Поиск по сайту
Начало >> Статьи >> Повышение износоустойчивости вакуумных дугогасительных камер

Повышение износоустойчивости вакуумных дугогасительных камер

Перцев А.А., Рыльская Л.A., Чистяков С.П.

Описана конструкция контактов с усиленным аксиальным магнитным полем для вакуумных дугогасительных камер. Удельная индукция аксиальной составляющей поля достигает 10 мТл/кА, чем обусловливается сокращение времени перехода сильноточной дуги (>10 кА) из контрагированной в квазидиффузную модификацию. До перехода дуги из контрагированной в квазидиффузную модификацию ее движение на всей поверхности контактов контролируется радиальной составляющей магнитного поля. Контроль за обеими сильноточными модификациями дуги позволяет уменьшить скорость разведения контактов и тем самым увеличить в несколько раз коммутационную износостойкость камеры при сохранении той же способности отключать ток короткого замыкания.
К л юч е в ы е слова: вакуумная дугогасительная камера, контакты, вакуумный выключатель, магнитное поле, отключающая способность, время дуги.
Contact design with amplified axial magnetic field for vacuum interrupters is described. Axial field specific induction reaches 10 mT/kA thus stipulating time reduction for high current (>10 kA) arc transition from contracted to quasidiffuse modification. The arc movement on contact surfaces is controlled by radial component of magnetic field untill arc transition from contracted to quasidiffuse modification. Control of both high current arc modifications allows to decrease contacts separation velocity and thereby to increase for several times as large vacuum interrupter switching endurance under the same fault current interruption ability.
Key words: vacuum interrupter, contacts, vacuum circuit breaker, magnetic field, interrupting capability, arcing time.

