Электрическая прочность межэкранных промежутков вакуумных дугогасительных камер

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

Пробой вакуумной дугогасительной камеры может произойти между контактами, но может быть также спровоцирован пробоем любого другого межэлектродного  промежутка. Пробой межконтактного промежутка приводит лишь к сбою в работе камеры. Пробой других промежутков, когда часть пути тока проходит по одному или нескольким экранам, чреват необратимым ухудшением электрических характеристик камеры по причине металлизации изоляционного корпуса, разрушения экранов или корпуса. Следовательно, при проектировании камеры необходимо свести практически к нулю вероятность пробоя всех промежутков, образуемых экранами, в любых режимах работы.
Исследованию электрической прочности межконтактного промежутка посвящено несколько работ, в которых рассмотрены изменения этой характеристики в зависимости от длины межконтактного промежутка, материала контактов, силы отключаемого тока. Сведения же об электрической прочности межэкранных промежутков в литературе практически отсутствуют. Прямое использование результатов исследований, выполненных на межконтактных промежутках, для анализа электрической прочности межэкранных промежутков неправомерен, поскольку экраны работают в существенно отличающихся условиях. Экраны в отличие от контактов не подвергаются механическим воздействиям, действию катодных и анодных пятен и других факторов. Но нельзя априорно полагать, что однажды оттренированный напряжением межэкранный промежуток будет сохранять неизменной свою электрическую прочность в течение срока службы камеры, поскольку экраны расположены в непосредственной близости от контактов и подвергаются воздействию плазмы, потока пара и частиц. Без знания факторов, влияющих на электрическую прочность межэкранных промежутков, невозможно спроектировать камеру с правильной координацией изоляции.

Целью настоящей работы является выяснение влияния на электрическую прочность межэкранных промежутков токовых и бестоковых смыканий и размыканий контактов камеры.

Эскиз макета вакуумной дугогасительной камеры.
Макет. Методика. Исследования выполнены на макете (см. рисунок). Он имеет четыре межэкранных промежутка - секции I—IV , образуемые тремя изолированными 3-5 и двумя прифланцевыми 6, 7 экранами. Минимальное расстояние между смежными экранами составляет 13-15 мм. Все электроды макета сделаны из меди, кроме контактирующих частей 8 контактов 1, 2, выполненных из сплава мевибор (0,3% висмута, 0,008%) бора, остальное - медь), широко применяемого в качестве контактного материала. Диаметр контактов 80 мм, радиус скругления кромок 5 мм. Радиус скругления кромок экранов 2,5 мм. Макет перед исследованиями тщательно обезгаживается прогревом в течение 20 ч при температуре 450 °С на вакуумном посту безмасляной откачки и отключениями тока промышленной частоты: 0,5; 1,2-9; 10-19; 20- 26 кА с числом отключений 500; 100; 25; 13; 7 соответственно. Оба контакта работали примерно поровну в режиме анода и катода вакуумной дуги. После такой подготовки давление газа в макете в процессе последующих исследований не превышало 10'2 Па.
За электрическую прочность испытуемого промежутка принималось напряжение первого пробоя U . Испытательное напряжение до 50 кВ, 50 Гц подавалось от установки АИИ-70. Скорость подъема напряжения при испытаниях составляла 2-3 кВ/с, возникновение пробоя фиксировалось осциллографически.
Значения U1 секций и межконтактного промежутка определялись после однократного смыкания и размыкания контактов (цикл ВО), причем смыкание контактов всегда было бестоковым, напряжение на камере отсутствовало. Размыкание контактов было как бестоковым, так и при отключении тока. Скорость соударения контактов при смыкании 0,1 м/с, сила сжатия в замкнутом состоянии 1000 Н, средняя скорость при размыкании 1,2 м/с. Фаза размыкания контактов контролировалась, поэтому длительность горения дуги составляла 7-10 мс, кроме части опытов, когда размыкание начинали в амплитуде тока.

