Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Вакуумные дугогастельные камеры

Исследование вакуумных дугогасительных камер - Вакуумные дугогастельные камеры

Оглавление
Исследование свариваемости контактов вакуумных дугогасительных камер
Дугогасительные камеры вакуумных выключателей нагрузки
Исследование вакуумных дугогасительных камер
Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20
Вакуумная дугогасительная камера для выключателей высокого напряжения
Вакуумные дугогасительные камеры для выключателей 35 и 110 кВ
Разработка вакуумных дугогасительных камер
Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные ВЭИ
Дугогасительная камера для вакуумных выключателей на 35 и 110 кВ
Вакуумная дугогасительная камера третьего поколения на 10 кВ, 20 кА, 1600 А
Новые разработки ВЭИ в области вакуумных дугогасительных камер

Лукацкая И.А., Воскресенский С.Н., Кецарис Н.Н.

Вакуумные дугогасительные камеры применяются в переключающих устройствах РПН трансформаторов, для коммутации конденсаторных батарей, дуговых плавильных печей, радиопередающих устройств и в других областях техники [Л. 1-4]. В процессе эксплуатации камер и при разработке новых устройств с их применением возникла необходимость в более широких сведениях о камерах по сравнению с содержащимися в технических условиях.
В статье приведены результаты исследования характеристик камер при различных условиях, поведения камер при длительной работе и хранении, устойчивости к перегрузкам. Главным образом исследовались камеры КДВ-12, более широко применяющиеся, в отдельных случаях - камеры КДВ-20. Это камеры с вольфрамовыми контактами различного диаметра, металлическими экранами и стеклянно-металлической оболочкой [Л. 1]. Большая часть данных, полученных для КДВ-12, справедлива для КДВ-21 [Л. 4], имеющей ту же контактную и аналогичную экранную системы, но изолирующей частью корпуса которой является не стекло, а керамика.
Электрические характеристики. Статическая и импульсная электропрочность. Исследование статической электропрочности большого числа камер типов КДВ-5, КДВ-12 и КДВ- 20 показало, что эти камеры при расстоянии между контактами 4 мм, как правило, выдерживают испытательное переменное напряжение 42 кВ в течение 1 мин. Пробой наступает при напряжении выше 55 кВ. Как правило, при этом имеют место либо кратковременные незавершенные пробои между экранами внутри камер или полный пробой снаружи по поверхности стекла. В специальных камерах с прозрачной стеклянной оболочкой определялась зависимость напряжения пробоя от расстояния между контактами при давлении примерно 10'6 мм рт. ст. Опыты проводились на пяти камерах с диаметром вольфрамовых контактов 10 мм при изменении расстояния между ними от 1 до 8 мм. Пробой между контактами фиксировался визуально. На основании этих измерений получена эмпирическая зависимость:
(1)


Рис. 1. Зависимость минимального тока отказа I от хода подвижного контакта h при восстанавливающемся напряжении 10 кВ.

где Uпроб - напряжение пробоя, кВ; h - расстояние между контактами, мм.
Как показали испытания специальных камер с прозрачной оболочкой, этой формуле удовлетворяет и напряжение пробоя между вольфрамовыми контактами диаметром 16 мм. При номинальном расстоянии между контактами 4 мм напряжение пробоя по (1) равно 91 кВ.
Для испытания на импульсную прочность1 камеры КДВ-12 погружались в масло, что исключало возможность перекрытий по наружной поверхности. На камеры с контактами, разведенными на 3 мм, подавалась полная и срезанная стандартная волна напряжения. Было испытано 32 камеры. В 12 из них определялось наименьшее напряжение пробоя, которое в одной камере составило 46 кВ, а в остальных - от 60 до 130 кВ.
В ряде случаев при дальнейшем повышении напряжения пробоев в камерах не возникало. Напряжение, при котором вероятность пробоя достигала 50%, в разных камерах составляло 90-170                кВ. По-видимому, первые единичные пробои были вызваны слабосвязанными частицами, находившимися на электродах [Л. 5]. Такие частицы могли появиться при коммутации тока из-за электрического и механического износа контактов.
Отключающая способность. Исследовались камеры КДВ-12. В этих и всех последующих испытаниях на отключающую способность применялся лабораторный электромагнитный привод, в котором якорь до воздействия на подвижный вывод приобретал некоторую кинетическую энергию. Опыты проводились при восстанавливающемся напряжении от 1 до 30 кВ и ходе подвижного контакта 1-6 мм при его скорости 0,4-0,6 м/сек. Отключаемый ток повышался ступенями 250-500 а. На каждой ступени выполнялось по пять отключений; за ток отказа принимался наименьший при данном ходе подвижного контакта и восстанавливающемся напряжении ток, при котором время горения дуги превышало 20 мсек. В каждом режиме было испытано не менее трех камер. Опыты проводились на ударном генераторе ТИ- 12. Осциллографировались отключаемый ток, восстанавливающееся напряжение, падение напряжения на дуге, ток электромагнита. По осциллограммам последних двух процессов определялись время горения дуги и средняя скорость перемещения подвижного контакта.


