Елегазови прекъсвачи

 

    Първият елегазов прекъсвач е създаден през 1959 г. от фирмата “Westinghause” - САЩ. Елегазовите прекъсвачи бързо се усъвършенстват. Създадени са многобройни конструкции в целия диапазон от средни и високи напрежения, токове на изключване и комутирани мощности. Благодарение на отличните им дъгогасителни и изолационни качества на елегаза те са несъмнен лидер и изместват другите видове прекъсвачи в областта на високите и свръхвисоките напрежения, а в областта на средните напрежения се конкурират с вакуумните прекъсвачи.

2.1. Елегаз

Елегазът ( съкратено от електротехнически газ ) представлява серен хексафлуорид SF6 ( Sulfur hexafluoride ), на фиг. 21/22/23 е показана структурата на молекулата на елагаза. Той е стабилен и инертен газ, т.е. не образува химически съединения. Високата стабилност на елегаза се дължи на шестте ковалентни връзки в неговата молекула.
Серният хексафлуорид е синтезиран за пръв път в началото на миналия век, през 1901-та година от французите Henri Moissan и Paul  Lebeau нобелови лауреати за принос към Химията за 1906 година.
  

    Елегазът е без цвят, без миризма и негорим ( пожаробезопасен ). Той не е отровен, но някои съединения от разлагането му от високата температура на дъгата са силно отровни и токсични ( S2F10 и SF5Cl ). Елегазът е пет пъти по-тежък от въздуха и е един от най-тежките газове (6,17 g/l).

Звуковата проводимост на елегаза е малка, скоростта на звука в елегаз е три пъти по-ниска отколкото във въздух (138.5 m/s при елегаза, а 330 m/s за въздуха). Конвекцията и охлаждащата способност на елегаза са подобри от тези на въздуха, което позволява да се

    увеличи токовата плътност и да се намали сечението на проводниците, намиращи се в елегаз.


основни електрически качества на елегаза

    а) електрическата якост е по-голяма от тази на повечето изолационни среди и е 2,5 ÷ 5 пъти по-голяма от тази на въздуха ( в зависимост от плътността на елегаза ). Тя зависи от налягането и плътността. При 0,23 МРа разрядното напрежение на елегаза е равно на разрядното напрежение на трансформаторно масло.

На фиг.24 е представена графика на зависимостите на разрядните напрежения на елегаз, въздух и трансформаторно масло от налягането. Линия 1  показва зависимостта на разрядното напрежение от налягането за елегаза, линия 2  за въздуха, а линия 3  на маслото, което не се влияе от налягането.

 б)  дъгогасителната способност на елегаза е много по-добра от тази на въздуха. По време на полупериода на тока дъгата интензивно се охлажда чрез конвекция от продухващия елегаз. Движението на електрони в дъга, горяща в елегаз, е улеснено, вследствие на което намаляват интензитетът на полето, напрежението и енергията на дъгата. В резултат

    се намалява износването на контактите. След преминаване на тока през нулата дъгата угасва благодарение на едновременното действие на два фактора:

  1. бързо охлаждане вследствие на голямата топлопроводност на елегаза и разсейване на топлината на дъговия стълб;
  2. "улавяне" на електроните от електроотрицателните атоми на флуора, получени при разлагане на малко количество елегаз от високата температура на дъгата.

    Вследствие на особеностите на гасене на дъга в елегаз диелектричната якост бързо се възстановява след нулевата стойност на тока. Елегазът се разлага слабо от високата температура на дъгата, след което бързо се възстановява. Това определя стабилността във времето и големия експлоатационен срок на елегазовите прекъсвачи,тъй като не се налага смяна на елегаза. Качествата на елегаза го правят идеалния газ за много видове електрически апарати.
    Основният недостатък на елегаза е относително високата температура на втечняване, която зависи от налягането и плътността. Така например при 0°С той се втечнява при налягане 1,31 МРа, а при -40°С - при 0,35 МРа. За избягване на този недостатък в елегазовите прекъсвачи се работи с по-ниско налягане.

2.2. Конструкции на елегазови прекъсвачи.