Для некоторых специфических областей применения, например для коммутации трансформаторов дуговых сталеплавильных печей, требуются вакуумные выключатели с ресурсом до 100000 циклов. Такой выключатель проще сделать, и он будет стоить дешевле, если его элементы будут подвергаться меньшим механическим воздействиям, что может быть достигнуто путем уменьшения скорости контактов вакуумных дугогасительных камер (в дальнейшем - камер), особенно при выполнении операций отключения. При этом, однако, возрастает время дуги, поскольку из-за меньшей скорости контакта и соответственно меньшей длины межконтактного промежутка к моменту первого перехода тока дуги через нулевое значение он пробивается под действием восстанавливающегося напряжения и дуга возобновляется.
В результате при снижении скорости увеличивается доля отключений не при первом, а при втором переходе тока через нулевое значение, возрастает нагрев контактов и уменьшается отключающая способность камеры. Кроме того, при использовании в выключателе камер с продольным магнитным полем необходимо, чтобы время существования подвижной контрагированной дуги, которая непременно возникает с началом второй полуволны тока [1], ограничивалось бы 3-4 мс, в течение которых произойдет ее переход в квазидиффузную модификацию. Существенное превышение этого времени может привести к утрате преимуществ, присущих контактам с продольным магнитным полем. В частности, при существовании контрагированной дуги возрастает тепловая нагрузка на окружающий контакты паровой экран, что происходит по причине более чем десятикратного увеличения идущего на него ионного тока. В результате может произойти перегрев экрана, а в случае недостаточной скорости перемещения дуги даже его проплавление. Кон- трагированная дуга может также оказаться причиной крайнего искажения распределения восстанавливающегося напряжения между контактами и паровым экраном [2]. Если после квазидиффузной дуги потенциал экрана обусловливается межэлектродными емкостями камеры через 10-30 мкс после прерывания тока и значение его близко к среднему арифметическому между потенциалами обоих контактов, то после контрагированной дуги деление восстанавливающегося напряжения в соответствии с межэлектродными емкостями начинается через 75-140 мкс. До истечения этого времени потенциал экрана практически одинаков с потенциалом положительного контакта, и все восстанавливающееся напряжение, включая амплитуду переходного восстанавливающегося напряжения, удерживается лишь половиной длины изоляционного корпуса камеры и половиной межэкранных промежутков. Это искажение распределения восстанавливающегося напряжения сохраняется на протяжении многих полупериодов промышленной частоты, увеличивая вероятность перекрытий и пробоев внутренней изоляции камеры.
В [3] приведено описание контактов, возбуждающих продольное магнитное поле, которые допускают работу при снижении скорости. Это качество достигнуто путем увеличения индукции продольной и радиальной составляющих магнитного поля и оптимизации распределения последней у поверхности контакта. Такие контакты применены в камере КДВ-35-25/1600 УХЛ2, разработанной и переданной в 1992 г. в серийное производство Всероссийским электротехническим институтом. Она предназначена для укомплектования вакуумных выключателей трехфазного переменного тока частотой 50-60 Гц напряжением 35 кВ с номинальным током отключения 20-25 кА и номинальным током 1600 А, а также выключателей на 110 кВ с теми же номинальными токами. В последнем случае в каждом полюсе применяются до четырех камер, включенных последовательно. Боле подробно технические данные камеры приведены в [4].
Далее приведены основные конструктивные особенности контактов и результаты испытаний камеры с такими контактами при отключении токов КЗ при «нормальной» (1,1 м/с) и уменьшенной (0,8 м/с) скорости их разведения. Приведены примеры использования камер при той или иной скорости движения контактов в выключателях различного назначения.
Конструкция контактов. Схематическое изображение контактов приведено на рис. 1. Контакты одинаковы и каждый содержит индуктор, представляющий круговое кольцо, образованное двумя ступенчатыми дугообразными элементами. Начала элементов соединяются с токоподводящим стержнем, концы остаются свободными. Начальные и концевые участки смежных элементов индуктора взаимно перекрываются на длине Р=(0,5-3)/7, где Н- высота индуктора. Индуктором охватывается дисковой электрод, диаметр которого несколько меньше внутреннего диаметра индуктора.
Электрод своими выступами электрически соединен с обоими дугообразными элементами. Электрод заглублен на 2-3 мм относительно контактной поверхности индуктора, в результате в замкнутом состоянии контакты соприкасаются индукторами. Электрод и контактная поверхность индуктора имеют дугостойкое покрытие, например, из хромо-медной композиции. Отключаемый ток 1о течет в камере по стержню контакта, делится между двумя дугообразными элементами индуктора, как это показано на рис. 1 стрелками, далее через вакуумную дугу переходит на другой контакт, в котором, пройдя параллельными путями по дугообразным элементам индуктора, вновь восстанавливается в ток I в стержне.
контакты с усиленной индукцией магнитного поля
Рис. 1. Конфигурация контактов с усиленной индукцией магнитного поля: 1, 2, 3 - места расположения металлических стержней, перемыкающих контакты и имитирующих вакуумную дугу; I - стержень; II - дугообразный элемент; III - дискЬвый электрод; IV - контактная поверхность.
Из рис. 1 видно, что в индукторах обоих контактов текут однонаправленные токи, возбуждающие в межконтактном промежутке магнитное поле с доминированием продольной составляющей индукции В7. Ожидается, что с помощью контактов такой конфигурации будет контролироваться сильноточная (амплитуда более 20 кА) вакуумная дуга во всех ее модификациях: неподвижная контрагированная, возникающая непосредственно за размыканием контактов, когда расстояние между ними не превышает 2-3 мм [5];
квазидиффузная (многоканальная), образующаяся в межконтактном промежутке длиной более 2-3 мм при условии возбуждения в нем продольного поля достаточной индукции;
контрагированная подвижная, возникающая в промежутке длиной более 2-3 мм вследствие повторного пробоя или повторного зажигания и существующая в нем до перехода в квазидиффузную модификацию [1].
Назначение дисковых электродов состоит в коллектировании части тока дуги, в предотвращении проникновения дугового разряда в пространство внутри и к основанию индуктора, где затруднено управление распределением плотности тока. Они дают дополнительную возможность управлять распределением плотности тока по контактам. В контактах также есть не показанные на рисунке, но необходимые детали, обеспечивающие его механическую устойчивость.
Результаты испытаний. На паре еще не смонтированных в камере контактов измерено значение удельной (мТл/кА) продольной составляющей магнитного поля Bz при различных расстояниях d между контактными поверхностями. Контрагированная дуга имитировалась одним металлическим стержнем, устанавливаемым поочередно на участки 1, 2, 3 (рис.1) и соединяющим электрически между собой оба контакта. Квазидиффузная дуга имитировалась тремя стержнями, располагаемыми одновременно на указанных участках. При наружном диаметре индукторов 10 мм В/ характеризуется следующими данными:


