Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, стр. 61-67

1. ВВЕДЕНИЕ

Увеличивающаяся сложность энергетических систем при одновременном повышении требований к их безопасности и экологичности требует непрерывного развития конструкций и принципов построения отключающих защитных устройств [1, 2]. Компонентами, обеспечивающими защиту линий передачи электрической энергии от грозовых и коммутационных перенапряжений, являются системы грозозащитных тросов, газовые разрядники и нелинейные ограничители перенапряжения [3–5].

В настоящее время производятся и широко используются коммерческие защитные устройства – мультикамерные разрядники, работа которых основана на пробое серии последовательных газовых зазоров между электродами в открытых в атмосферу разрядных камерах [5, 6]. Такие разрядники при прохождении сильного тока испытывают критический уровень нагрузок c большим износом элементов конструкции [7–11]. Для уменьшения износа и повышения отключающей способности простую конструкцию разрядников различным образом модифицируют [5, 6, 10, 12, 13] для минимизации времени горения дуги и предотвращения повторного пробоя после нуля тока. В частности, добавление вблизи электродов дополнительных газовых объемов приводит к улучшению отключающей способности таких разрядников [14]. Предполагается, что поток газа из этих объемов после прохождения импульса тока обеспечивает дополнительное охлаждение остаточного канала [15].

Развитие данного способа повышения отключающей способности защитных разрядников может быть сопряжено с использованием метода синхронной газовой инжекции (с.г.и.) в мощных выключателях тока [16, 17], т.е. с впрыском холодного газа в область горения дуги в период прохождения тока через ноль. При импульсном впрыске в строго определенный момент времени [18] холодный газ, взаимодействуя с остаточным следом плазмы, поглощает энергию дуги, выделяемую в межконтактном промежутке, способствует деформации дуг отключения, повышает турбулизацию потока и ускоряет процесс деионизации и восстановления электрической прочности между дугогасительными контактами.

Описанный ниже экспериментальный стенд предназначен для исследования эффективности дугогашения с помощью с.г.и. и определения оптимальных параметров воздействия на дугу. Стенд построен на основе существующей инфраструктуры стендов для испытания молниезащитных устройств [19] и мощных коммутаторов тока [20–22].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка для исследования дугогасительных процессов включает в себя разрядную камеру, рассчитанную на токи амплитудой до 500 кА и импульсное давление до 10 МПа, разрядный контур и систему газоподачи, обеспечивающую впрыск холодного газа в камеру в заданное время. Электрическая схема стенда показана на рис. 1. Основной разрядный контур состоит из конденсаторной батареи C₁ емкостью 38 мФ, индуктивности L₁ 250 мкГн и схемы R₁–C₂ формирования переходного восстанавливающегося напряжения. При таких значениях емкости и индуктивности длительность первого полупериода тока составляет 10 мс, т.е. моделируется промышленная частота 50 Гц. Батарея С₁ соединена с остальными элементами комплекса через токовый коллектор X₁. Она коммутируется на нагрузку Q₁ при помощи двух воздушных разрядников (тригатронов) K₁. Параметры разрядной цепи рассчитаны так, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к испытаниям выключающих аппаратов переменного тока [23, 24].

Рис. 1.

Схема испытательного стенда. C₁ – конденсаторная батарея; X₁ – токовый коллектор; L₁ – индуктивный реактор; R₁–C₂ – схема формирования переходного восстанавливающегося напряжения; Q₁ – нагрузка; K₁ – воздушный разрядник (тригатрон); F₁ – проволочка; K₂ – тиристорный ключ; C₃ – конденсаторная батарея для взрыва проволочки.