Рис. 3. Зависимость наименьшего тока отброса 1 от контактного нажатия р.
X- КДВ-20; КДВ-12; о-КДВ-5.

Рис. 2. Зависимость минимального тока отказа I от восстанавливающегося напряжения U при ходе подвижного контакта 1 мм (X) и 3 мм (о).
При увеличении хода контактов почти на половину порядка отключающая способность в условиях опытов увеличилась менее чем вдвое (рис. 1). Следует отметить, что ход контактов, при котором вакуумные дугогасительные камеры могут надежно работать, определяется не только рабочим напряжением и предельным током отключения, но и предъявляемыми к камере требованиями по сроку службы: величиной многократно коммутируемого тока и числом коммутаций при этом токе. Это связано с тем, что от величины коммутируемого тока зависит характер износа контактов. Уже через несколько сотен отключений на поверхности контактов появляются неоднородности - тем более крупные, чем больше коммутируемый ток. Поэтому увеличение многократно коммутируемого тока влечет за собой увеличение хода контактов.
Заметное увеличение отключаемого тока с уменьшением восстанавливающегося напряжения наблюдается лишь при напряжении менее 2 кВ (рис. 2).
Электродинамическая устойчивость. Исследовались камеры КДВ-5, КДВ-12 и КДВ-20. Опыты проводились на ударных генераторах ТИ-2,5 и ТИ- 12. Испытуемая камера помещалась в кожух из изоляционного материла и укреплялась на специальной подставке. Боковое смещение подвижного ввода ограничивалось направляющей. Неподвижный ввод проходил с небольшим зазором 0,5 мм через отверстие в верхней крышке кожуха. Вследствие этого электродинамические усилия, действующие на наружные части вводов камеры, передавались на стенки отверстий, через которые были пропущены вводы, и не могли привести к разрушению камеры. Требуемое контактное нажатие задавалось путем подвешивания груза на один конец двухплечного рычага, другой конец которого воздействовал на подвижный вывод камер. С помощью динамометра и этого же рычага после каждого опыта измерялась сила сваривания контактов.
Через камеру пропускался импульс переменного тока частотой 50 Гц длительностью 0,08 сек с выраженной апериодической составляющей при коэффициенте превышения амплитуды 2,5.
В процессе опытов осциллографировались ток через камеру и напряжение на ее выводах. О возникновении отброса контактов можно было судить по скачку напряжения на выводах камеры, обусловленному возникновением дуги между контактами. Испытывалось две-три камеры каждого типа.
Полученный минимальный ток отброса оказался практически одинаковым для разных типов камер (рис. 3), т.е. не зависящим от диаметра контактов, который в исследованных камерах изменялся от 10 до 28 мм.
Зависимость наименьшего тока отброса от контактного нажатия можно выразить эмпирической формулой
р = 0,95I2 (2)

где / - минимальный ток отброса, кА; р - контактное нажатие, н.
Контактное нажатие р равно сумме нажатия, задаваемого приводом, нажатия, обусловленного атмосферным давлением на сильфон, и сжатия сильфона. Последние две составляющие в исследуемых камерах в сумме равны примерно 100 н.
Проверка электропрочности и отключающей способности камер после испытаний на электродинамическую устойчивость показала, что единичные отбросы контактов при амплитудных значениях тока до 30 кА не выводят камеру из строя.
Термическая устойчивость. Исследовались камеры КДВ-12 и КДВ-20. Методика опытов была аналогична применявшейся при исследовании электродинамической устойчивости. Через контакты пропускался практически симметричный (без апериодической составляющей) импульс тока с длительностью 0,1-1 сек.


