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.
- 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:
- в горизонтальном при консольном креплении камеры на платформе стенда;
- в вертикальном с подвижным контактом вверху;
- 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
- Лукацкая И.А., Попов Н.А., Воскресенский С.М. Дугогасительные камеры вакуумных выключателей нагрузки. - Электротехника, 1969, № 7, с. 15-17.
- 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.
- 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.
- Потокин B.C. Вакуумные дугогасительные камеры с повышенной электрической прочностью. - Электричество, 1973, № 6.
- Розанова Н.Б. Пробой вакуума, инициируемый макрочастицами. -Изв. АН СССР, сер. физ., 1962, № И, т. XXVI, с. 1439.
- Лысое И.Е. Сваривание замкнутых одноточечных контактов. - Электротехника, 1964, № 4.
- Лукацкая И.А. Влияние конструкции экранов на характеристики вакуумных дугогасительных камер. - Электротехника, 1971, № 8, с. 47-50.
- Селыкатова С.М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения. - Электропромышленность, 1971, №5, с. 17-20.
- Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968, с. 243.