На рис. 2 представлена общая схема разрядной камеры, а на рис. 3 – разрядная камера на испытательном стенде. Корпус разрядной камеры (1 на рис. 2) выполнен из нержавеющей стали, внутри камеры находится подвижный поршень 2 из полиацетали, который позволяет моделировать расхождение контактов. К поршню крепится держатель электродов 3, который соединен с земляной шиной при помощи гибких медных проводов, проложенных в поликарбонатовой трубке 5, проходящей через поршень. На противоположный конец держателя электродов навинчен стрежневой электрод 4. Второй электрод 6 имеет форму кольца и крепится на токовводе 7, изолированном от корпуса камеры. К токовводу подключена шина высокого напряжения. Токоввод полый, с внутренним диаметром 25 мм, через отверстие в токовводе газ, нагретый дугой, истекает из камеры. Стержневой электрод изготовлен из псевдосплава МВД (50% Mo, 40% W, 10% Cu), кольцевой электрод – из МВД или меди.

Рис. 2.

Разрядная камера. 1 – корпус разрядной камеры; 2 – подвижный поршень; 3 – держатель электродов; 4 – стержневой электрод; 5 – трубка с токопроводом; 6 – кольцевой электрод; 7 – токоввод; 8 – газовый объем; 9 – диафрагменный узел; 10 – диафрагма; 11 – взрывающаяся проволочка; 12 – газовое сопло.

Рис. 3.

Разрядная камера на испытательном стенде.

Перпендикулярно оси камеры расположены два диагностических окна, через которые может проводиться высокоскоростная съемка. В корпусе камеры также имеется отверстие для измерения импульсного давления в разрядном объеме.

Система газоподачи включает в себя 50-литровый баллон со сжатым газом (азот, воздух), который при помощи гальванически развязанной от установки газовой магистрали соединен с литровым объемом 8 для впрыска газа. Между литровым баллоном и разрядной камерой размещен диафрагменный узел 9, изготовленный из ударопрочного поликарбоната. Диафрагма 10 составлена из 2–4 слоев лавсановой пленки толщиной 75 мкм. Давление разрыва диафрагмы из одного слоя пленки составляет примерно 1.2 МПа, из 4-х слоев – примерно 4.8 МПа. Между слоями пленки проложена медная проволочка (11 на рис. 2 и F₁ на рис. 1), подключенная к схеме поджига, которая может запускаться с регулируемой задержкой. Взрыв проволочки вызывает разрыв диафрагмы, что позволяет обеспечить нужный момент впрыска газа в камеру. Продув газа из объема 8 через разрядную камеру осуществляется через трубку 12 с внутренним диаметром 12 мм на выходе из диафрагменного узла; ее конец расположен между электродами на расстоянии примерно 3 см от оси камеры.

Электрическая схема поджига проволочки в диафрагменном узле показана на общей схеме на рис. 1. Взрыв проволочки F₁ происходит при разряде конденсатора С₃ через тиристорный ключ K₂. Времена начала разряда основного контура и взрыва проволочки в диафрагменном узле задавались синхроимпульсами sync1 и sync2 с генератора задержанных импульсов.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Описание методов диагностики и системы измерений, реализованных на стенде и использовавшихся при проведении экспериментов, представлено в работе [21]. Разрядный ток измеряли поясом Роговского. Для измерения падения напряжения на дуге использовались два высокоомных резистивных делителя 1:1000 с емкостной развязкой. Первый подключался к токовводу (7 на рис. 2), а второй – к месту соединения идущих от держателя электродов 3 гибких медных проводов с токоведущей земляной шиной. Величина падения напряжения на дуге определялась как разность между сигналами делителей. Для регистрации импульсного давления в разрядной камере использовался пьезоэлектрический датчик мембранного типа Т-500 (ФКП НИИМ, Нижний Тагил, Россия). В проведенных экспериментах межэлектродное расстояние составляло 2.5 см, разрядный объем был примерно равен 0.5 дм³. Разряд инициировался при помощи медной проволочки диаметром 0.3 мм, соединяющей в начальный момент электроды. Кольцевой электрод в начальный момент при инициировании дуги служил анодом.

Эксперименты на установке проводились следующим образом. В баллон 8 закачивался газ до давления 3 МПа. Затем конденсаторная батарея заряжалась до необходимого напряжения, и осуществлялся запуск тригатронов, регистрирующей аппаратуры и, с необходимой задержкой, схемы разрыва диафрагм.

