Вакуумные дугогастельные камеры - Вакуумные дугогасительные камеры для выключателей 35 и 110 кВ

Перцев А.А., Гусева Л.Г., Рыльская Л.А.

Разработка и изготовление вакуумных дугогасительных камер на номинальное напряжение 35 кВ и выше возможны лишь на базе высших достижений в области конструирования и технологии изготовления сильноточных (>1 кА), высоковольтных (>100 кВ) крупногабаритных электровакуумных приборов при использовании материалов с контролируемым газосодержанием, заданным химическим и структурным составом. Поэтому очень немногие фирмы выпускают такие камеры. Из табл. 1 следует, что камеры на напряжение 84 кВ выпускаются фирмой «Мейденси» (Япония). В США камеры на 70- 84 кВ - только в стадии разработки. Камеры на 35 кВ выпускаются в Японии, США и СССР, разрабатываются в ФРГ.
Разработанная с учетом норм СССР камера КДВ-35-20/1250 (см. табл. 1) по сравнению с зарубежными аналогами имеет на 6- 11% более высокое наибольшее рабочее напряжение, на 21-37% выше испытательное напряжение 50 Гц и на 22-35% превосходит их по импульсному испытательному напряжению. Повышенные рабочее и испытательные напряжения получены в габаритах, практически не отличающихся от принятых в зарубежных конструкциях. По механическому и электрическому ресурсам отечественная камера превосходит зарубежные в два раза.
Конструкция камеры показана на рис. 1. Четырехсекционный корпус выполнен из керамики. В нем размещены контакты 3, 5 с контактирующими площадками 4, изготовленными из специального материала. Подвижность и герметичность соединения токоподвода контакта 5 с фланцем обеспечивается за счет сильфона. В корпусе также расположены два прифланцевых экрана 1, 8 и три изолированных от других электродов экрана 2, 6, 7, обеспечивающих необходимую электрическую прочность внутренней изоляции корпуса и ее стабильность в процессе эксплуатации. Внешняя изоляция камеры определяется конструкцией выключателя.
Межконтактные и межэлектродные расстояния в камере обусловливаются испытательным напряжением. Они должны быть достаточно большими, чтобы выдержать воздействие испытательного напряжения с вероятностью пробоя, не более заданной.

Таблица 1
Основные технические данные вакуумных дугогасительных камер 35 кВ и выше

Необходимо также скоординировать изоляцию системы промежутков, образуемой экранами, с изоляцией межконтактного промежутка так, чтобы вероятность пробоя системы промежутков была значительно меньше таковой для межконтактного промежутка. Эта задачи решена путем расчета и анализа напряженностей электрического поля на поверхностях электродов камеры с помощью ЦВМ и непосредственными измерениями на макетах камер. Основные результаты этого цикла исследований опубликованы в [1, 5].

Рис. 2. Осциллограммы спровоцированных частицами пробоев макета вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока:
а - пробой, сопровождающийся протеканием тока промышленной частоты; б - пробой без протекания тока промышленной частоты; 1 - кривая отключающего тока; 2 - кривая напряжения на макете.

Выяснена основная причина спорадического снижения электрической прочности камеры, наблюдающегося после токовых и бестоковых циклов ВО, которая не была ясна [7, 8]. Доказано, что ею являются частицы контактного материала, образующиеся от соударения и трения контактов при осуществлении цикла ВО и при горении дуги. Риск возникновения пробоя под действием частиц максимален в течение нескольких десятков миллисекунд после перехода тока через нуль и погасания дуги. Из рис. 2, а видно, что после успешного (в момент T1) отключения тока через 18 мс (в момент T2) произошел пробой, сопровождающийся протеканием тока промышленной частоты. Этот ток прерван при очередном переходе его в момент T3 через нулевое значение. Однако не всегда пробой камеры приводит к протеканию тока промышленной частоты. Возможно прерывание процесса в начальной стадии (рис. 2 б): вследствие пробоя через камеру в течение порядка сотни микросекунд протекает высокочастотный (~ 10 кГц и более) ток. Результирующий ток равен сумме высокочастотного тока и тока промышленной частоты. Если результирующий ток не переходит через нулевое значение, то пробой завершается протеканием тока промышленной частоты. При переходе результирующего тока через нулевое значение дуга гаснет, процесс нарастания тока промышленной частоты прекращается, напряжение на камере восстанавливается (момент Т2 - рис. 2, б). Переходный процесс установления напряжения подобен таковому при отключении тока промышленной частоты (момент Т] - рис. 2, б). Уменьшение вероятности возникновения стимулированных частицами пробоев камеры возможно за счет соответствующих свойств контактного материала (поз. 4 - рис. 1), хорошей вакуумно-технологической обработки камеры, правильно сконструированного привода выключателя [1].
Увеличение межконтактного расстояния ведет к снижению отключаемого тока, поскольку возрастают напряжение на дуге и энерговыделение в камере. В результате цикла исследований [6] разработана конструкция контактной системы, в которой путем наложения на дугу мощного продольного поля удалось снизить напряжение на дуге в 2-3 раза по сравнению с таковым для спиральных контактов. Так, при амплитуде тока до 40 кА напряжение на дуге в камере КДВ-35-20/ 1250 не превышает 50 В. Это позволило существенно увеличить отключаемый ток, и контактная система 080 мм надежно отключает ток до 25 кА в симметричном режиме при амплитуде переходного восстанавливающегося напряжения 66 кВ и возвращающемся напряжении 35 кВ. Конструкция контактной системы запатентована в четырех странах.