Рис. 4. Зависимость начального тока сваривания I от р при различной длительности протекания тока.
• - 0,1 сек; X - 0,3 сек; п- 0,5 сек; о - 1 сек.
Измерялись начальный ток сваривания2 и сила сваривания при различных контактных нажатиях и длительностях протекания тока (рис. 4).
Из рис. 4 видно следующее: в условиях опытов начальный ток сваривания практически не зависит от длительности протекания тока;
с увеличением контактного нажатия начальный ток сваривания при нажатиях до 500 н растет, затем стремится к насыщению.
В [JT. 6] показано, что начальный ток сваривания является функцией длительности протекания тока и площадки касания. С увеличением длительности импульса начальный ток сваривания вначале резко уменьшается, а затем асимптотически приближается к минимальному току сваривания при неограниченной длительности протекания тока. Чем меньше площадь касания контактов, тем при меньшей длительности протекания тока заканчивается крутой спад начального тока сваривания. Расчет по выражениям из [Л. 6] показывает, что для вольфрамовых контактов область крутого спада начального тока сваривания ограничивается длительностями протекания тока меньше 0,1 сек. Таким образом, первую из отмеченных выше особенностей кривой на рис. 4 можно объяснить малой площадью касания вольфрамовых контактов.


Рис. 5. Зависимость переходного контактного сопротивления R от р.
А-КДВ-5; -КДВ-20.
Поведение вакуумных дугогасительных камер при длительной работе. Способность камер длительно выдерживать высокое напряжение. Опыты проводились с камерами КДВ-12 при испытательных напряжениях, превышающих номинальные в несколько раз. Таким образом, условия опытов были для камер значительно более тяжелыми, чем условия эксплуатации. Источником напряжения служила установка испытания изоляции АИИ-70. Пробой фиксировался по срабатыванию защиты установки, которая была настроена на ток


Вторую особенность можно объяснить, если сопоставить кривую на рис. 4 с зависимостью переходного сопротивления исследовавшихся камер от контактного нажатия, приведенную на рис. 5. Кривая на рис. 5 также стремится к насыщению при контактных нажатиях, больших 500 н. Следовательно, при контактных нажатиях более 500 н площадка касания контактов практически не увеличивается, чем и объясняется ход кривых на рис. 4 и 5.
Наблюдается большой разброс силы сваривания при одних и тех же условиях. В среднем сила сваривания составляет несколько десятков ньютонов, достигая в отдельных случаях 150 н. пробоя 5 ма.
Приведенные зависимости для камер КДВ-12 справедливы и для КДВ-21.

Рис. 6. Зависимость износа А/ контактов за 104 операций от коммутируемого тока /.
Режимы испытаний: расстояние между контактами 3 и 4 мм, а приложенное напряжение 35 и 42 кВ соответственно. В каждом из режимов камера выдерживалась в течение 8 ч. Было испытано три камеры. Не зафиксировано ни одного случая пробоя.
Электроизнос. В этой части исследований ставилась цель получить зависимости электрического ресурса камер от коммутируемого тока. Как показано в [Л. 7], электрический ресурс вакуумных дугогасительных камер с системой из трех металлических экранов, из которых один изолирован от вводов, определяется износом контактов. Такая экранная система применена в камерах КДВ-12, КДВ-21 и КДВ-20.

