Как и метод отключения в вакууме, технология отключения в элегазе была разработана в 70-е годы. Элегаз или шестрифтористая сера (SF6) – это газ, который обладает многочисленными ценными химическими и диэлектрическими свойствами. Это незагрязняющий газ, бесцветный, без запаха, не воспламеняющийся и нетоксичный в чистом виде. Не растворяется в воде. Элегаз химически инертный характеризуется тем, что его молекула имеет все насыщенные химические связи и большую энергию диссоциации (+1096 кДж/моль), а также обладает высокой способностью отвода тепла, создаваемого дугой (повышенная энтальпия). Элегаз, во время прохождения электрической дуги, под действием температуры, разлагается. При уменьшении тока температура понижается, и при этом ионы и электроны рекомбинируются, чтобы составить молекулу элегаза. Элегаз обладает очень высокой электрической прочностью благодаря крайне электроотрицательным свойствам фтора:
- время жизни свободных электронов фтора остается очень коротким, и они образуют с молекулами элегаза малоподвижные тяжелые ионы. Таким образом, вероятность возникновения лавинного электрического пробоя замедляется;
- в среде элегаза постоянная времени деионизации имеет чрезвычайно малое значение, порядка 0,25 мкс.
В элегазовых устройствах контакты находятся внутри закрытого корпуса, заполненного газом, давление в котором изменяется в зависимости от напряжения и расчетных параметров. Такой корпус, как правило, изготавливается наглухо запаянным на весь срок службы, поскольку коэффициент утечки очень низкий. Для данных устройств отключения можно устанавливать системы измерения давления или плотности с тем, чтобы обеспечить постоянный контроль давления газа в корпусе. Имеются несколько технологий отключения элегазовых устройств, которые различаются по способу охлаждения дуги, а также имеют разные характеристики и области применения.
Технология отключения методом автокомпрессии.
Для выключателей с данной технологией гашение дуги происходит за счет расширения объема элегаза, сжатого нагнетанием. При отключении устройства цилиндр, соединенный с подвижным контактом, перемещается и сжимает некоторый объем элегаза. Через дугогасительное сопло газ поступает на ось дуги, которая, в свою очередь, выталкивается на полые контакты. При протекании тока большой силы дуга производит эффект заглушки, что способствует накоплению сжатого газа. При подходе тока к нулю дуга сначала охлаждается, а затем гасится благодаря инжекции новых молекул элегаза. Среднее значение напряжения дуги составляет от 300 до 500 В. Эта технология позволяет без труда отключать любой ток вплоть до значений отключающей способности, не создавая критический ток, так как энергия, необходимая для гашения дуги, образуется за счет механического управления и, следовательно, не зависит от тока отключения. Принцип автокомпрессии является наиболее давним. Он использовался во всех типах выключателей общего применения. Автокомпрессия не вызывает слишком большие перенапряжения, так как обрыв тока маловероятен и нет риска последовательных повторных зажиганий. Выключатели с автокомпрессией хорошо адаптированы для управления конденсаторными батареями, так как, с одной стороны, создают очень малую вероятность повторного пробоя, а, с другой стороны, имеют большую стойкость к току включения.
Технология отключения методом вращающейся дуги.
По этой технологии дуга гасится в результате собственного относительного движения в элегазе. Вращение дуги с очень большой скоростью (которая может превышать скорость звука при атмосферном давлении) возникает под действием магнитного поля, создаваемого катушкой, в обмотке которой проходит ток повреждения.
При размыкании главных контактов ток коммутируется на катушку, и создается аксиальное магнитное поле. Равнодействующая сила Лапласа ускоряет круговое движение дуги. Контакты дуги имеют форму круговых дорожек, которые могут быть либо концентрическими (радиальная дуга и аксиальное поле), либо расположенными друг напротив друга. В результате, происходит равномерное охлаждение дуги в элегазе. Таким образом, мощность охлаждения устройства зависит непосредственно от силы тока короткого замыкания, что обеспечивает этим устройствам хорошую отключающую способность при малых затратах коммутационной энергии: энергия, необходимая для отключения, полностью создается дугой, и слабый ток отключается без обрыва и перенапряжения. Благодаря быстрому движению оснований дуги области с высокой температурой, выделяющие пары металла, не образуются, и эрозия контактов является минимальной, в частности, в случае использования аксиальной геометрии. Технология отключения с помощью вращающейся дуги хорошо подходит для управления машинами, чувствительными к перенапряжениям, например, для двигателей среднего напряжения (СН) и генераторов переменного тока. Большой срок службы устройств за счет слабого износа контактов и низкой энергии управления делает эту технологию очень привлекательной для применения при многократных коммутационных операциях (функция контактора).
Технология отключения методом саморасширения.
В этой технологии используется тепловая энергия, рассеиваемая дугой, для повышения давления в небольшом объеме элегаза, который выходит через отверстие, где проходит дуга. Пока в дуге сохраняется большой ток, он действует как заглушка и препятствует выходу газа через отверстие. Холодный газ, блокированный в этом объеме, имеет некоторую температуру, которая повышается из-за рассеяния тепла дуги (в основном, в результате излучения), таким образом, давление газа тоже повышается. При прохождении тока через нуль образовавшаяся «заглушка» исчезает, элегаз расширяется и гасит дугу. Эффект гашения дутьем зависит от силы тока, когда обеспечивается малая энергия управления и хорошее отключение. Были разработаны два способа управления электрической дугой, управление механическое и магнитное управление, которые позволяют стабилизировать дугу в зоне гашения дутьем. При механическом управлении поддерживается постоянное горение дуги, центрированная между двумя контактами с помощью изолирующих перегородок, которые удерживают поток газа аналогично тому, как действуют сопла, используемые при автокомпрессии. Эта технология, освоенная всеми крупными производителями, является простой и надежной, но при ее использовании увеличивается энергия, необходимая для управления. Магнитное управление при правильно рассчитанном магнитном поле позволяет центрировать дугу в зоне расширения элегаза, приводя ее во вращательное движение, подобно технологии вращающейся дуги. Преимущество этого метода магнитного управления, требующего очень точного расчета, состоит в том, что он позволяет исключить присутствие каких-либо других материалов, кроме элегаза, в зоне дуги. Термодинамический КПД является оптимальным, и элегаз сохраняет все свои электроизоляционные свойства. Таким образом, поскольку изоляционное расстояние можно сократить до минимума, обеспечивается малая необходимая энергия управления. Эта технология, разработанная для отключения тока повреждения, хорошо подходит для отключения емкостного тока, так как рассчитана на ток перегрузки и перенапряжение. Данный метод также используется для отключения слабых индуктивных токов.
Рабочие характеристики, полученные благодаря сочетанию теплового расширения и вращающейся дуги, позволяют рассматривать возможность использования этих технологий для выключателей при очень жестких требованиях к применению, например, для защиты генераторов переменного тока на электростанциях или при необходимости обеспечить высокую износостойкость устройств.
В завершении хочется отметить что элегаз обладает исключительной входной-выходной изоляцией, которая обеспечивает устойчивые функции изолирования. При снижении давления элегаза до атмосферного сохраняются 80% рабочих характеристик.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