Пружинный привод обеспечивал ход подвижного контакта 15 мм.
В каждом из опытов после выполнения цикла ВО первой определялась электрическая прочность секций 7 и 2, для чего напряжение подавалось на экран 4, а остальные электроды заземлялись. При такой схеме секции 7 и 2 оказывались соединенными параллельно, на остальных промежутках напряжение отсутствовало. После определения f/j напряжение доводилось до 30 кВ и обе секции оттренировывались до состояния, при котором в течение 1 мин пробоев не наблюдалось. Обычно подъем напряжения до 30 кВ сопровождался несколькими пробоями. Более высокое напряжение на секции не подавалось из-за возникновения перекрытий наружной изоляции. Затем в таком же порядке измерялось U] для секций 3 w 4, для чего напряжение подавалось на экран 5, а остальные электроды заземлялись. Последним измерялось f/j межконтактного промежутка подачей напряжения на контакт 1 при заземлении контакта 2. Изолированные экраны 3-5 находились под плавающим потенциалом. При такой последовательности измерений U{ для межконтактного промежутка определяется без помех за счет пробоев секций, поскольку на каждую из них приходится часть напряжения, приложенного к межконтактному промежутку, а электрическая прочность каждой секции предшествующей тренировкой доведена до 30 кВ. После измерения U] межконтактный промежуток оттренировывался напряжением 50 кВ. В процессе измерений U] для всех перечисленных промежутков контакты оставались в разомкнутом состоянии. Они смыкались лишь при начале выполнения следующего опыта. Напряжение
U] для секций и межконтактного промежутка измерено после отключения тока 16±2 кА, 1 ±0,2 кА и после бестоковых циклов ВО. Часть опытов по отключению тока 16 кА выполнена при размыкании контактов в амплитуде тока для выяснения роли сильноточной (амплитудой 16л[2 кА) короткой дуги, образующейся между контактами в начальной фазе из размыкания.
Результаты. В табл. 1 приведены результаты измерений U] секций и межконтактного промежутка. Нумерация опытов соответствует хронологической последовательности их выполнения.
Из таблицы следует, что на начальной стадии (опыты 1 -44) под действием отключаемого тока может снижаться электрическая прочность межконтактного промежутка от 50 кВ, до которой он был оттренирован в ходе выполнения предшествующего опыта, до 22-24 кВ. Лишь десятки отключений тока 16 и 1 кА с воздействием испытательного напряжения дают возможность получить стабильные результаты и предотвращают уменьшение Ux ниже 45 кВ, что видно из результатов опытов 45-65. Заметим, что тренировка камеры отключениями тока 16 кА не заменяет тренировку отключениями тока 1 кА, что, видимо, является следствием различных воздействий на систему электродов контрагированной (при 16 кА) и диффузной (при 1 кА) вакуумной дуги.
Как изменяется электрическая прочность секций и межконтактного промежутка в камере после достижения стабильности ее электрических характеристик при указанных выше воздействиях на контактную систему, видно по результатам опытов 45-95. Для удобства анализа эти результаты представлены в табл. 2.
Таблица 1
Число опытов, в которых Ux оказалось равным или меньше указанного

Из табл. 2 следует, что в результате отключений тока и при бестоковых смыканиях и размыканиях контактов снижается напряжение первого пробоя как межконтактного промежутка, так и секций: напряжение первого пробоя секций снижается с исходного 30 до 20- 26 кВ после отключений тока и до 16- 18 кВ после бестоковых циклов ВО; наибольшее снижение электрической прочности как секций, так и межконтактного промежутка наблюдается после бестоковых циклов ВО; разведение контактов в амплитуде тока в минимальной степени снижает электрическую прочность промежутков.
Анализ. Амплитуда напряженности пробоя на экранах макета с учетом коэффициента неоднородности электрического поля К= 3,5 составляет 6 кВ/мм (U= 16 кВ, d= 13 мм), а для межконтактного промежутка при (У =30 кВ и К = 1,4 пробой происходит при напряженности на поверхности контактов Е = 4 кВ/мм [вероятность пробоя при этом составляет менее 0,1 (табл. 1)]. Напряженности пробоя более всего соответствуют данным экспериментов со свободными частицами на электродах. В вакуумном промежутке с медными электродами при наличии на них никелевых частиц диаметром 0,01 мм пробой происходил при напряженности поля на электродах 25 кВ/мм, при диаметре частиц 1 мм напряженность пробоя составляла 8 кВ/мм, напряжение постоянное [1]. Уровень напряженности пробоя существенно зависит от материала частицы. Так, ртутные капельки на стальных электродах снижали напряженность до 2 кВ/мм. Никакие другие экспериментальные условия при обезгаженных и оттренированных электродах не приводили к возникновению пробоев при столь низких напряженностях. Если допустить, что при изменении коэффициента неоднородности электрического поля от 1 до 3,5 напряженности пробоя на электродах существенно не изменяются, то в условиях нашего опыта и экспериментов, на которые дается ссылка в [1], они весьма близки. К тому же надо учесть, что при смыкании и размыкании в отсутствие тока контакты подвергаются соударениям и трению, из-за которых происходит образование частиц. В зависимости от структуры и прочности контактного материала, энергии соударения и силы сжатия контактов изменяются размер и количество частиц. Скорость их может быть порядка скорости подвижного контакта, что достаточно для попадания на экраны. С поверхностью экранов такие частицы связаны слабо. Все сказанное убеждает, что пробой межэкранных промежутков в макете
Таблица 2 обусловлен металлическими частицами. Заметим, что, даже не прибегая к сопоставлению напряженностей на электродах при пробое, можно сделать однозначный вывод, что причиной снижения U] секций после бестоковых циклов ВО является попадание частицы с контактов. В силу специфики принятой методики любые другие факторы, снижающие электрическую прочность, в этих опытах не могли иметь места. Диаметр частиц, если исходить из полученных Ез и Кк и данных [1], должен быть примерно 0,1 мм. Думается, что наличие свободного висмута в материале контактов и частиц также заметно снижало напряженность пробоя, поскольку, как и ртуть, он имеет малый пороговый ток дуги [2].
Значения

