Перцев А.А., Козлов В.Б., Гусева Л.Г., Рыльская Л.А., Куликов А.Е.
Разработаны и приняты к серийному выпуску вакуумные дугогасительные камеры на рабочее напряжение 10 кВ, номинальные токи 400-1600 А и номинальные токи отключения 4, 10 и 16 кА. Разрабатываются камеры для выключателей класса 20 кВ и выше. Описана одна из таких камер с номинальным током отключения 20 кА и испытательным напряжением промышленной частоты 65 кВ. Вакуумные дугогасительные камеры с таким уровнем испытательного напряжения и выше выпускаются лишь отдельными зарубежными фирмами с высокоразвитым электровакуумным производством [1].
Конструктивные особенности камеры показаны на рис. 1. Четырехсекционный корпус выполнен из керамики. Диаметр камеры определяется номинальным током отключения, высота корпуса выбирается из условий обеспечения электрической прочности 65 кВ. Внутри корпуса размещены контакты 3, 5, предназначенные для коммутации тока. Подвижность и герметичность соединения токоподвода контакта 5 с фланцем обеспечивается за счет сильфона. Внутри корпуса расположена система экранов 1,2,6, 7, 8, из которых экраны 6, 2, 7 изолированы от других электродов, а прифланцевые экраны 1, 8 соединены с контактами 3, 5 соответственно. Экраны обеспечивают необходимую электрическую прочность внутренней изоляции корпуса и ее стабильность в процессе эксплуатации. Давление в камере в течение всего срока службы не превышает 1.10-3 Па.
Технические данные камеры
Напряжение, кВ:
номинальное. 35
наибольшее рабочее. 40,5
Испытательные напряжения при вероятности пробоя не более 0,05, кВ:
50 Гц, одноминутное 65
полный импульс. 150
Номинальный ток, А. 1250
Отключающая способность: номинальный ток
отключения, кА 20
длительность дуги, не более, с. 0,02 Стойкость при сквозных токах короткого замыкания: предельный четырехсекундный ток термической стойкости, кА. 20 амплитуда предельного
сквозного тока, кА. 51
дополнительное контактное нажатие, обеспечивающее устойчивость при сквозных токах, кгс . 150 Ресурс, циклы ВО:
механический 20000
при номинальном токе 20000
при номинальном токе
отключения. 50
Ход подвижного контакта, мм 15 Скорость подвижного контакта, м/с: при отключении (средняя). 1,2-1,5 при включении (мгновенная в момент замыкания контактов) .0,6-0,8 Допустимый износ контактов, не более, мм 2
Большие значения напряжений допускаются при наличии специальных мер по ограничению перенапряжений или при последовательном включении камер.
В процессе разработки камеры решен ряд проблем, в том числе достигнута электрическая прочность всей камеры и координация изоляции ее узлов, создана контактная система на требуемый ток отключения, разработана технология изготовления, обеспечивающая неизменность характеристик камеры в течение срока эксплуатации.
При регламентируемых ГОСТ 1516.1-76 соотношениях между рабочим и испытательным напряжениями межконтактные и межэлектродные расстояния в камере определяются испытательным напряжением. Для достижения требуемой надежности в работе следует скоординировать изоляцию системы промежутков, образуемой экранами, с изоляцией межконтактного промежутка так, чтобы вероятность пробоя системы промежутков была существенно меньше таковой для межконтактного промежутка.
Исследованию электрической прочности межконтактного промежутка посвящен ряд работ [2,3]. Сведения об электрической прочности межэкранных промежутков практически отсутствуют. На макете камеры рис. 1 осуществлены измерения электрической прочности межэкранных промежутков- секций (подробно об этом см. в [4]). Контактирующие поверхности 4 в макете изготовлены из сплава меди, висмута и бора (мевибор) [4]. Перед исследованиями макет прошел тщательную вакуумно-технологическую подготовку, включая тренировку токами отключения и высоким напряжением. Вакуум в нем контролировался и был не хуже 10~2 Па. Электрическая прочность, за которую принималась величина напряжения первого пробоя Uv определялась после воздействия растренировывающего фактора, состоящего в однократном смыкании и размыкании контактов (цикл ВО). Смыкание контактов всегда было бестоковым, а размыкание бестоковым и при отключении тока 1 и 16 кА.
Таблица 1
* Контакты размыкаются в амплитуде тока.
