Оценка величин тока в вакуумных дугогасительных камерах полюса высоковольтного выключателя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316

Е.В. Мазеев, В.В. Муллин

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИН ТОКА В ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ ПОЛЮСА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Проведен анализ величины различия токов дугогасительных камер высоковольного выключателя. Показана целесообразность построения такого выключателя на базе камер с аксиальным магнитным полем.

Полюс выключателя, дугогасительная камера, емкость «шина-земля», различие токов

E.V. Maseev, V.V. Mullin

EVALUATION OF THE CURRENTS WITHIN THE VACUUM INTERRUPTERS OPERATING UNDER HIGH-VOLTAGE CIRCUIT BREAKER POLE

Variations of current in high-voltage vacuum interrupters is analyzed. Advantages of high-voltage circuit breakers using vacuum interrupters with vacuum arcs controlled by axial magnetic field are highlighted.

Circuit breaker pole, vacuum interrupter, bus-to-ground capacity, variation of currents

Выключатели, предназначенные для коммутации цепей переменного тока с напряжением более 100 кВ, строятся на базе последовательно включенных вакуумных дугогасительных камер (ВДК) [1]. Камеры входят в состав полюса, в котором они соединены медными шинами. Этим обусловлено появление емкостей «шина-земля», вследствие чего ВДК в одном полюсе находятся в разных условиях, поскольку отличаются величинами протекающих по ним токам.

Ниже проводится оценка различия токов, протекающих в двух ВДК в составе одного полюса. Полюса с таким числом ВДК получили наибольшее применение.

Рис. 1. Эквивалентная схема полюса выключателя на ВДК

При оценке используется эквивалентная схема, приведенная на рис. 1. Как видно, две ВДК (резисторы R1 и R2) и емкость «шина-земля» (конденсатор Сш-э) отражены в виде Т-образного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление Zн = Rн + ]Хн.

Отношение токов, протекающих в ВДК полюса, можно рассматривать как коэффициент передачи по току четырехполюсника рис. 1. Величина этого коэффициента определяется соотношением [2]

Кг = (А2х2н + А22), (1)

где А2х и А22 - элементы матрицы передачи рассматриваемого четырехполюсника. Откуда отношение величин токов ВДК полюса выключателя

-1-0,5

1+

Хс

2 + (Rн±R2 '2

Хс

(2)

где И2 - суммарное сопротивление ВДК на выходе полюса и половины шины, соединяющей ВДК в полюсе, Хс - сопротивление емкости «шина-земля».

На рис. 2 приведены результаты расчета по соотношению (2), иллюстрирующие зависимость различия величин токов ВДК в полюсе от сопротивления нагрузки и ее характера. Эти результаты соответствуют случаям, когда контакты ВКД замкнуты и когда между ними горит дуга. Из расчета следует, что при активном сопротивлении нагрузки и индуктивном характере его реактивной компоненты величина тока в ВДК на выходе полюса меньше тока ВДК на его входе. При емкостном характере реактивного сопротивления нагрузки возможны случаи, когда ток в ВДК на выходе полюса будет превышать ток ВДК на его входе. Из данных расчета также следует увеличение различия токов ВДК при увеличении емкости «шина-земля». Как известно, величина емкости «шина-земля» при горизонтальном варианте конструкции полюса меньше, чем при вертикальном. Следовательно, в случае горизонтальной конструкции полюса различие токов ВДК в его составе будет меньше.

При оценке различия токов в ВДК в случае горения дуги между разведенными контактами величина сопротивления И2 в соотношении (2) должна определяться с учетом характера зависимости напряжения от тока вакуумной дуги. Типичный вид вольт-амперной характеристики вакуумной дуги представлен на рис. 3. Вакуумная дуга может пребывать в двух формах: диффузной и сжатой [3]. Диффузной форме соответствует пологая часть вольт-амперной характеристики, сжатой форме соответствует участок с резким изменением напряжения при изменении тока. Токовая граница перехода дуги из одного состояния другое на рис. 3 обозначена как 18. Размыкание контактов ВДК осуществляется, как правило, также в двух случаях; при номинальном токе, при котором дуга находится в диффузной форме, и при токе короткого замыкания. При токах, соответствующих пологому участку вольт-амперной характеристики дуги, сопротивление ВДК мало. Поэтому в случае размыкания контактов при номинальном токе, при активном сопротивлении нагрузки и малых значениях параметра Ин/Хс величины токов обеих ВДК полюса, как и величины их сопротивлений не сильно отличаются друг от друга. Следовательно, в данном случае условия в ВДК полюса при размыкании цепи отличаются несущественно.