    Конструкциите са херметични, тъй като изтичането на елегаз може рязко да влоши качества на прекъсвача. Използваният елегаз трябва да бъде чист ( без примеси и влага и др. замърсители ). Чистотата може да се влоши от разлагането от дъгата на контактни и изолационни материали. За поддържане на чистотата на елегаза се използват абсорбенти.
    Конструкциите на елегазовите прекъсвачи са подобни на въздушните, но са по-прости, по-леки и по-компактни, което се дължи на отличните изолационни и дьгогасителни качества на елегаза. Дъгогасителната камера на елегазов прекъсвач изключва ток от порядъка на 50 кА при номинално напрежение 245 kV. Различието с прямо въздушните прекъсвачи е и в системата за движение на подвижния контакт, което се осигурява от изключваща пружина. Изключването на контактната система в елегаз под налягане е с ограничени комутационни възможности и се използва само в мощностните разединители. В елегазовите прекъсвачи дъгата се продухва от струя елегаз под налягане, което е много по-ефективно и осигурява нейното гасене в края на първия полупериод. Използваните принципи за продухване на дъгата са:
    а) преминаване на елегаз от резервоар с по-високо в резервоар с по-ниско налягане;
    б) автопневматично продухване;
    в) автодъгово ( експанзионно ) продухване, което се дължи на разширяване на елегаза от високата температура на дъгата;
    г) въртене на дъгата с магнитно поле в неподвижен елегаз;
    д) комбинация от горните принципи.
    Първите конструкции на елегазови прекъсвачи имат два резервоара съответно с високо и ниско налягане на елегаз. При изключване на контактите появилата се дъга се продухва от елегаз, изтичащ с голяма скорост през дюза от резервоара с високо в резервоара с ниско налягане. Съществен недостатък на тези конструкции е, че се нуждаят от автономна компресорна уредба, която след комутация да възстанови налягането в резервоарите, а така също и от нагревател за резервоара с по-високо налягане на елегаза ( за избягване на втечняването му при ниски температури ).
    В днешни дни има две основни конструкции на елегазови прекъсвачи за високо напрежение, които се използват масово.

  1. Първата от тях е така наречената „ Dead tank “ показана на фиг.25. При тази конструкция дъгогасителната камера е в заземен метален корпус ( фиг.26 ). По този начин елегаза изпълва металния корпус и изолира частите под напрежение от металния корпус. Откритите проходни изолатори свързват дъгогасителната камера на прекъсвача с високото напрежение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Проходен изолатор;

2. Токов трансформатор;

3. Елегаз;

4. Задвижване;

5. Метален корпус;

6. Дъгогасителна камера;

 

 

 

 

 

   


  1. Втората конструкция е така наречената „ Live tank “ показана на фиг. 27-28. При тази конструкция дъгогасителната камера е поставена в изолатор ( порцеланов или композитен ) с висок потенциал, с нивото на напрежение на изолатора на камерата и изолатора на колоната.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1.Дъгогасителна камера; 2. Подпорен изолатор; 3. Поддържаща конструкция; 4. Блок за управление; 5. Задвижващ механизъм; 6. Индикатор на елегаз; 7. Щанга; 8. Индикатор за вкл. или изкл. състояние; 9.  Кондензатор; 10. Резистор; 11. Изводи.

2.3.  Гасене на дъгата в елегаз.

    В съвременните елегазови прекъсвачи в целия диапазон от номинални напрежения се използва главно автопневматично продухване на дъгата. Струята елегаз, която продухва дъгата, се създава при задвижване от бутало, свързано с подвижния контакт.


2.3.3. Автопневматично продухване.


    Просто автопневматично устройство за продухване на дъгата е показано на чертежа на фиг. 29.

    1. Неподвижен контакт;

    2 .Подвижен контакт;

    3 .Изолационна дюза;

    4 .Неподвижно бутало;

    5 .Преграда с отвори;

    6. Цилиндър;

     

     

    Дъгата се запалва между неподвижния контакт 1 и подвижния контакт 2, заедно с който се движат дюзата от изолационен материал 3, преградата 5 с продухвателни отвори и цилиндърът 6. Неподвижното бутало 4 тласка елегаза през отворите на преградата 5.

    В повечето конструкции на елегазови прекъсвачи разделянето на дъгогасителните контакти и появата на дъга се предшестват от период на предкомпресия, в който се създава известно повишаване на налягането на елегаза.
    Съществуват няколко техники за гасене на дъгата в елегаз на база на тези принципи:

    1)Принцип с различни налягания. Газ, предварително сгъстен в контейнер под налягане, се освобождава чрез клапа и продухва дъгата, преминавайки през кухите контакти в контейнер с ниско налягане. Принципна схема на този начин е показана на фиг. 30.

     

 1. Зона с ниско налягане;

2. Зона с високо налягане;

3. Подвижен контакт;

4.Електрическа дъга;

5.Посока на изтичане на газа;

6.Неподвижен контакт;

 

    2) Принцип с автокомпресия. Тук газът се сгъстява от движението на бутало и продухва дъгата изтичайки през дюза. Принципната схема е показана на фиг. 31.

     

1.Зона с ниско налягане;

2.Зона с високо налягане

3.Подвижен контакт;

4.Неподвижен контакт;

5.Бутало;

6.Посока на изтичане на газа;

7.Електрическа дъга;

 

    3) Принцип с автопневматично и топлинно разширение. Принципа е подобен на този с автокомпресията, на тук има два компресионни обема. Схема на принципа е показана на фиг.32.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    1/2. Обем, осигуряващ ниско налягане за изключване на малки токове.

    3. Обем, ограничен от автоматичното затваряне на клапите, дължащо се на налягането от високата енергия на дъгата.
  1. Принцип с терморазширение. Дъгата се охлажда чрез продухване с газ през дюзата, благодарение на повишеното налягане около контактите, вследствие високата температура. Принципа е показан на фиг.33.