Причиной растренировки межконтак- тного промежутка после бестоковых циклов ВО также являются частицы. Этот вывод однозначно вытекает из близости значений Е =6 кВ/мм и Е =4 кВ/мм. То, что Е <Е , в частности, может быть следствием различия материалов контактов и экранов.
Проанализируем причину различия снижения электрической прочности промежутков камеры при токовых и бестоковых циклах ВО. Речь пойдет о роли свободных частиц, образующихся при соударении и трении контактов в процессе смыкания. Частицы, образующиеся на контактах из материалов с повышенным газосодержанием под действием катодных пятен [3], находятся сразу в жидком состоянии и, прилипая более или менее прочно к экранам, не так опасны в отношении снижения Uv как первые. Меньшее снижение электрической прочности промежутков камеры после отключений тока вероятнее всего объясняется существенным уменьшением под действием дуги числа частиц и усилением их связи с контактами. При нагреве дугой они лучше сцепляются с контактами и для провоцирования пробоя требуется более высокое напряжение. Ясно, что чем больше ток, тем эффективнее работает этот механизм, при достаточном токе такие частицы вообще ликвидируются. Покажем, что достаточный нагрев частиц в условиях нашего эксперимента мог быть достигнут даже при отключении тока 1 кА.
При средней скорости разведения контактов 1 м/с этот процесс заканчивается за 15-20 мс, т.е. после погасания дуги. Следовательно, в течение всего времени горения дуги (7-10 мс) частицы нагреваются потоками энергии плотностью Qa и Q соответственно для анода и катода.
Можно показать, что повышение температуры АТ сферической частицы, ее диаметр D и поток энергии плотностью Q на поверхности частицы при отсутствии теплоотдачи связаны соотношением
(1)
где С - удельная теплоемкость; 8 - плотность материала частицы.
Плотности потоков энергии на аноде и катоде вакуумной дуги определялись расчетным путем и исследовались неоднократно экспериментально [3]. Для диффузной дуги они равны:
(2) (3)
где j - средняя за время горения дуги плотность тока на контакте в макете, при отключаемом токе 1 кА у = 3-105 А/м2; t - время горения дуги; U , U - эквивалентные напряжения, причем для последующих оценочных расчетов в первом приближении положим, что U =10 В, U =5 В.