Следовательно, для решения поставленной задачи необходимо было получить данные об электроизносе контактов при разных коммутируемых токах.
Для камер КДВ-12 и КДВ-21, представляющих наибольший интерес, имеющиеся данные относятся к токам 300 и 800— 900 а [Л. 1 и 4]. Дополнительно были проведены испытания на электроизнос при токах 600 и 1 200 а. Зависимость износа контактов от коммутируемого тока, приведенная на рис. 6, может быть аппроксимирована аналитической зависимостью вида:
(3)
где А/ - износ контактов за 104 коммутаций тока, мм; / - коммутируемый ток, кА.
Как видно из рис. 6, небольшое отклонение от формулы (3) наблюдается при токах более 900 а. Резкое увеличение износа с ростом тока можно объяснить увеличением времени существования формы дуги с повышенной эрозией электродов, имеющей место в начальной стадии вакуумной дуги отключения [Л. 8].
С учетом (3) для ресурса камер КДВ-12 и КДВ-21 получим выражение
(4)
Здесь N - допустимое число коммутаций при токе /; AL - допустимый износ контактов, мм.
Оценим по (4) ресурс камер КДВ-12 и КДВ-21 при номинальном токе отключения 900 а. Для этого нужно определить допустимый износ контактов AL.
При отсутствии корректировки хода контактов в процессе работы камер допустимый износ можно принять равным разности допустимого сжатия сильфона и первоначального хода контактов. В сильфонах, применяемых в исследуемых камерах, допустимое сжатие составляет 6 мм. Следовательно, при первоначальном ходе контактов 3 мм допустимый износ контактов также равен 3 мм, а ресурс при токе 900 а согласно (4) составляет 4,2* 10+4 коммутаций. Эта величина близка к ресурсу 4104, указанному в технических условиях.
Механический износ. Для выяснения запасов камер по механической прочности и слабых мест конструкции десять камер КДВ-12 были испытаны на механический износ с помощью специального моторно-пружинного привода, позволявшего испытывать одновременно три камеры при частоте 2096 операций в час. Контактное нажатие составляло примерно 200 н и складывалось из атмосферного давления на сильфон, сжатия сильфона и усилия специальной пружины (около 100 н). Испытания проводились при ходе подвижного контакта 3 и 6 мм и скорости хода 0,5 м/сек. Через каждые 50-80 тысяч операций камеры подвергались внешнему осмотру и проверялась их электрическая прочность.
Результаты испытаний показали, что механический ресурс камер существенно зависит от хода подвижного контакта. С его увеличением возрастает растягивающее усилие, воздействующее на сильфон, и энергия удара подвижного контакта о неподвижный при их замыкании. По-видимому, это является причиной уменьшения ресурса камер с увеличением хода подвижного контакта. Слабыми местами оказались сильфон и спай неподвижного ввода с торцевой стальной втулкой корпуса камеры.
При ходе подвижного контакта 3 мм механический ресурс камеры весьма высок и, по-видимому, превышает 0,5 млн. операций. Однако слабым местом камеры является спай вольфрамового контакта с медным вводом. Примерно одна камера из 10 при испытании на механический износ выходит из строя из-за выпадания контактов. Вскрытие камер показало, что причиной выпадения является плохое качество спая, загрязнение спаиваемых деталей.
Срез тока. Как известно, вольфрамовые контакты, которые применяются в исследуемых камерах при отключении небольших индуктивных токов, дают срез тока. Представляло интерес выяснить, изменяется ли эта особенность камер в процессе многократных коммутаций тока. В этом случае на срез тока могло оказать влияние увеличение шероховатости контактов. Исследовались пять камер КДВ-12. Две из них предварительно прошли испытание на электроизнос: одна выполнила 5* 10+4 коммутаций тока 920 а, другая - 10+5 коммутаций тока 340 а. Влияние состояния камер на срез тока оценивалось по вероятности среза. Последняя определялась из нескольких сотен отключений тока 110а при напряжении 127 в и омической нагрузке. Параллельно испытуемой камере подключалась емкость 2,5* 10+3 пф. Согласно [Л. 2] это должно привести к увеличению вероятности среза и, следовательно, к более отчетливому выявлению искомого влияния.
Токи среза регистрировались с помощью шлефового осциллографа с точностью ±4 а. Токи среза менее 7 а не учитывались из-за большой относительной ошибки при их измерении.
Результаты опытов показали, что после многократных отключений вероятность среза тока в камерах практически не изменяется. Это объясняется, по-видимому, тем, что наиболее существенное влияние на явление среза оказывает материал контактов.
Данные по способности камер длительно выдерживать высокое напряжение, по электроизносу и срезу тока справедливы и для камеры КДВ-21. Результаты испытания на механический износ справедливы в части, касающейся сильфона и вольфрамовых контактов.
Исследование вакуумных дугогасительных камер после длительного хранения. Вакуумные дугогасительные камеры часто поступают в эксплуатацию по истечении длительного времени после их изготовления. Надлежало выяснить, сохраняется ли работоспособность камер и каков процент и причины отказа в работе камер после длительного хранения.
Было испытано на отключающую способность пять камер КДВ-12 после двухлетнего хранения без всякой предварительной тренировки. Камеры имели различную электропрочность, в одной из них электропрочность была ниже нормы, т.е. менее 35 кВ при расстоянии между контактами 3 мм.