1. Електрическа дъга;

2. Зона с високо налягане;

3. Неподвижен контакт;

4. Посока на изтичане на газа;

5. Подвижен контакт.

 

 

 


    1.  Горен изводи;
    2. Неподвижен контакт;
    3. Дъгогасителни контакти;
    4. Дюза;
    5. Долен извод;
    6. Главен контакт;
    7. Буферен обем;
    8. Оперативен изолатор;

    Принципът на автопневматичното продухване на дъгата се използва в елегазовите прекъсвачи до 800 kV. Във включено положение на прекъсвача ( фиг.34 ) токът от горния 1 до долния 5 извод протича през неподвижния контакт 2 и подвижната контакт 6. Главният контакт 6 и дъгогасителните контакти 3, се задвижват от оперативния изолатор 8 . При движение на подвижната част налягането на елегаза се увеличава и след разделяне на дъгогасителните контакти се появява дъга. Дъгата се продухва от елегаза през отворите между главния и дъгогасителните контакти. Последователността на изключване и включване на прекъсвача е показано на фиг.35.


    А. Включено положение на прекъсвача.
    B. Предкомпресия на елегаза.
    C. Отделяне на дъгогасителните контакти и запалване на дъгата.
    D. Продухване на дъгата с елегаз под налягане.
    E. Изключено положение на прекъсвача.
    F. Включване на прекъсвача и възстановяване на количеството елегаз през дюзите 4.


 

 


    Условията за гасене на дъги с малки и големи токове в дъгогасителните устройства с автопневматично продухване се различават съществено. Дъгите с малки (индуктивни или капацитивни) токове се гасят в края на полупериода и практически без пренапрежения. При гасене на дъги с големи токове ( равни на тока на късо съединение ) се отделя голямо количество енергия, която загрява елегаза. От разширяването му се получава противоналягане, което "запушва" дюзата и пречи на продухването на дъгата. За да се осигури достатъчно голямо налягане и да се гарантира прекъсването на веригата, са необходими по-големи скорости на движение на подвижните части, а оттам и по-голяма енергия на задвижващото устройство. За избягване на този недостатък се усложняват конструкциите на камерите с поставяне на клапани, които се отварят при голямо налягане на елегаза ,но по- често се прибягва до комбиниране на автопневматичния и автодъговия принцип за гасене на дъгата. Изключването на малки токове се дължи на автопневматичното действие на прекъсвача. Повишеното налягане на елегаза вследствие на неговото разширяване при изключване на ток на к.с, го насочва към дъгата и осигурява гасенето й чрез рационална конструкция на дъгогасителната камера.


    На фиг35. е представен цикъла от изключване и включване на прекъсвач използващ две камери за налягане.

    A. Включено състояние на прекъсвача;

    B. Предкомпресия на двете камери за налягане;

    C. Отделяне на дъгогасителните контакти и запалване на дъга;

    D. Продухване на дъгата с елегаз под налягане;

    E. Изключено положение;

    F. Включване на прекъсвача и възстановяване на налягането в двете камери.

     

Отваряне на главните контакти.

 

    Няма възникване на електрическа дъга, докато токът тече през контактите на дъгата. По време на този процес подвижната част компресира газа, който се съдържа в долната камера. Така компресираният газ тече от долната камера към горната камера, като по този начин и в двете камери налягането се изравнява.


     Отваряне на дъговите контакти.

     

    Тук вече токът тече благодарение на електрическата дъга, която възниква между контактите на дъгата. Газът не може да излезе през дюзата, защото отворът е все още затворен от неподвижния дъгов контакт. Той също не може да излезе и през вътрешната страна на подвижния дъгов контакт, защото електрическата дъга го затваря.
    При ниските токове, когато токът преминава през нулевата си стойност и дъгата угасва, газа тече през контактите. Поради достигнатото ниско налягане токът не може да бъде срязан, но малкото количество газ, което успява да „избяга" е достатъчно, за да възстанови диелектричната якост между двата контакта, като предотвратява повторното възникване на дъгата при предния фронт на възвръщащото се напрежение.
    При голям ток на късо съединение вълната от налягане, генерирана от електрическата дъга, затваря клапана между двете камери, като по този начин прекъсвачът започва да работи като „чист собствен вятър". Налягането се увеличава в горния обем, благодарение на загряването на газа и молекулярната дисоциация, в следствие на високата температура. Нарастването на генерираното налягане е пропорционално на тока на дъгата и осигурява сигурното гасене при първото преминаване през нулевата стойност на тока.
    Изключен прекъсвач.Електрическата дъга е прекъсната, самогенерираното налягане в горния обем намалява, защото газа тече през контактите. Клапанът се отваря отново, като по този начин постъпва поток от нов газ. Така апаратът е готов незабавно да се затвори отново и да използва максималния си прекъсващ капацитет.