Давление в объеме 8 выбиралось на основе оценочных расчетов [18], которые показали, что для эффективного локального охлаждения канала разряда на нашей установке необходимо, чтобы впрыск холодного газа в область горения дуги начинался за 2–3 мс до прохождения тока через ноль, а давление на срезе инжекционной трубки превышало давление в разрядном объеме не менее чем в два раза. Согласно данным отладочных экспериментов, при зарядном напряжении батареи 1.5–2.5 кВ в указанный промежуток времени давление в разрядной камере составляет 0.5–1 МПа. Таким образом, при начальном давлении в инжекторном объеме примерно 3 МПа указанное выше условие должно выполняться.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

На рис. 4 представлены осциллограммы падения напряжения на разрядном промежутке и тока в цепи при зарядном напряжении батареи 2 кВ, а на рис. 5 показаны соответствующие сигналы давления в разрядной камере при формировании с.г.и. на 6-й, 8-й и 10-й миллисекунде от начала тока (т.е. за 4 и 2 мс до и в момент перехода тока через ноль). При подаче холодного газа в разрядный промежуток регистрировались соответствующее повышение давления в разрядной камере и синхронный с ним рост падения напряжения на дуге.

Рис. 4.

Разрядный ток и напряжение на разрядном промежутке при начале газовой инжекции начиная с: 6-й (1), 8-й (2), 10-й миллисекунды (3).

Рис. 5.

Давление в разрядной камере при начале газовой инжекции начиная с: 6-й (1), 8-й (2), 10-й миллисекунды (3). Ток и напряжение показаны на рис. 4.

Действие с.г.и. на область горения дуги длится ~1.5–2 мс. После разрыва диафрагмы за время ~300 мкс формируется квазистационарная сверхзвуковая газовая струя, продувающая область разрядного канала в течение ~1.5 мс до соответствующего снижения давления в литровом объеме. Теневые изображения формирования струи после разрыва диафрагмы показаны на рис. 6.

Рис. 6.

Теневые фотографии формирования струи холодного газа в разрядной камере после разрыва диафрагмы: 1 – кольцевой электрод, 2 – стержневой электрод, 3 – торец газового сопла. Стрелками показаны скачки плотности на фронте и границе импульсной струи. Время между кадрами 100 мкс.

Процесс деформации и гашения дуги под действием с.г.и. при газовой инжекции начиная с 8 мс от начала разряда показан на скоростных фотографиях на рис. 7, которые соответствуют эксперименту, показанному на рис. 4 и 5 семейством кривых 2.

Рис. 7.

Скоростные изображения (а–г) воздействия струи холодного газа на дугу при газовой инжекции начиная с 8-й миллисекунды при времени между кадрами 400 мкс: 1 – кольцевой электрод, 2 – стержневой электрод, 3 – торец газового сопла. Время первого кадра соответствует 8-й миллисекунде эксперимента, представленного семейством кривых 2 на рис. 4 и 5.

При слишком ранней и поздней организации газового дутья происходит повторное зажигание дуги после прохождения нуля тока. На рис. 4 на кривой 3 присутствует обратная полуволна тока, что свидетельствует о повторном зажигании дуги при поздней организации газового дутья с 10-й миллисекунды. При оптимальном выборе времени с.г.и. происходит гашение дуги, и на осциллограмме отсутствует обратная полуволна тока.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создана экспериментальная установка для моделирования и исследования воздействия с.г.и. на гашение мощной дуги в защитных выключающих устройствах. Параметры экспериментов были близки к характерным для газоразрядных молниезащитных устройств. Предварительные результаты, полученные на установке, показали, что использование с.г.и. повышает отключающую способность таких устройств. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию реализации метода с.г.и. с целью повышения отключающей способности и адаптацию метода к технически и экономически оправданному использованию в реальных защитных устройствах.