  1. Испытания на отключающую способность проводились в предельных режимах работы переключающих устройств трансформаторов РНВ-35/850 при отключаемом токе 1700-2200 а и восстанавливающемся напряжении 4-6 кВ. При работе в переключающем устройстве время горения дуги при токе 1700 а не должно превышать 13 мсек, при токе 2 200 а - 23 мсек. Ход и скорость подвижного контакта составляли соответственно 3 мм и 0,3- 0,4 м/сек.

Испытания показали, что камеры КДВ-12 с электропрочностью в пределах нормы сохраняют свою отключающую способность после двухлетнего хранения даже без предварительной тренировки.
Была проверена электропрочность 89 камер через два года после их изготовления. Часть из этих камер хранилась в помещении, в котором влажность и температура воздуха определялись атмосферными условиями вне помещения. Часть камер находилась в переключающем устройстве РНВ-35/ 850, где вместе с устройством прошла регулировку. Эти камеры выполнили 20 тысяч операций «включено - выключено» без тока.
Получено следующее распределение числа камер по электропрочности:

При Uпроб <15 кВ давление в камерах было близко к атмосферному. Судить о давлении внутри камеры можно было по виду свечения разряда и по контактному нажатию, оказываемому атмосферным давлением на сильфон.
Испытания показали, что длительное хранение камер даже в неблагоприятных условиях мало сказывается на их характеристиках, а причины выхода в некоторых случаях из строя легко устранимы.
Поведение вакуумных дугогасительных камер при перегрузках. Перегрузка длительно протекающим током. В некоторых коммутационных аппаратах, например в переключающих устройствах трансформаторов, применяется шунтирование камер. В случае повреждения шунтирующего контакта через камеру может длительно протекать ток, превышающий номинальный.

