Вакуумные дугогастельные камеры - Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20

Козлов В.Б., Лукацкая И.А., Воскресенский С.Н., Баринов В.В.  

В последнее время вакуумные выключатели получают все большее распространение [Л. 1, 2]. Этому способствует ряд достоинств вакуумных выключателей: большой ресурс, надежность, быстродействие, малые габариты и ход, бесшумность и взрывобезопасность, малые затраты на ревизию и ремонт, способность работать в любых климатических районах. В ВЭИ имени В.И. Ленина разработана вакуумная дугогасительная камера типа КДВ-10-1600-20 с параметрами: номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 1600 А, номинальный ток отключения 20 кА. Камера представляет собой отпаянный электровакуумный прибор (рис. 1), давление остаточных газов в котором не превышает 133,3-10*4 Па. Контактная система камеры (рис. 1, 2) торцевого типа и состоит из контактов 1 и дугогасящих электродов 2. Контакты имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Дугогасящие электроды представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора (рис. 2). Направление спиралей в противолежащих электродах встречно [Л. 3, 4]. Между контактами и дугогасящими электродами имеется зазор 3 (рис. 1). Форма контактов задает такой путь тока, при котором на дугу, возникающую при размыкании тока, действует радиальное электродинамическое усилие, заставляющее дугу перемещаться на дугогасящие электроды. Радиальные прорези в контактах и зазор между контактами и дугогасящими электродами увеличивают плотность тока в контактах и, следовательно, радиальное электродинамическое усилие, действующее на дугу. Вместе с тем эти контакты позволяют получить небольшое активное сопротивление камеры, что важно для пропускания больших номинальных токов. Секторы в противолежащих дугогасящих электродах образуют три пары рельсов, по которым движется дуга, переходя с одной пары рельсов на другую, до погасания при переходе тока через нуль.
Для контактов специально разработан сплав мевибор [Л. 5], который обладает всеми достоинствами меди: высокой электропроводностью, отключающей способностью, но позволяет получить значительно меньшую силу сварки, чем у меди [Л. 6], при включении тока.

Рис. 7. Схематический разрез камеры КДВ-10-1600-20.
Сила сварки контактов из мевибора в большинстве случаев не превышает 588 Н и примерно в 5% случаев достигает 1960 Н. Контакты и дугогасящие электроды спаяны с медными вводами, один из которых (4) - неподвижный, другой (5) - подвижный и соединен с одним из концевых фланцев 6 через сильфон 7 из нержавеющей стали.
Экранная система камеры состоит из трех экранов, причем средний из них (8) изолирован от вводов и находится под свободным потенциалом, два концевых экрана 9 имеют потенциалы соответствующих вводов. Экранная система выполняет следующие функции: а) защищает внутренние изолирующие поверхности от осаждения продуктов эрозии контактов, благодаря чему сохраняется внутренняя изоляция камеры после многократных коммутаций тока; б) задает распределение потенциалов внутри камеры, в частности уменьшает напряженность электрического поля на спаях диэлектрика с металлом и на краях дугогасящих электродов.
Корпус камеры состоит из двух секций изоляторов 10 из керамики марки 22ХС [Л. 7], соединенных между собой металлической прокладкой 11. Наружная поверхность изоляторов имеет ребра для увеличения пути утечки по изоляции при выпадении росы. Камера снабжена направляющей 12 из силумина. Ход подвижного контакта камеры составляет 12 мм, средняя скорость хода при отключении 1,7-2,3 м/с, при включении 0,6-0,9 м/с, допустимый износ контактов 4 мм. Параметры хода подвижного вывода должны сохраняться в заданных пределах: при их уменьшении снижаются электрическая прочность, отключающая способность и увеличивается износ контактов, при увеличении - снижается ресурс сильфона.
Изоляция камеры соответствует требованиям ГОСТ 1516.1-76 [Л. 8] для нормальной изоляции.
Номинальный ток отключения камеры в трехфазном режиме составляет 20 кА при номинальном значении относительного содержания апериодической составляющей 0,35 и длительности горения дуги не более двух полупериодов. Одна из типичных осциллограмм однофазного отключения тока показана на рис. 3. Испытания показали, что камера успешно справляется с работой в циклах, предусмотренных [Л. 9]. Параметры камеры обеспечивают возможность создания быстродействующих вакуумных выключателей. При отключении тока ненагружен- ных трансформаторов до 5 А перенапряжения не превышали 3,8Uф .

Камера способна пропускать сквозные токи амплитудой не менее 70 кА и четырехсекундный сквозной ток не менее 30 кА. Для компенсации сил электродинамического отталкивания к контактам камеры должно быть приложено дополнительное контактное нажатие, зависимость которого от тока приведена на рис. 4. При пропускании четырехсекундного сквозного тока нагрев выводов камеры значительно меньше, чем это нормировано в [Л. 9]. Так, при пропускании тока 26 кА в течение 4 с при температуре окружающей среды

Рис. 2. Контактная система камеры КДВ-10-1600-20.

1. °С подвижный вывод нагрелся до 95 °С, неподвижный - до 64 °С.
2. В испытании камер в режиме отключения ненагруженных трансформаторов принимали участие канд. техн. наук Воздвиженский В.А. и инж. Улисова И.Н.