В каждом опыте после выполнения цикла ВО первой определялась электрическая прочность секций 1 и 2, для чего напряжение подавалось на экран 2, а остальные электроды заземлялись. При такой схеме соединений секции 1, 2 соединялись параллельно, на остальных промежутках напряжение отсутствовало.
После вычисления величины U] напряжение доводилось до 30 кВ, и обе секции оттренировывались до состояния, при котором в течение 1 мин пробоев не наблюдалось. Возникновение пробоев фиксировалось осциллографически. Затем в таком же порядке измерялась величина Uv для секций 3, 4, для чего напряжение подавалось на экран
- а остальные электроды заземлялись. Последней в данном опыте измерялась величина U1 для межконтактного промежутка подачей напряжения на контакт 3 при заземлении контакта
- Изолированные экраны 2, 6, 7 находились под плавающим потенциалом. При такой последовательности измерений величина U1 для межконтактного промежутка определяется без помех за счет пробоев секций. После измерения U1 межконтактный промежуток оттренировывался напряжением 50 кВ. В процессе измерений Ux для всех промежутков контакты оставались в разомкнутом состоянии. Они замыкались лишь в начале следующего опыта. Результаты измерений приведены в табл. 1 (напряжение первого пробоя секций и межконтактного промежутка после однократного воздействия на контакты; вероятность возникновения пробоя -0,1; материал контактов - мевибор).
Из табл. 1 следует: в результате отключений тока при бестоковых смыканиях и размыканиях контактов снижаются уровни напряжений первого пробоя межконтактного промежутка и секций. Между этими уровнями существует положительная корреляция;
уровень напряжения первого пробоя секций снижается с исходного 30 до 20-
- кВ после отключений тока и до 16- 18 кВ после бестоковых циклов ВО;
электрическая прочность секций и межконтактного промежутка наиболее снижается после бестоковых циклов ВО;
Таблица 2
разведение контактов в амплитуде тока незначительно снижает электрическую прочность промежутков. Причиной, обусловливающей изменение величины U}, являются частицы, которые образуются при трении и соударении контактов при осуществлении цикла ВО. Попадая на экранную систему, они вызывают снижение электрической прочности последней. В зависимости от свойств контактного материала это снижение может быть большим или меньшим. Снижение величины U после бестокового цикла ВО, как это имело место при изготовлении контактов из мевибора, или после отключений тока тоже обусловливается свойствами контактного материала. Размер и количество частиц, обусловливающих изменение электрической прочности межэлектродных промежутков в камере, должны зависеть от энергии соударения контактов, силы их сжатия и величины взаимного смещения в плоскости контактирования в замкнутом состоянии. Исследования на камере рис. 1 с контактами 4 из материала на основе хрома показали, что электрическая прочность секций и межконтактного промежутка в этом случае существенно выше.
Исследования электрической прочности межконтактных промежутков с контактами из мевибора и контактами из материала на основе хрома показали, что напряжение первого пробоя U] от опыта к опыту изменяется случайно. Распределение случайной величины Ux при вероятностях 0,05-0,95 соответствует нормальному закону. Сопоставление параметров распределения U и а электрической прочности межконтактных промежутков с различными контактными материалами при d= 15 мм в различных условиях приведено в табл. 2 (U - математическое ожидание случайной величины Ur о - стандартное отклонение).
Приведенные данные указывают на почти двухкратное преимущество материала на основе хрома над мевибором. Чем меньше допустимая вероятность отказа (пробоя), тем больше преимущество, что обусловлено меньшей величиной коэффициента вариации для этого материала.
Электрическая прочность межконтактного промежутка камеры рис. 1 с контактами 4 на основе хрома при расстоянии d между ними 10 и 15 мм характеризуется распределениями 1, 2, показанными на рис. 2. Каждое распределение построено по результатам десяти измерений. Растренировывающим фактором были бестоковые соударения контактов с энергией удара 0,8-0,9 Дж при силе сжатия контактов 300 Н.
Рис. 2. Статистические функции распределения величины напряжения первого пробоя вакуумной дугогасительной камеры на 35 кВ с контактами из материала на основе хрома после бестоковых циклов ВО:
1 - межконтактное расстояние d= 10 мм;
2 -ch 15 мм.
Рис. 3. Осциллограмма отключения тока:
1 - напряжение на дуге; 2 - отключаемый ток; 3 - напряжение на камере, частота собственных колебаний восстанавливающегося напряжения 8,5 кГц; Г - момент размыкания контактов; А - уровни ограничения напряжения измерительной схемой.
