4. ANALIZA NARAŻEŃ TRANSFORMATORÓW OD PRZEPIĘĆ
4.2. Zjawiska w komorach wyłączników próżniowych
Mechanizm palenia się łuku elektrycznego w próżni i sposoby gaszenia łuku w wyłącznikach próżniowych
Łuk próżniowy jest wyładowaniem elektrycznym w powietrzu przy ciśnieniu w zakresie
od 10 –2 Pa do 10 –5 Pa, przy czym średnia droga swobodna cząsteczki wynosi przeciętnie kilka metrów. W takich warunkach, przy odległościach między stykami wyłączników próżniowych wynoszących kilka milimetrów, prawdopodobieństwo inicjowania i podtrzymywania wyładowania łukowego w drodze jonizacji zderzeniowej jest bardzo małe. W łuku próżniowym, elektrony przewodnictwa pojawiają się głównie w wyniku:
− zjawiska termoemisji elektrod,
− jonizacji par metalu w strefie przykatodowej.
Rozwój wyładowania w próżni zależy od właściwości materiału elektrod. Podczas palenia się łuku stan próżni jest zaburzony przepływem cząstek, jednakże po jego zgaszeniu właściwości środowiska bardzo szybko wracają do stanu początkowego.
Łuk jest zjawiskiem niepożądanym w eksploatacji, gdyż niekorzystnie wpływa na pracę łączników próżniowych - głównie na ich trwałość łączeniową - i jest trudny do zgaszenia. W celu eliminacji łuku stosowane są komory próżniowe z:
poprzecznym polem magnetycznym (Rys. 4.2a), podłużnym polem magnetycznym (Rys. 4.2b).
Rys. 4.2. Schematy konstrukcji zestyków w komorach wyłączników próżniowych: a) komora z polem magnetycznym podłużnym, b) komora z polem magnetycznym poprzecznym (promieniowym): 1 – kierunek linii pola magnetycznego, 2 – powierzchnia styczności, 3 – elektroda
pierścieniowa, 4 – cewka, 5 – trzpień [77, 129]
Komory próżniowe z polem magnetycznym poprzecznym są stosowane między innymi w wyłącznikach typu VD4 produkcji ABB [129].
Konsekwencją zjawisk, występujących podczas przerywania łuku w próżni jest:
szybsza niż w innych mediach dyfuzja zjonizowanych cząstek plazmy z przestrzeni międzystykowej otwierającego się łącznika, po przejściu prądu łuku przez zero – trwająca kilka mikrosekund,
duża prędkość narastania wytrzymałości elektrycznej przerwy połukowej w próżni, przewyższająca wielokrotnie prędkości narastania wytrzymałości w innych mediach stosowanych w wyłącznikach do gaszenia łuku elektrycznego, ucinanie prądu przed naturalnym przejściem przez zero.
Wytrzymałość połukowa przerwy międzystykowej w próżni
Wytrzymałość elektryczna przerwy izolacyjnej w próżni w wyłącznikach, w warunkach
dynamicznych zbliżonych do warunków łączeniowych, osiąga wartości dziesiątków kilowoltów. Jest zależna od materiału, z którego wykonane są elektrody, ich wymiarów oraz kształtu i jest znacznie większa od wytrzymałości elektrycznej innych mediów izolacyjnych stosowanych w łącznikach (Rys. 4.3).
Rys. 4.3. Zależności uwp=f(d) wyznaczone w próżni dla wybranych materiałów stykowych: uwp – napięcie przeskoku, d – odległość między stykami łącznika [12]
Rys. 4.4. Zależności uwp = f(t) dla przerwy połukowej w próżni przy ciśnieniu p = 10– 4 Pa oraz dla wybranych gazów przy ciśnieniu p = 0,1 MPa: uwp – napięcie przeskoku,
t – czas od momentu zgaszenia łuku [128] Be Ag Zn 100 80 60 40 20 0 10 20 30 40 10 100 1000 10000 1 próżnia SF6 O2 H2 60 40 20 0 uwp, kV d, mm uwp, kV t,µs
Czas odzyskania pełnej wytrzymałości elektrycznej przerwy międzystykowej wyłączników próżniowych jest znacznie krótszy od czasu odzyskania wytrzymałości powrotnej dla innych wyłączników (Rys. 4.4).
Wytrzymałość elektryczna przestrzeni połukowej międzystykowej w próżni zależy od właściwości fizycznych plazmy łuku próżniowego. Najważniejsze z tych czynników to:
zanik prądu połukowego, który jest związany z obecnością elektronów i jonów. Zjawisko wpływa na wytrzymałość przerwy między stykami bezpośrednio po przejściu prądu łuku przez zero, trwającej zwykle od kilkunastu do kilkudziesięciu mikrosekund (faza wczesna wytrzymałości elektrycznej przerwy między stykami), zanik cząsteczek neutralnych oraz mikrokropli metalu. Proces ten powoduje
zmniejszenie wytrzymałości elektrycznej przerwy międzystykowej (faza późna wytrzymałości elektrycznej przerwy międzystykowej) wskutek zjawisk termicznych, występujących na powierzchni styków oraz zaniku cząstek neutralnych i mikrokropli metalu po minięciu fazy wczesnej wytrzymałości elektrycznej przerwy między stykami wyłącznika próżniowego.