Расстояние

Значение В*

d, мм

мТл/кА

2

9,8-10,0

18

6,8-7,2

40

4,4-4,7

 

(6,5)

Значение усреднено по круговой площадке диаметром 20 мм, расположенной посередине между контактами, соосно с ними. Измерения выполнены на переменном 50 Гц токе. Указаны пределы изменения В^ при вариациях числа и места расположения стержней, имитирующих дугу. Результат в круглых скобках - значение В7 на поверхности дискового электрода.
Из приведенных данных следует, что изменение места расположения одного стержня на контактной поверхности или их числа практически не влияет на значение компоненты 2?z, которая при минимальном расстоянии достигает 10 мТл/кА, а при d=40 мм уменьшается до 4,4-4,7 мТл/кА. Вследствие неоднородности поля значения Bz непосредственно у поверхности контактов возрастают. При d=40 мм значения Вг у поверхности контакта в 1,4 раза больше, чем в середине промежутка. Разумеется, что вместе с В7 увеличиваются другие составляющие поля, в том числе и В .

Эти значения Bz в 1,5-2 раза больше обычно реализуемых «оптимальных» значений, который для близких по размерам контактов составляют 1,5 мТл/кА. Как известно, при «оптимальной» индукции имеет место минимум напряжения дуги [1]. Повышенная индукция магнитного поля, возбуждаемая между контактами (рис. 1), обусловливается большей магнитодвижущей силой, развиваемой индукторами, что, в свою очередь, определяется, во-первых, сокращением до двух числа дугообразных элементов и, во- вторых, увеличением их угловой длины. Первое позволило поднять значение кругового тока в индукторе до ~0,51 , а второе - сделать путь кругового тока в индукторе несколько превышающим один виток. Повышение индукции сверх «оптимального» значения диктуется стремлением сократить время перехода дуги из контрагированной в квазидиффузионную модификацию. Это актуально при уменьшении скорости разведения контактов, когда учащаются случаи возникновения повторных зажиганий и пробоев, приводящих, как отмечалось, к возникновению подвижной контрагированной дуги с ее более энергичным в сравнении с квазидиффузной воздействием на контакты и паровой экран. Снижению локального воздействия контрагированной дуги на контакты и экран способствует не только сокращение времени ее существования, но также увеличение скорости перемещения по контактам вследствие упомянутого возрастания Вх и предотвращение фиксации на кромках радиальных прорезей, имеющихся на контактных поверхностях. Предотвращение фиксации дуги достигается за счет взаимного перекрытия ступенчатых дугообразных элементов на длине Р, что приводит к дополнительному увеличению радиальной составляющей Вг магнитного поля в окрестностях радиальных прорезей.

