Динамические характеристики элегазовых выключателей с одной ступенью давления рассмотрим на примере автокомпрессионных элегазовых выключателей.
Характерной особенностью автокомпрессионных элегазовых выключателей является взаимная связь механических, термогазодинамических, дуговых и сетевых процессов при выполнении операции отключения. Для повышения отключающей способности и уменьшения времени срабатывания при отключений, а также уменьшения габаритов дугогасительной камеры необходимо определить влияние параметров выключателя на его динамические характеристики.
Расчетная схема выключателя, в котором дугогасительное устройство выполнено с изоляционным соплом, показана на рис. 1.
Рис. 1 Расчетная схема автокомпрессионного элегазового выключателя
Исходное давление и температура элегаза в камере сжатия К соответственно р = р0, Т= Т0. Движущийся поршень 1, эффективная площадь сечения которого равна 5, имитирует движение подвижной системы элегазового выключателя с приведенной массой m под действием активного усилия привода Fa. При отключении поршень 1 сжимает элегаз в камере К и давление р увеличивается. Сопло подвижного контакта 2 площадью сечения SB открывается после перемещения поршня 1 на ход 1, при х < 1 неподвижный контакт 4 перекрывает сопла выключателя и по контакту 4 скользит подвижный контакт 2 [РК — момент размыкания контактов]. При дальнейшем движении поршня открывается изоляционное сопло 3 (рис. 1) площадью сечения 5С. Дуга 5, которая возникает при размыкании контактов 2, 4, интенсивно охлаждается потоками элегаза.
Импульсный процесс изменения давления в камере сжатия К (нарастание и спад р/ /р) по ходу поршня 1 и расход элегаза пгг (шг ~р0 через сопла дугогасительного устройства зависят от размеров камеры К и сопел, масс подвижных элементов выключателя, параметров привода, среды, энергии дуги и т. д.
Этот процесс предопределяет успешное гашение дуги при заданных номинальных параметрах сети на данном контрольном ходе контактов l2 = 1 — /3 — /1, где /3 — путь торможения; I — длина камеры сжатия К (рис. 1). Период торможения, когда поршень перемещается на пути /2, является заключительной (кратковременной) стадией движения. Затягивание дугогашения до этого этапа опасно, так как вероятность негашения электрической дуги возрастает.
После размыкания контактов для увеличения интенсивности воздействия газового потока на дугу требуется обеспечить предельный (критический) расход элегаза в соплах элегазовых выключателей , т. е. в камере К (см. рис. 1) в период дутья следует поддерживать Pi > Ркр (ял* элегаза ркр = 1,69р). Дополнительное увеличение давления р,- [рис. 631, кривая p*(t)] возникает при горении дуги в межконтактном промежутке элегазового выключателя, когда часть ее энергии (1<2я = кяия1я(11 расходуется на нагрев элегаза в камере К, где кя — эмпирический коэффициент; 11я = Еэг0 — напряжение на дуге, В; Zq — длина дуги зоны 1 (см. рис. 5); 1Я — действующее значение тока дуги, А. С ростом dQa отключающая способность элегазового выключателя увеличивается, что подтверждено экспериментально. Однако, когда мощность дуги Ря = 11Я1Я значительна и диаметр дуги перекрывает горловины сопел, отключающая способность элегазового выключателя уменьшается. В реальных конструкциях элегазовых выключателей давление р* превышает pi (при успешной коммутации) не более чем в 2,5 раза (зарубежные данные).
При проектировании автокомпрессионного элегазового выключателя с одним разрывом частную задачу оптимизации можно представить как поиск параметров элегазовых выключателей , обеспечивающих малое время отключения: tOTK (у) -> min при. заданном токе отключения /о ном, скорости восстановления напряжения на контактах du/dt, где у — совокупность переменных параметров, которые характеризуют конструкцию дугогасительной камеры, газовую среду, привод и т.д.
Решение этой задачи (определение взаимосвязи механических, дуговых и сетевых процессов при выполнении элегазовым выключателем операции отключения) в такой обобщенной постановке в настоящее время затруднено из-за отсутствия достоверной математической модели, характеризующей эти процессы, а также наличия многочисленных переменных и случайных параметров, функциональных ограничений. Поэтому необходимо ввести допущения, а также эмпирические зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований моделей и опытных образцов элегазовых выключателей. Так, для описания динамического процесса в элегазовых выключателях используется энергетический метод расчета газовых систем электрических аппаратов, а элегаз принимается как идеальная рабочая среда. Динамические характеристики силового приводного механизма представляются двумя моделями: П и Г,
Операция отключения должна быть обеспечена на контрольном участке перемещения подвижного контакта (системы) элегазового выключателя. Примем fOTK (у) = = tc (у), где tc = tl + f2, х — = 1г +12 (рис. 2). Для приближенного динамического анализа целесообразно вместо мгновенных значений р,- ввести среднее давление рср в камере К в период дутья t2 при передвижении подвижной системы элегазового выключателя на контрольном участке пути /2.
Рис. 2. Динамические характеристики автокомпрессионного элегазового выключателя
Отметим и критериальные ограничения. В частности, время tc не может быть меньше 0,01, что связано с процессами, протекающими при отключении в сетях переменного напряжения, и возможностями привода. Нецелесообразно иметь tc > 0,06 с, так как быстродействие элегазовых выключателей при отключении токов КЗ, а следовательно, уменьшение продолжительности аварии — важный показатель конкурентоспособности элегазовых выключателей.
Процесс отключения — случайный процесс как по току отключения, времени горения дуги, скорости восстановления напряжения на контактах, так и по возможным перемещениям контактов к моменту гашения дуги.