них, а следовательно, и к увеличению температуры, вследствие чего сгустки плазмы с более высокой температурой устремляются в область с меньшей температурой и более низким давлением. Кроме того,повышение температуры в основаниях дуги сопровождается интенсивным испарением материала контактов и образованием за счет этого областей с повышенным давлением. Совокупность этих явлений и обусловливает образование и выброс потоков плазмы, оказывающих существенное влияние на дугогашение.

Для возникновения потоков плазмы должны соблюдаться определенные условия. Значения граничныхтоков,при которых возникают плазменные потоки,зависят от свойств контактного материала и дугогасящей среды. Так,в элегазе выброс потоков плазмы на электродах из латуни наблюдается при значительно больших значениях тока (свыше 200А), чем на медных электродах (на них потоки плазмы образуются при токе около 80 А).

Потоки плазмы имеют более высокую температуру,чем окружающие их области ствола дуги,и более высокую электрическую проводимость. Обладая высокой скоростью, достигающей 10³-10⁴ м/с, потоки плазмы насыщают промежуток парами металла,снижая тем самым восстанавливающуюся прочность межконтактного промежутка, чтосоздает условия для повторного пробоя межэлектродного пространства.

Рис.9.Перенапряжения при отключении двигателя элегазовым выключателем (Размерность та же,что и на рис.2).

Рис.10.Перенапряжения между витками при отключении двигателя элегазовым выключателем.

Эксперименты показывают, что вмежконтактном промежутке возникает до 6% паров меди. На рис.8 показаны кривые зависимости пробивного напряжения от времени после прохождения тока через ноль при различном объеме меди:1-6%;2-4%;3-2%.

На рис.9 показаны результаты моделирования при отключении двигателя элегазовым выключателем. Видно,что первый пик перенапряжения имеет допустимую кратность.Однако последующие пробои межконтактного промежутка элегазового выключателя приводят к увеличению перенапряжений до кратности выше допустимой. Недопустимыми оказываются и перенапряжения между витками обмотки (рис.10).

Восстановление изоляционных свойств элегазовой дугогасящей среды происходит значительно быстрее, чем у масляных выключателей, т.к.отсутствуют взвешенные частицы меди и,как правило,при включении вероятность возникновения перенапряжения невелика.

ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Перенапряжения в условиях применения вакуумных выключателей определяются процессами в вакуумных камерах и прежде всего эмиссией тока с поверхности контактной системы.

Как правило,поверхность контактов имеет большое число микронеровностей и они прилегают друг к другу не всей плоскостью,а несколькими точками. В первые мгновения расхождения контактов точки соприкосновения электродов сохраняются, но при этом площадь контактов стремительно уменьшается. Также стремительно поднимается температура мест соприкосновения, причем к моменту отрыва поверхностей друг от друга металл переходит в жидкое состояние и между расходящимися контактами возникают мостики из расплавленного металла.

Дальнейшее расхождение контакта сопровождается сжатием сечения мостиков, увеличением температуры и давления. Стартовый этап заканчивается взрывом мостика и переходом к разряду в парах металла. В этих условиях ток определяется процессами в плазме.

Хоть и незначительный, но имеется ток, связанный с фотоэффектом. Фотоэффект, т.е. эмиссия электронов из катода под действием светового или иного излучения, происходит при энергии фотона, большей эффективной работы выхода hv>W_a^*. В свою очередь работа выхода из электрода зависит как от материала, так и от состояния поверхности катода, поэтому плотность тока также зависит от этих факторов. При этом нужно иметь в виду, что вероятность эмиссии электрона под действием фотона с энергией, большей W_a^*, много меньше единицы. Эту вероятность называют квантовым выходом. Плотность фототока зависит не только от энергии фотона, но и от температуры и состояния поверхности катода.

Второй по плотности ток автоэлектронной эмиссии. Автоэлектронная эмиссия из металла в вакуум наблюдается при напряженностях электрического поля на поверхности Е=10⁸ ...10⁹ В/м.

Сильное электрическое поле у катода может возникнуть не только вследствие роста напряженности между электродами, но и вследствие образования положительного объемного заряда вблизи катода. Поверхность катода обычно бывает неровной и неоднородной на отдельных участках, и заметный ток автоэлектронной эмиссии может возникнуть уже при средней напряженности порядка 10⁷ В/м.

С учетом увеличения прозрачности барьера упрощенная формула, удобная при практических расчетах плотности тока автоэлектронной эмиссии при Т=0 К, имеет вид:

j= AE²exp(-BW_a ^3/2/E),

где Е –напряженность электрического поля в В/см; W_a – работа выхода из металла в эВ; j_A(0) в А/см². Повышение температуры катода приводит к росту плотности автоэлектронной эмиссии j_A(Т), так как часть электронов будет иметь энергию, большую W_Fe.