Mechanizm ucinania prądu w wyłącznikach próżniowych
W wyłącznikach próżniowych wyróżnia się zjawiska: naturalnego ucinania prądu,
wirtualnego ucinania prądu.
Zjawisko naturalnego (rzeczywistego) ucinania prądu, zwykle o wartościach nie
przekraczających kilku amperów powoduje powstawanie przepięć w przypadku wyłączania elementów układu o dużej indukcyjności, na przykład transformatorów i maszyn elektrycznych pracujących na biegu jałowym lub dławików.
W układach gaszeniowych próżniowych ucinanie prądu jest spowodowane procesem przykatodowym, wynikającym z obniżenia się wydajności emisyjnej katody przy małych natężeniach prądu. W miarę zmniejszania się wartości chwilowych prądu łuku próżniowego podczas zbliżania się przebiegu sinusoidalnego wyłączanego prądu przemiennego do zera, zmniejsza się średnia wartość prądu pomiędzy stykami. Graniczna wartość prądu, przy której łuk w komorze próżniowej nie pali się stabilnie, nazywa się minimalnym prądem stabilnego
palenia się łuku (prądem zapoczątkowania niestabilności) Imin. (Rys. 4.5) Dla prądów
mniejszych od Imin następuje chwilowe przygasanie i regeneracja łuku. W obwodzie pojawia
się prąd dużej częstotliwości ihf, zamykający się przez pojemności strony zasilającej i odbiorczej oraz wyłącznik, który nakłada się na składową podstawową prądu. W wyniku nałożenia się tych prądów wartości chwilowe prądu łuku okresowo osiągają wartości zbliżone do zera. Podczas kolejnego zbliżenia łuk gaśnie przy wartości chwilowej prądu łuku Iu, dla której oscylacja prądu ihf osiąga wartość minimalną, przy której łuk nie jest podtrzymany. Następuje wówczas przerwanie obwodu przy niezerowej wartości chwilowej prądu składowej podstawowej Iu, zwanej prądem ucięcia.
Rys. 4.5. Stylizowany przebieg wyłączania prądu przemiennego w komorze wyłącznika próżniowego: Imin− minimalny prąd stabilnego palenia się łuku, Iu− prąd ucięcia, iuh − prąd przy którym gaśnie łuk
elektryczny w wyłączniku próżniowym, ihf – składowa wysokoczęstotliwościowa prądu [128]
Wartość minimalnego prądu stabilnego palenia się łuku Imin zależy przede wszystkim od materiału styków wyłącznika próżniowego (Tabela 4.1), natomiast przebieg prądu dużej częstotliwości ihf – od parametrów łączonego obwodu elektrycznego.
Tabela 4.1. Wartości średnie prądów ucięcia Iu oraz minimalny prąd stabilnego palenia się łuku Imin niektórych jednorodnych materiałów stykowych łączników próżniowych (granice zakresów
prądowych odpowiadają wartościom minimalnym i maksymalnym z różnych pozycji literaturowych) [128]
materiał
stykowy W Cu Ag A1 Bi Sb
Iu A 5,6–21 5,4 – 18 3,4–7,5 2,7 – 13 1,0–1,7 0,3 – 0,6
Imin A 40 15 – 18 12 4 1,2 0,8
Wartość prądu ucięcia Iu (Rys. 4.5) zależy zatem od cech konstrukcyjnych, materiałowych (Tabela 4.1) i technologicznych łącznika oraz od warunków eksploatacji, w tym zwłaszcza od parametrów i konfiguracji wyłączanego obwodu.
Naturalne ucięcie prądu występuje w obwodach jedno- oraz trójfazowych symetrycznych z uziemionym punktem neutralnym
Wymuszonym (wirtualnym) ucięciem prądu (virtual chopping current) nazywa się
zjawisko polegające na nagłym przerwaniu prądu o częstotliwości sieciowej przed jego naturalnym przejściem przez zero. Zjawisko to jest spowodowane zgaśnięciem łuku w następstwie osiągnięcia przez prąd wartości zerowej w wyniku nałożenia się prądów wysokiej częstotliwości na składową prądu o częstotliwości sieciowej. Prądy o wysokiej częstotliwości są spowodowane zjawiskami podczas ponownych zapłonów łuku w sąsiednich biegunach łącznika lub innymi zakłóceniami zewnętrznymi. Zjawisko wymuszonego ucinania prądu występuje w trójfazowych obwodach elektrycznych (średnich napięć) z izolowanym punktem neutralnym. i t Imin 0 Iu iuh ihf