Рис. 3. Газоотдача вакуумных дугогасителъных камер в ходе выполнения циклов ВО при токе 500 А:
1 - обработка по ранее принятой технологии; 2 - обработка по специальной технологии (быстрота откачки ~1 л/с).
Таблица 2

Надежная и долговечная работа камеры возможна лишь при тщательном обезгаживании ее электродов. Давление остаточных газов в ней должно быть не более 10'4 Па, что обусловило необходимость разработки специальной технологии. На рис. 3 приведены данные о давлении при непрерывной откачке в камерах КДВ-35-20/1250 в процессе выполнения циклов ВО при токе 500 А. Одни камеры (кривая 1) обезгажены по технологии, принятой для камер на 10 кВ, другие (кривая 2) обезгажены по специальной технологии. В результате максимальное давление в камерах снизилось на порядок, а число циклов
ВО, при котором происходит снижение давления на порядок, уменьшилось с 400-500 до 20-50. Следовательно, применение специальной технологии дало возможность примерно на два порядка улучшить качество обезгаживания камер. Остаточное давление в отпаянных камерах также уменьшилось на два порядка и составляет около 10'4 Па.
В 1981 г. выпускается опытно-промышленная партия камер КДВ-35-20/ 1250, с. 1982 г. запланирован их промышленный выпуск. Высокие эксплуатационные характеристики отечественной камеры класса 35 кВ достигнуты благодаря большому объему исследований при ее разработке, оригинальным конструктивным и технологическим решениям и применению нового контактного материала.
На основе этих камер разрабатываются вакуумные выключатели на 35 и 110 кВ.
Параметры вакуумной дугогасительной камеры на наибольшее рабочее линейное напряжение Uпр  =70 кВ приведены в табл. 1. Камеры предназначены для комплектования вакуумного выключателя класса 110 кВ. Полюс выключателя будет содержать две камеры. Испытаниями подтверждены расчетные величины нагрева при номинальном токе, электрической прочности при испытательном напряжении промышленной частоты и импульсном. Результаты испытания макета на отключающую способность приведены в табл. 2.
Время от начала размыкания контактов до первого перехода тока через нуль задавалось в пределах 8-10 мс, амплитуда и средняя скорость нарастания переходного восстанавливающегося напряжения достигали соответственно 120 кВ и 2,6 кВ/мкс при возвращающемся напряжении 60 кВ и отключаемом токе 12 кА. Во всех режимах отключение происходило при первом переходе тока через нуль.

Список литературы

1. Вакуумная дугогасительная камера для выключателей высокого напряжения! АЛ. Перцев, В.Б. Козлов. Л.Г. Гусева и др. - Электротехн. промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1980, вып. 3 (107), 10-13.
2. Meiden Review Series, т. 56,1979, № 2,4-8.
3. «Westinghouse El. Corp.», 1977, March 21.
4. Kurtz D.F., SofianekJ.C., Crouch D. W. Vacuum interrupters for high voltage transmission circuit breakers. - IEEEPES Winter Meeting, Paper C75 054-2,1975.
5. Электрическая прочность межэкранных промежутков вакуумных дугогасительных кА- мер! Перцев АЛ., Гусева Л.Г., Рыльская Л.А., Куликов А.Е. Труды ВЭИ, вып. 91, 1981.
6. Перцев АЛ., Гусева Л.Г., Куликов А.Е. Вакуумная сильноточная дуга в магнитном поле. -ЖТФ, 1977, т. 47, вып. 10,2112-2115.
7. .Лукацкая И .А., Воскресенский С.Н., Кецарис Н.Н. Исследование вакуумных дугогасительных камер. - Электричество, 1973, № 6,64-68.
8. Воздвиженский ВЛ., Данилов М.Е. Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер. - Электричество, 1977, № 6,67-70.

Электротехническая промышленность, сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1981, № 8 (121)