Давление магнитного поля на контрагированную дугу усиливается также тем, что ее опорные пятна движутся непосредственно по поверхностям индукторов, вблизи которых компонента В имеет наибольшее значение. Это обстоятельство благоприятно не только из-за увеличения скорости перемещения подвижной контрагированной дуги. За счет форсирования компоненты Вх вблизи контактных поверхностей сокращается время существования неподвижной дуги на начальном этапе разведения контактов при d<2 мм, вследствие чего уменьшаются размеры имитируемых расплавленных капель и их общая масса. В результате размыкание контактов в амплитуде полуволны тока при значениях в десятки килоампер не приводит к появлению заметного повреждения контактных поверхностей. Это подтверждается при осмотре контактов, извлеченных из камеры после однократного отключения тока с действующим значением 46 кА при размыкании контактов с начальной скоростью около 1 м/с, произведенном при амплитудном значении тока 65 кА.
Отключающая способность контактов при средней скорости движения 1,1 и 0,8 м/с и ходе 16 мм определена прерыванием в однофазной цепи тока 50 Гц значением до 27 кА при амплитуде переходного восстанавливающегося напряжения 69-81 кВ и восстанавливающемся напряжении промышленной частоты 34-35 кВ, прикладываемом в течение 60-90 мс. Эти значения восстанавливающегося напряжения являются наивысшими из воздействующих на межконтактные промежутки в трехполюсных выключателях, применяемых в трехфазных сетях напряжением 35 кВ.
Результаты экспериментов по определению отключающей способности контактов (рис. 1) при токе короткого замыкания приведены в таблице.
Из таблицы видно, что при скорости 1,1 м/с и отключаемом токе 24-27 кА время дуги не превышало 14 мс. Одна из 13 операций отключения оказалась
неуспешной, ток камерой прерван не был, время дуги составило 60 мс и было обусловлено отключением тока дополнительным защитным выключателем. Выполнение последующих операций отключения не выявило какого- либо ухудшения в работе камеры.


Скорость*
контакта,
м/с

Отключаемый ток, кА

Число операций отключения

 

Границы значений времени дуги ** , мс

успешных

неуспешных

1.1
0.8

24—27 24—26

12
8

1
2

4-14
13-23

* Указано среднее значение скорости на первых 10 мм хода контакта.
** При неуспешной операции отключения время дуги достигало 60-90 мс.
При скорости 0,8 м/с время дуги возросло и находилось в пределах 13-23 мс, что обусловлено протеканием второй полуволны тока. На рис. 2 приведены соответствующие этому случаю осциллограммы напряжения дуги и отключаемого тока. Первая из них дает возможность выявить время существования различных модификаций дуги.
С момента 77, когда контакты разомкнулись, до первого перехода тока через нулевое значение дуга проходит следующие модификации. До момента 72, пока d<2 мм, существует неподвижная дуга. В интервале 72-73 происходит развитие квазидиффузной дуги и распространение ее как по контактным поверхностям, так и по поверхностям дисковых электродов. С момента ТЗ существует квазидиффузная дуга, которая незадолго до нулевого значения тока модифицируется в диффузную дугу, погасшую при переходе тока через нулевое значение. Напряжение дуги в интервале ТЗ-Т4 характеризуется отсутствием высокочастотных пиков, его максимальное значение в амплитуде тока не превышает 60 В, что присуще именно квазидиффузной дуге. В момент Т4 между контактами вновь возникает дуга, но противоположной полярности. Напряжение дуги в начале второй полуволны тока и интервал Т4-Т5 характеризуются наличием высокочастотных пиков с амплитудой 100 В и более. Это указывает на существование между контактами, находящимися к этому времени на расстоянии 9-11 мм, подвижной контрагированной дуги. Продольная компонента магнитного поля в промежутке такой длины с учетом экспериментальных данных, приведенных ранее, составляет 8-9 мТл/кА, и контрагированная дуга в этих условиях переходит в квазидиффузную, как видно из осциллограммы, за время не более 2,5 мс. С момента 75 кривая напряжения свидетельствует о существовании в промежутке квазидиффузной дуги, локальное воздействие которой на поверхность контакта существенно меньше в сравнении с воздействием контрагированной дуги. В результате в интервале 73- Т6, равном 6 мс, происходит охлаждение нагретых контрагированной дугой локальных участков контактов и экрана, и в момент Тб при очередном переходе через нулевое значение ток прерывается.