1—1 ■Г

_4

3

>

1

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5

Хг

Рис. 2. Расчетные зависимости различия токов в ВДК полюса от величин параметров эквивалентной схемы: 1 - Хн/Хс = + 0,10; 2 - Хн/Хс = + 0,05; 3 - Хн/Хс = 0; 4 - Хн/Хс = - 0,05; 5 - Хн/Хс = - 0,10)

Различие токов в ВДК полюса при коммутации токов короткого замыкания определяется соотношением

1-0,5

к= її

і К2

1 + —2

. Х2

(3)

2

1

^ "Цдуг^В

1 1 —:—^

10 102 103 Is ю4 IА

Рис. 3. Типовая вольт-амперная характеристика вакуумной дуги

При этом необходимо учитывать, что условия в ВДК при размыкании токов короткого замыкания зависят от конструкции узлов контактов, которой формируется магнитное поле между разведенными контактами при наличии дуги. Известно, что в ВДК используется как аксиальное, так и поперечное магнитное поле. С помощью аксиального магнитного поля осуществляется смещение условий формирования сжатой формы дуги в сторону больших токов. Поэтому размыкание цепи при токах короткого замыкания в ВДК с аксиальным магнитным полем происходит на пологом участке вольт-амперной характеристики вакуумной дуги, как и размыкание цепи при номинальных токах. В ВДК с поперечным магнитным полем размыкание цепи при токе короткого замыкания, в отличие от размыкания при номинальных токах, происходит на участке вольт-амперной характеристики с резкой зависимостью напряжения от тока.

Как следует из рис. 3, сопротивление вакуумной дуги в сжатом ее состоянии может существенно превышать сопротивление дуги в диффузном состоянии. При этом величина сопротивления дуги в диффузном состоянии практически не зависит от тока. Поэтому если в ВДК используется аксиальное магнитное поле, то отличие их режимов при отключении токов короткого замыкания будут малы. При использовании поперечного магнитного поля при размыкании токов короткого замыкания величины токов в ВДК полюса могут отличаться. Если к тому же учитывать резкую зависимость напряжения дуги от тока в сжатом состоянии, то это отличие может быть существенным.

Контакты ВДК, через которые течет больший ток, а следовательно, к которым приложено большее напряжение, подвержены большей тепловой нагрузке. В результате в такой ВДК понижен коммутационный ресурс, что отражается на коммутационном ресурсе полюса. Таким образом, из проведенного анализа следует, по коммутационному ресурсу полюс, в котором используются ВДК с аксиальным магнитным полем, имеет преимущество перед полюсом, в котором используются ВДК с аксиальным магнитным полем. Этим обосновывается целесообразность построения полюса выключателя на ВДК с аксиальным магнитным полем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Slade P.G. The Vacuum Interrupter I P.G. Slade II Theory, Design und Application. CPC Press. 2008. 510 p.

2. Атабеков Г.И. Основы теории цепей I Г.И. Атабеков I СПб.: Лань, 2006. 423 с.

3. Школьник С.М. Вакуумная дуга I С.М. Школьник II Энциклопедия. Низкотемпературная плазма. М.: Наука, 2000. Т. 2. С. 115-132.

Мазеев Евгений Валентинович -

кандидат технических наук, ассистент кафедры «Электротехника и электроника»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Муллин Виктор Валентинович -

кандидат технических наук,

Генеральный директор ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов

Статья поступила в редакцию 27.02.12, принята к опубликованию 06.09.12

УДК 621.316.

36

Maseev Evgeny Valentinovich -

Ph.D., Assistant Lecturer Department of Electrical Engineering and Electronics

Gagarin Saratov State Technical University

Mullin Victor Valentinovich -

Ph. D.

Director General: JSC «NPP Kontakt»