Экспериментальные точки достаточно плотно группируются около прямых, соответствующих в приведенной на рис. 2 системе координат нормальному распределению. Параметры распределения I при ch 10 мм составляют: U= 98 кВ, Oj=12 кВ; распределения 2 при chi5 мм:
U= 152 кВ, а2=13 кВ. Из этих распределений следует, что электрическая прочность межконтактного промежутка зависит прямо пропорционально от межконтактного расстояния, если сравнивать величины UxwUv По абсолютной величине напряжение первого пробоя достигает -130 кВ при вероятности 5% и межконтактном расстоянии 15 мм.
При изменении растренировывающего фактора параметры распределения могут быть иными.
Эффективное использование площади контактов при горении дуги позволяет увеличить отключаемый ток. Обычно эта задача решается созданием в межконтактном промежутке радиального магнитного поля. Такая форма магнитного поля получается за счет сложения встречных магнитных полей, образуемых каждым контактом в момент протекания по ним тока дуги. Примером такой контактной системы может служить описанная в [4]. Дуга, взаимодействуя с радиальным магнитным полем, перемещается по поверхности контактов, чем исключается возможность их локального перегрева и увеличивается отключаемый ток. Напряжение на дуге в контактных системах с радиальным магнитным полем при токах отключения более 15-20 кА достигает 150-200 В и характеризуется наличием широкого спектра высокочастотных колебаний [5]. Создание в межконтактном промежутке магнитного поля с мощной продольной составляющей позволяет уменьшить напряжение на дуге в 2-3 раза по сравнению с указанной величиной и повысить отключаемый ток [6]. Снижение напряжения на дуге особенно актуально для камер на повышенное рабочее, а следовательно, и испытательное напряжение, в которых приходится увеличивать длину межконтактного промежутка. Разработанная контактная система создает продольное магнитное поле достаточной индукции, благодаря чему и напряжение на дуге не превышает 60 В при протекании через камеру предельного тока отключения. На рис. 3 приведена осциллограмма отключения тока амплитудой 33 кА при пике восстанавливающегося напряжения 57 кВ, частоте собственных колебаний 8 кГц и действующем значении возвращающегося напряжения 37 кВ. Отключение произошло при первом переходе тока через нулевое значение, а напряжение на дуге составило 50±2 5ампл. В кривой напряжения на дуге полностью отсутствуют высокочастотные колебания, характерные для контактных систем с радиальным магнитным полем при отключении токов такой величины.
Ток, отключаемый вакуумной дугогасительной камерой, мало зависит от амплитуды и скорости восстанавливающегося напряжения, а остаточный ток прекращается через 10-20 мкс после перехода тока через нулевое значение [5]. Результат этого - некритичность камеры в отношении величины наибольшего рабочего напряжения (см. технические данные камеры). Ход подвижного контакта и межэкранные расстояния определяются уровнями испытательного напряжения промышленной частоты и импульсного, которые камера должна выдерживать с вероятностью пробоя не более заданной. Поэтому при выборе камеры для выключателя следует исходить из величины номинального тока отключения, испытательных напряжений и допустимой вероятности пробоя. Так, в выключателе на 110 кВ для частых коммутаций, для которого разработана камера, предполагается использовать четыре камеры в полюсе, включенные последовательно. Кроме того, камера может применяться в выключателях на номинальное напряжение 20 кВ с нормальной изоляцией и в выключателях на 35 кВ для электроустановок со сниженными перенапряжениями.
Список литературы
- Бронштейн Л.М. Развитие и применение вакуумных выключателей за рубежом. - Энергохозяйство за рубежом, 1979,№ 1, с. 18.
- Воздвиженский В А., Данилов М.Е. Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер. - Электричество, 1977, № 6.
- Фарелл Г. Вакуумные дуговые разряды и коммутация цепей. -ТИИЭР, 1973,61, с. 68-96.
- Вакуумная дугогасительная камера КДВ-1600-20 / Козлов В.Б., Лукацкая И.А., Воскресенский С.Н., Баринов В. В. - Электротехника, 1978, № 11, с. 44.
- Ochiai S., Yokoyama Т. Performance for Extinguishing in Vacuum - Meiden Review, 1975, №50,5.
- Перцев А. А., Гусева Л.Г., Куликов A.E. Вакуумная сильноточная дуга в магнитном поле. - ЖТФ, 1977,47,10, с. 2112.
Электрическая промышленность, сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1980, № 3 (107)