Рис. 2. Напряжение дуги между контактами (рис. 1) при существовании ее в течение двух полуволн тока I : Т1 - момент размыкания контактов и возникновения неподвижной контрагированной дуги; Т2-ТЗ - интервал формирования квазидиффузной модификации дуги; ТЗ-Т4 - интервал существования квазидиффузной и диффузной модификации дуги; Т4 - момент возобновления второй полуволны тока; Т4-Т5 - интервал существования подвижной контрагированной модификации дуги; Т5-Т6 - интервал существования квазидиффузной и диффузной модификации дуги; Тб-момент прерывания тока; межконтактное расстояние 16 мм достигается к моменту Тб.
Приведенные в таблице результаты измерений при скорости 0,8 м/с показывают, что при сохранении значения отключаемого тока на уровне 24-26 кА намечается тенденция роста числа неуспешных операций отключения. Если при скорости 1,1 м/с была одна неуспешная операция из тринадцати, то при скорости 0,8 м/с произошли две неуспешные операции из десяти. Отметим, что, хотя время дуги в каждой из двух неуспешных операций достигало 90 мс, последующие успешные операции не выявили уменьшения отключающей способности камеры. Это свидетельствует об устойчивости рассматриваемой конструкции контактов к термическим перегрузкам, возникающим при существовании дуги в течение нескольких полуволн тока. Осмотр контактов и экрана камеры, подвергшихся этим перегрузкам, не выявил их существенных повреждений.
Испытания камер в однофазной цепи являются утяжеленными по сравнению с условиями их работы в составе трехполюсного выключателя. В случае отключения тока короткого замыкания утяжеление обусловлено, главным образом, за счет того, что случающиеся повторные зажигания и повторные пробои, как правило, сопровождаются протеканием через дугу тока промышленной частоты, вызывающего дополнительный нагрев контактов. В трехлолюсном выключателе пробои камер не сопровождаются током промышленной частоты, поскольку для образования контура тока должны произойти одновременно пробои камер в двух полюсах, что практически исключено [6]. Поэтому наблюдавшиеся при испытаниях в однофазной цепи отдельные неуспешные операции отключения не препятствуют использованию камер в трехполюсных выключателях с номинальным током отключения до 25 кА.
Коммутационные испытания таких выключателей в трехфазной цепи подтвердили надежное отключение тока короткого замыкания до 25 кА. При использовании же камеры в составе однополюсного выключателя для исключения неуспешных операций отключения необходимо снизить значение его номинального тока отключения на одну ступень ряда стандартных значений. В данном случае значение номинального тока отключения однополюсного выключателя не должно превышать 20 кА против 25 кА у трехполюсного выключателя.
Конструкция контактов (рис. 1) обладает следующими положительными качествами.

  1. Максимальная сила электродинамического сжатия. Круговые токи одного направления, текущие в индукторах обоих контактов, сохранятся, когда последние замкнуты между собою. При этом возникает сила электродинамического сжатия контактов. Поскольку, как уже отмечалось, магнитодвижущая сила, развиваемая индукторами, здесь имеет повышенное значение и в замкнутом состоянии индукторы вплотную прижаты один к другому, то сила электродинамического сжатия также оказывается максимальной. В результате появляется возможность ослабить силу сжатия контактов, которую должен развивать привод выключателя, что благоприятно для увеличения его износостойкости.
  2. Электрическое сопротивление пары контактов в замкнутом состоянии оказывается относительно малым, несмотря на увеличение длины пути тока в индукторе. Контакты на номинальный ток 1250-2000 А с контактными поверхностями из хромомедной (50%) композиции, сжатые силой 1500 Н, при протекании постоянного тока имеют сопротивление соответственно от 25 до 15 мкОм. Относительно малое значение сопротивления обусловлено тем, что смыкание контактов происходит непосредственно индукторами, благодаря чему образуются дополнительные параллельные пути тока.