Рис. 7. Зависимость напряжения пробоя камер КДВ-12 от длительности t протекания через них тока 900 а.
В связи с этим представляло интерес выяснить, как скажется на камерах перегрузка длительно протекающим током. Опыты проводились с камерами КДВ-12 на воздухе и в масле. Были выбраны самые тяжелые температурные условия работы камер, которые встречаются в эксплуатации: условия работы в переключающих устройствах трансформаторов, в которых камеры погружены в масло с температурой около 100 °С. Токовая перегрузка также была выбрана исходя из режима работы переключающего устройства РНВ-35/850 и составляла 800- 900 или 1700 а (номинальный ток камеры КДВ-12 равен 200 а).
На воздухе испытывались четыре камеры. Каждая из них помещалась в электрическую печь с температурой 100°С. Через камеру в течение нескольких часов пропускался номинальный ток 200 а, затем на несколько минут ток увеличивался до 800-900 или 1700 а. После протекания тока 900 а в течение 5 мин или тока 1700 а в течение 1 мин температура на выводах камеры достигала 320 °С.
После протекания через камеру перегрузочного тока проверялась ее электропрочность. Контакты разводились на 3 мм, и к горячей еще камере прикладывалось напряжение 50 Гц. Источником напряжения служила установка АИИ-70; пробои фиксировались по срабатыванию защиты установки. Оказалось, что с увеличением длительности протекания перегрузочного тока электропрочность камер падает, снижаясь через 5 мин ниже допустимого уровня (рис. 7). Снижение электропрочности камер было вызвано газовыделением деталей камеры из-за повышения их температуры, что подтверждалось повышением электропрочности камер после их охлаждения.
В масле испытывались две камеры. Температура масла поддерживалась на уровне 100°С. Через камеры пропускался ток 800-880 а в течение 7-11 ч. Установившаяся температура выводов камер не превышала 200 °С. В результате этих испытаний напряжение пробоя камер снизилось на 12- 16%, но их электропрочность осталась в пределах нормы.
Проведенные опыты показали, что камеры КДВ-12 способны выдерживать кратковременную перегрузку током (1-2 мин при токе 800-900 а и 0,5 мин при токе 1700 а на воздухе) и длительную (до 10 ч) перегрузку током 800-900 а в масле при температуре окружающей среды 100 °С.
Поведение камер КДВ-12 и КДВ-21 при перегрузке длительно протекающим током может отличаться. Однако можно ожидать, что камера КДВ-21 более устойчива к перегрузкам длительно протекающим током, поскольку ее номинальный ток и термостойкость вакуумно-плотных спаев изоляционного материала с металлом выше, чем у камеры КДВ-12.
Механические перегрузки. Согласно техническим условиям исследуемые камеры должны выдерживать вибрацию на частотах 10-200 Гц при ускорении 4 g и ударную нагрузку при ускорении 12 g. Целью проведенных испытаний было выяснить слабые места в креплении деталей камер.
Испытания проводились в камерах КДВ-12 в МЭИ на ударном стенде СУ-1, позволявшем получать ускорения до 150 g. Контакты камер были разведены на расстояние 3 мм. Испытано 10 камер при ускорении 35 g в трех положениях:

  1. в горизонтальном при консольном креплении камеры на платформе стенда;
  2. в вертикальном с подвижным контактом вверху;
  3. в вертикальном с подвижным контактом внизу.

В каждом из положений камера подвергалась 3 500 ударам.
Две камеры были испытаны при ускорениях 75, 100 и 150 g, причем одна из них в горизонтальном, другая в вертикальном положении. При каждом из ускорений камера подвергалась 10+4 ударам.
В результате этих испытаний не было обнаружено механических повреждений камер, электрическая прочность практически не изменилась. Эти испытания показали, что камеры обладают весьма высокой механической прочностью.

Литература

  1. Лукацкая И.А., Попов Н.А., Воскресенский С.М. Дугогасительные камеры вакуумных выключателей нагрузки. - Электротехника, 1969, № 7, с. 15-17.
  2. Рывкин А.М., Фигилер Я.Л., Уткин А.И. Переключающее устройство с вакуумными дугогасительными камерами для РПН преобразовательных трансформаторов. - Электротехника, 1969, №7, с. 12-15.
  3. Вакуумный разъединитель мощности для установок дуговых сталеплавильных печей. - Промышленная энергетика, 1968, № 8, с. 46-50. Авт.: М.Д. Бершидский, В.Б. Козлов, М.С. Козодои и др.
  4. Потокин B.C. Вакуумные дугогасительные камеры с повышенной электрической прочностью. - Электричество, 1973, № 6.
  5. Розанова Н.Б. Пробой вакуума, инициируемый макрочастицами. -Изв. АН СССР, сер. физ., 1962, № И, т. XXVI, с. 1439.
  6. Лысое И.Е. Сваривание замкнутых одноточечных контактов. - Электротехника, 1964, № 4.
  7. Лукацкая И.А. Влияние конструкции экранов на характеристики вакуумных дугогасительных камер. - Электротехника, 1971, № 8, с. 47-50.
  8. Селыкатова С.М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения. - Электропромышленность, 1971, №5, с. 17-20.
  9. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968, с. 243.


 
« Безрельсовая перевозка трансформаторов   ВВН-220-15 и ВВН-330-15 - руководство по капитальному ремонту »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.