Эмиссия электронов может происходить при бомбардировке катода медленными (потенциальная ионноэлектронная эмиссия) или быстрыми, имеющими энергию несколько килоэлектрон вольт (кинетическая ионноэлектронная эмиссия), положительными ионами.

При сближении положительного иона с металлом ширина потенциального барьера уменьшается настолько, что становится возможным туннелирование электрона на свободный нормальный энергетический уровень положительного иона. В результате этого образуется нейтральная частица.

При нейтрализации выделяется энергия, равная разности энергий, необходимой для онизации частицы W_u энергии, которую имел электрон в металле, w_x. Эмиссия электрона в вакуум возможна, если выделившаяся энергия будет больше работы выхода: W_u-w_x>W_a или W_u>W_а++w_x. Поскольку w_x>W_a, эмиссия электрона имеет место лишь при выполнении условия W_u>2W_a.

Ствол разряда на стартовых этапах имеет очень высокую проводимость, которая значительно больше, чем проводимость у элегазовых и масляных выключателей, что в совокупности с конструктивными решениями контактной системы обеспечивает перенапряжения, не превышающие допустимые. Однако после прохождения тока через ноль возникают многократные пробои, которые могут при определенных условиях привести к эскалации перенапряжений.

При фиксированной скорости восстановления диэлектрической прочности условия для первого и последующих пробоев зависят от момента начала движения контактов t_откл, отсчитываемого от момента прерывания тока. При отключении пускового тока при di/dt=50А/мксек, t_откл=0,17мсек, после среза тока при его мгновенном значении i=5А, прочность промежутка ВВ спустя время t_откл=0,17мсек после начала движения контактов оказывается недостаточной. Происходит первый, а затем ряд последующих пробоев промежутка с гашением дуги каждый раз после прохождения через выключатель одного трех (в зависимости от скорости подхода тока к нулю) высокочастотных полуволн тока.

Важнейшим явлением, влияющим на возможность возникновения перенапряжений в условиях, когда контакты холодные, является взрывная автоэлектронная эмиссия. Это происходит, как правило, при включении после длительного перерыва. В этих условиях по существу отсутствуют, по крайней мере, на первом этапе движения контактов, составляющие термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссий. Разряд возникает с микронеровностей контактной системы. Через некоторое время за держки t_з после начала эмиссии происходят микровзрывы острий на катоде, при этом образуются плазменные сгустки –катодные факелы, расширяющиеся со скоростью порядка 10⁴м/с, а плотность тока быстро нарастает.

С ростом напряженности электрического поля t_з уменьшается обратно пропорционально квадрату плотности тока t_з=4*10⁹/j_А², где j_А в А/см², t_з в сек.

Быстрый рост плотности тока обусловлен термоэлектронной эмиссией из плазменного катодного факела. Еще до достижения катодным факелом анода навстречу ему начинает двигаться анодный факел, образующийся в результате бомбардировки анода ускоренными электронами.

Длительность импульса тока взрывной эмиссии t_вэ определяется в основном временем перекрытия промежутка катодным факелом:

t_вэ=d/v, где d –расстояние между электродами;v–скорость распределения катодного факела.

Однако первые пробои при схождении контактов происходят на очень близком расстоянии между ними, что делает вероятность эскалации перенапряжений очень низкой.

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что перенапряжения, в силу специфических процессов в дугогасительных системах, возникают в условиях применения выключателей с любыми дугогасительными системами. Однако вероятность перенапряжений и их величина зависят не только от процессов в дугогасительной системе, но и от параметров сети.

Список литературы

1. Борисов В.В. Особенности дуговых процессов в выключателях 6-35 кВ с различными дугогасящими средами// Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Вып. 7. - 1998. - С. 59-67.
2. Эксплуатация электрических аппаратов/ Г.Н. Александров, А.И. Афанасьев, В.В. Борисов и др ; Под ред. Г.Н. Александрова. - СПб.: Изд. ПЭИПК, 2000. - 307 с.: ил.
3. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений/ Ф.Х. Халилов, Г.А. Евдокунин, В.С. Поляков и др.; Под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2002. - 272 с.: ил.
4. Базуткин В.В., Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х. Ограничение перенапряжений, возникающих при коммутациях индуктивных цепей вакуумными выключателями. - Электричество, 1994, № 2.
5. Руководство по защите электрических сетей 6 -1150 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений/ Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева. - 2-е изд. - СПб.: Изд. ПЭПК, 2000. - 307 с.: ил.
6. Шлейфман И.Л. Коммутационный ресурс масляных выключателей. - Электрические станции, 1991, №5. - С. 76-78.