Как отмечено ранее, описываемые контакты применены в выпускаемых промышленностью камерах типа КДВ- 35-25/1600 УХЛ2, обладающих свойством отключать ток короткого замыкания при уменьшенной скорости движения контакта. Эти камеры дали возможность НПП «Элвест» (г. Екатеринбург) разработать и выпустить на рынок для применения в электротермических установках вакуумные выключатели типов ВБЦ-35 и ВБЭ-110, соответственно, на напряжение 35 кВ и 110 кВ. Полюс выключателя ВБЭ-110 содержит четыре соединенные последовательно камеры. Значение номинального тока отключения для первого типа равно 25 кА, для второго - 20 кА. Выключатели рассчитаны на номинальный ток до 1600 А. Средняя скорость движения контактов в этих выключателях равна 0,7-0,8 м/с, ход 13- 14 мм. Коммутационная износостойкость выключателей ВБЦ-35 равна 100000 циклов «включение-выключение» при однократной замене камер через 50000 циклов.
Коммутационная износостойкость выключателей ВБЭ-110 равна 40000 циклом без замены камер. Эти аппараты с успехом выполняют функции и выключателей нагрузки и защитных выключателей. Отметим, что для вакуумного выключателя более ранней разработки ВБУ-110, являющегося аналогом выключателя ВБЭ-110 по применению, конструктивной схеме и характеристикам движения контактов, наибольший отключаемый ток ограничен значением 5 кА. Обусловлено это, главным образом, использованием камеры типа КДВ-35-20/1250 УХЛ2 с еще неусовершенствованными в соответствии с [3] контактами. Отключающая способность этих камер при уменьшенной до 0,8 м/с скорости движения контактов существенно снижалась, хотя при скорости 1,2 м/с камеры этого типа устойчиво отключают ток до 20 кА.
При средней скорости движения контактов 1,1-1,2 м/с и ходе 16-18 мм камеры типа КДВ-35-25/1600 УХЛ2 используются в сетевых выключателях ВБН-35 и в выключателях ВБЦЕ-35, предназначенных для коммутации конденсаторных батарей и фильтров высших гармоник. В полюсах выключателей последовательного типа работают по две соединенные последовательно камеры. Значения номинального тока и номинального тока отключения выключателей обоих типов равны соответственно 1600 А и 20 кА, коммутационная износостойкость при номинальном токе не менее 20000 циклов «включе- ние-отключение». При отключении конденсаторных батарей и фильтров высших гармоник выключателями ВБЦ- 35 повторные пробои совершенно исключены, несмотря на регулярные 3-4 кратные перенапряжения, органически присущие этой процедуре.

Заключение. Увеличение индукции возбуждаемого контактами продольного магнитного поля в 1,5-2 раза относительно значения, при котором имеет место минимум напряжения дуги, стабилизирует отключающую способность вакуумной дугогасительной камеры. Физически стабилизация обусловлена сокращением до 2-3 мс времени перехода дуги из контрагированной в квазидиффузную модификацию и форсированием скорости ее движения во время существования в контрагированной модификации. И то и другое приводит к снижению локальных воздействий дуги на контакты и паровой экран. Стабилизация дает возможность существенно уменьшить скорость контакта при отключении и тем самым увеличить в несколько раз коммутационную износостойкость камеры при сохранении способности отключать ток короткого замыкания.

Список литературы

  1. Yanabu S. et al. Vacuum arc under an axial magnetic field and its interrupting ability - Proc. IEE, 1979, №4, Vol. 126.
  2. Gebei R. Vapor Shield Potential in Vacuum Interrupters after Clearing of Short Circuits. - IEEE Trans. On Plasma Science, 1989, №5, Vol. 17.
  3. A.c. 1725681 (СССР). Контактная система для вакуумной дугогасительной камеры А.А. Перцев, С.П. Чистяков. - Опубл. в Б.И., 1993, № 23.
  4. Перцев А.А., Рыльская Л.A. Вакуумная дугогасительная камера для выключателей на 35 и 110 кВ. - Электротехника, 1994, № 1.
  5. Селикатова С.М., Лукацкая И.А. Некоторые особенности движения вакуумной дуги отключения в магнитном поле. - Журнал технической физики, 1972, т. XLII, вып. 7.
  6. Перцев А. А., РыльскаяЛ.А., Чулков В.В. Повторные пробои двух соединенных последовательно ВДК. - Электричество, 1991, № 3.
 
« Планирование и размещение подстанции   Порядок создания потребительской подстанции »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.