Номинальный ток вакуумных дугогасительных камер существенно зависит от их активного сопротивления. Активное сопротивление камеры КДВ- 10-1600-20 составляет 11-16 мкОм. Разброс определяется числом точек касания и состоянием поверхности контактирования. При длительном пропускании через камеру тока 2000 А в однофазном режиме и подключении камеры к источнику тока медными неокрашенными шинами 100x10 установившееся превышение температуры на подвижном выводе составляло 67 °С, на неподвижном 45 °С, на шинах на расстоянии 0,75 м от камеры 45 °С. Таким образом, превышение температуры выводов было не более 70 °С, что допустимо по [Л. 10] для контактных соединений с гальваническим серебряным покрытием. Присоединение к камере радиаторов с общей площадью излучающей поверхности 0,8 м2 позволило пропустить через камеру в однофазном режиме ток 3200 А при превышении температуры выводов на 66 °С. Во время этих испытаний температура окружающей среды составляла 25 °С.
При работе в трехфазном выключателе, где наблюдается нагрев от соседних полюсов и повышается неравномерность распределения тока при помещении вакуумных выключателей в шкафы комплектных распределительных устройств, условия охлаждения камер ухудшаются. В этих случаях при токах 1600-2000 А может потребоваться установка на выводах камер радиаторов, поверхность охлаждения которых зависит от конструкции и сечения шинопровода выключателя, соединяющегося с камерой, и конструкции самого выключателя.

Рис. 3. Типичная осциллограмма при однофазном отключении тока: /-моментрасхождения контактов.
Механический ресурс камеры ограничен ресурсом сильфона и составляет 20000 циклов «включено-отключено» (ВО). Эта величина определена путем испытания 12 камер при ходах подвижного контакта 12 и 19 мм. В результате этих испытаний одна из камер вышла из строя из-за разрушения сильфона через 24000 циклов ВО при ходе 19 мм, другая - через 34000 циклов ВО при ходе 12 мм, остальные камеры выдержали более 35000 циклов ВО.
Электрическая износостойкость камеры зависит от величины отключаемого тока и вибрации контактов при отключении тока. Вибрация контактов, при которой через несколько миллисекунд после замыкания возникает между контактами короткая дуга длительностью примерно 2 мс, увеличивает износ контактов на несколько десятков процентов. В таблице приведены данные по электрической износостойкости камеры КДВ-10-1600-20, причем каждая камера может выполнять один из режимов. Износостойкость камеры при токе 630 А ограничивается ресурсом сильфона.

Камера была подвергнута различным климатическим воздействиям: 1) испытанию изоляции напряжением 28 кВ в условиях выпадения росы по методике [Л. 11]; 2) испытанию на влагоустойчивость в циклическом режиме-9 суток (циклов) при относительной влажности 85-100% и верхней температуре цикла плюс 40 °С с проверкой изоляции напряжением 32 кВ;

4. Зависимость дополнительного контактного нажатия от амплитуды тока.
3) испытанию на устойчивость к смене температуры в режиме пяти циклов -60 ^ +105 °С; 4) испытанию на холодоустойчивость при эксплуатации в режиме 2000 циклов ВО при температуре -60 °С. Все эти испытания камера выдержала, что подтверждает ее работоспособность в различных климатических районах.
Камера выдерживает высокие механические нагрузки. Положительные результаты дали испытания камеры на вибропрочность при ускорении 5 g и частотах до 100 Гц и устойчивость к многократным ударам при ускорении до 75 g. Механические испытания проводились в двух положениях камеры: вертикальном и горизонтальном при консольном закреплении камеры за неподвижный вывод.
Таким образом, результаты приведенных испытаний показали, что камера КДВ-10-1600-20 может найти применение в выключателях общего назначения и с частыми коммутациями тока, предназначенных для использования в различных климатических районах.

Список литературы

1. Kurtz D.R., Sharbaugh А.Н. Operating experience and future prospects for vacuum power circuit breakers. Всемирный электротехнический прогресс. М., 1977.
2. Vacuum surtchiag Deirces / Jmajo j., Ishibashi Т., Matsude S., Ohashi H., Tsusumi T. - Toshiba rev, 1976, № 105, p. 11.
3. Пат. 2949520 (США). Contact structure for an electric circuit interrupter / Schneider N.H.
4. A. c. № 494790 (СССР) Система контактов вакуумной дугогасительной камеры / Лукацкая И.А., Воскресенский С.Н. Опубл. в Б. И. 1975, № 45.
5. А. с. №467126 (СССР). Материал для контактов/Белкин Г. С., Ермаков В.Н., Лукацкая И. А. Опубл. в Б. И. 1975, №14.
6. Применение меди в качестве материала контактных систем вакуумных дугогасительных камер /Г.С. Белкин, С.Н. Воскресенский, В.Н. Ермаков и др. - Электричество, 1972, №10, с. 69.
7. Ероьиев В.К. Металлокерамические вакуумно-плотные конструкции. М.: Энергия, 1970.
8. ГОСТ 1516.1-76. Электрооборудование переменного тока на напряжение от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.
9. ГОСТ 687-70. Выключатели переменного тока высокого напряжения. Общие технические требования.
10. ГОСТ 8024-69. Аппараты переменного тока высокого напряжения. Нормы нагрева при длительной работе и методы испытаний.
11. ГОСТ 15963-70. Изделия электротехнические для районов с тропическим климатом. Общие технические требования.