Расчет в соответствии с (1)-(3) показал, что за время горения дуги частицы диаметром до 0,2 мм на контакте-аноде и частицы диаметром до 0,1 мм на контакте-катоде нагреваются от комнатной температуры до температуры плавления висмута (АТ— 250 °С). Расплавляющийся висмут усиливает связь частиц с контактами. И действительно пробой межконтактного промежутка возникает при более высоком напряжении (45 вместо 30 кВ, см. табл. 2). Более прочная связь частиц с контактами делает невозможным их отрыв и попадание на экраны. Поэтому электрическая прочность секций с исходной 30 кВ падает до 20-26 кВ, а не до 16-18 кВ, как это было при бестоковых циклах ВО. То, что электрическая прочность секций все же снижается на 4-10 кВ, может быть следствием попадания на экраны капель, испускаемых катодным пятном. Ранее отмечалось [4], что горение дуги снижает электрическую прочность предварительно оттренированного межконтактного промежутка более чем вдвое. Полученные результаты свидетельствуют о том, что и электрическая прочность ранее оттренированных секций снижается после горения дуги на контактах.
Укажем еще на возможные механизмы уничтожения слабо связанных с контактами частиц. Уничтожение их на контакте-катоде может происходить под действием катодных пятен, которые, как известно, фиксируются на неровностях электрода. Размыкание контактов при большом мгновенном значении тока приводит в действие еще один механизм уничтожения частиц. До размыкания контактов ток проходит через несколько областей стягивания. В окрестностях этих областей располагаются образующиеся при смыкании контактов частицы, поскольку в других местах контакты не соприкасаются. Размыкание контактов при достаточно большом токе приводит к быстрому (примерно 10 мкс) разогреву областей стягивания до температур в тысячи градусов [3]. Ясно, что частицы в таких условиях ликвидируются. Электрическая прочность межконтактного промежутка при этом оказывается высшей, что видно из сравнения данных для токов 16 кА (табл. 2), полученных при размыкании контактов при мгновенных значениях тока менее 5 кА в первом и 16л/2 кА во втором случае, но при одинаковых действующих значениях отключаемого тока.
Вакуумная дугогасительная камера на рабочем напряжении 10 кВ должна выдерживать испытательное 1 -минутное напряжение 42 кВ. Обычно такие камеры делаются с одним изолированным экраном, т. е. имеют две секции. Если в качестве контактного материала использован мевибор, а межэкран- ные расстояния составляют 13-15 мм, то с учетом данных табл. 2 экранная система такой камеры после бестоковых циклов ВО начнет пробиваться при напряжении 32-36 кВ с вероятностью не менее 0,1 без учета неравномерности деления напряжения по секциям, которое наблюдается в действительности. Ясно, что такая камера не будет иметь требуемую эксплуатационную надежность. Увеличение межкон- тактного расстояния лишь усугубит положение, поскольку камера будет относительно чаще пробиваться по экранам и быстрее выйдет из строя.
С возможностью пробоев экранной системы следует считаться при снятии зависимости напряжения пробоя межконтактного промежутка от его длины. На наш взгляд, именно помехами за счет пробоев экранной системы можно объяснить замедление роста электрической прочности с длиной межконтактного промежутка при d > 8 мм [5].
Нельзя априорно полагать, что наибольшим растренировывающим эффектом обладают бестоковые циклы ВО. Если контактный материал таков, что при смыкании контактов образуются частицы заметно меньших размеров, чем бывают при использовании мевибора, то электрическая прочность промежутков камеры в максимальной степени будет снижаться после отключений тока.
Результаты проведенной работы таковы:

1. Под действием отключаемого тока, а также бестоковых смыканий или размыканий электрическая прочность межэкранных промежутков вакуумных дугогасительных камер изменяется, положительно коррелируясь с электрической прочностью межконтактного промежутка. Корреляция обусловлена общей влияющей на электрическую прочность причиной, которой при бестоковых включениях или отключениях являются достаточных размеров металлические частицы, образующиеся при соударении и трении контактов, а при отключении тока - частицы, образующиеся под действием катодных пятен.
2. В вакуумных дугогасительных камерах с контактами из мевибора и экранами из меди минимальный уровень электрической прочности промежутков наблюдается при бестоковых циклах ВО. Он составляет 16-18 кВ для межэкранных (длиной 13-15 мм) и 30 кВ для межконтактного (длиной 15 мм) промежутков при вероятности пробоя 0,1.
3. Вакуумная дугогасительная камера с тремя изолированными экранами, межконтактным и межэкранными расстояниями, материалом электродов, указанными в п. 2, при равномерном распределении напряжения между экранами будет иметь правильную координацию изоляции системы экранов и межконтактного промежутка. Это обусловлено тем, что напряжение первого пробоя экранной системы примерно вдвое больше такового для межконтактного промежутка. Напротив, при тех же условиях вакуумная дугогасительная камера с одним изолированным экраном будет иметь неудовлетворительную координацию изоляции системы экранов и межконтактного промежутка, поскольку вероятности их пробоев соизмеримы. Для получения удовлетворительной координации необходимо либо увеличить межэкранные расстояния, либо уменьшить межконтактное расстояние. В последнем случае камера перейдет в предшествующий класс рабочего напряжения.

Список литературы

1. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. - М.: Атомиздат, 1972. - 265 с.
2. КесаевИ.Г. Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука, 1968. - 116 с.
3. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. - М.: Наука, 1970.-477 с.
4. Фарелл Г.А. Вакуумные дуговые разряды и коммутация цепей. - Тр. Ин-та инженеров по электротехн. и радиоэлектрон., 1973, т. 61, с. 68-96.
5. Воздвиженский В.А., Данилов М.Е. Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер. - Электричество, 1977, №6, с. 67-70.

Сб. науч. тр. ВЭИ. Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. М., 1982