Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Исследование коммутационного ресурса вакуумных дугогасительных камер

Исследование коммутационного ресурса вакуумных дугогасительных камер

Лукацкая И.А.

Большой коммутационный ресурс является одним из основных достоинств вакуумных выключателей. Это качество обусловлено тем, что в вакууме при коммутациях тока не образуются окислы и другие химические
соединения материала контактов, а энергия, выделяемая в вакуумной дуге (ВД), определяемая при заданном токе падением напряжения в ВД, мала. Это падение напряжения при номинальных токах не превышает нескольких десятков вольт, а при токах короткого замыкания даже в контактных системах вакуумных дугогасительных камер (ВДК) с вращающейся дугой - нескольких сотен вольт.
Критерием коммутационного ресурса является наибольший допустимый износ контактов, при котором еще сохраняется работоспособность ВДК. Износ контактов зависит от свойств ВД, на которые в свою очередь влияют значение коммутируемого тока и следующие конструктивные факторы:

  1. материал контактов;
  2. конфигурация и размеры контактных систем;
  3. расстояние между контактами;
  4. скорость хода подвижного контакта при включениях и отключениях тока.

В настоящей работе обобщены данные по износу контактов, полученные при испытаниях на коммутационный ресурс восьми типов ВДК, разработанных под руководством автора. Номинальное напряжение ВДК составляло 10 кВ, номинальные токи 400-3150 А, номинальные токи отключения 4-40 к А [1]. ВДК с номинальными токами отключения 10 кА и более имели контактные системы, снабженные в своих контактирующих и дугогасящих частях изогнутыми в тангенциальном направлении прорезями, благодаря которым при протекании отключаемого тока через контактную систему и ВД создавалось радиальное магнитное поле, при взаимодействии с которым ВД вращалась. ВДК с номинальным током отключения 4 кА имела контакты в виде сплошных цилиндров диаметром 28 мм. В трех типах ВДК в качестве контактного материала применялся сплав медь-висмут-бор, в остальных - композиция хром-медь с содержанием хрома 50% по массе. ВДК имели различные диаметры контактирующих (40-65 мм) и дугогасящих (60-110 мм) частей.

1 Доклад был представлен на II симпозиуме «Электротехника 2010 год», Москва, май 1995 г.

Испытания на коммутационный ресурс при номинальных токах производились при возвращающемся напряжении 220 Вдейст. в однополюсном режиме. Допустимость испытания при указанном напряжении обусловлена тем, что оно на порядок выше падения напряжения в ВД при этих токах. Имеются различия во времени горения дуги, а следовательно, и износе контактов при испытаниях на коммутационную износостойкость при высоком и низком возвращающихся напряжениях, а также в трехполюсном и однополюсном режимах. Путем испытаний и расчетов было установлено, что при испытаниях в однополюсном режиме при пониженном напряжении число циклов ВО должно быть увеличено в 1,4 раза, чтобы обеспечить эквивалентность с трехполюсным режимом при наибольшем рабочем напряжении. Соответственно увеличивалось число циклов ВО по отношению к номинальному значению, которое составляло (10-50) тыс. циклов ВО для разных типов ВДК. Испытания проводились при токах 630-2000 А.
При токах 10-40 кА испытания проводились в трехполюсном режиме при наибольшем рабочем напряжении, за исключением отдельных случаев, когда при токе 40 кА часть циклов ВО или О выполнялась при пониженном напряжении 3-5 кВ. При токе 4 кА испытания проводились в однополюсном режиме при наибольшем рабочем напряжении.
Во всех опытах средняя скорость хода подвижного контакта ВДК при включениях и отключениях составляла 0,6-0,9 м/с и 1,4-2,0 м/с, соответственно. Ход подвижного контакта составлял 4-14 мм в зависимости от типа ВДК. При испытаниях в режиме номинальных токов ВДК устанавливались на специальном моторно-пружинном приводе, с помощью которого производилось 720 циклов ВО в час. Время протекания тока через ВДК составляло 20-40 мс. Испытания ВДК в режиме номинальных токов отключения проводились в составе соответствующих вакуумных выключателей. Во всех опытах фаза размыкания контактов была произвольной. Износ контактов измерялся в миллиметрах.
В процессе испытаний было установлено, что при включениях в случае вибрации или отброса контактов при пиках сквозного тока, когда ВД горит при малых расстояниях между контактами, износ возрастает в несколько раз. Поэтому при испытаниях были приняты меры, чтобы время горения ВД при вибрациях и отбросах не превышало 2 мс, допустимых по техническим условиям, а число опытов с указанными явлениями не превышало 10% при номинальных токах отключения и 30% при номинальных токах.
С помощью ВДК с контактами из сплава медь-висмут-бор и номинальным током отключения 20 кА было выполнено несколько десятков отключений тока 20 кА при размыкании контактов в начале полупериода тока и в области максимума тока. Во всех опытах погасание ВД происходило при первом прохождении тока через нуль. Оказалось, что во втором случае износ контактов был в несколько раз большим, чем в первом, несмотря на меньшее время горения ВД. В [2-4] показано, что при малых расстояниях между контактами, что имеет место, в частности, непосредственно после размыкания контактов, возникает контрагированная форма ВД, причем расстояние, на котором она способна существовать, увеличивается с ростом тока. Во время существования контра- гированной формы ВД износ контактов значительно больше, чем в ВД с рассеянными катодными пятнами. По- видимому, именно существованием контрагированной формы дуги можно объяснить повышенный износ контактов при вибрациях, отбросах и размыканиях в области максимума тока.
Сопоставление износа контактов при номинальных токах отключения при операциях О и ВО показало их незначительное отличие. Это можно объяснить малыми токами в момент включения и малым временем ВД при включении из-за высокой электрической прочности вакуумных промежутков.
Была построена зависимость среднего арифметического значения для данного тока удельного износа контактов а [r/кА в х цикл ВО] от коммутируемого тока. Оказалось, что для всех типов камер с одинаковым контактным материалом удельные значения износа контактов независимо от их диаметра ложатся на одну кривую. Причем у контактов из сплава медь- висмут-бор износ во всем диапазоне токов примерно в два раза больше, чем у контактов из композиции хром-медь. При токах до 5 кА указанные зависимости носят степенной характер и хорошо аппроксимируются следующими формулами:
для сплава медь-висмут-бор
(1)
для композиции хром-медь
(2)
В формулах (1), (2) а выражено в граммах на килоампер действ., умноженных на цикл ВО, / - в килоампер действ. Расчет показывает, что для выражения а в грамм на кулон необходимо коэффициент I умножить на 0,157. При токах более 5 кА рост удельного износа контактов по мере увеличения тока замедляется. Это иллюстрируется кривыми, приведенными на рисунке. При увеличении тока с 10 до 40 кА а возрастает в 1,8 раза, в то время как при увеличении тока с 5,0 до 10 кА а возрастает в 4 раза.
Обнаруженные закономерности позволяют предположить следующее:

  1. При отключении токов до 5 кА износ контактов определяется начальной стадией ВД, которая носит контрагированный характер.
  2. При токах более 5 кА (амплитудное значение 7 кА) начинают сказываться силы взаимодействия магнитного поля в межконтактном промежутке с током ВД. Эти силы заставляют дугу двигаться по поверхности контактов и уменьшают их износ. Влияние этих сил с ростом тока увеличивается, что и приводит к замедлению роста удельного износа контактов.

Результаты, приведенные в настоящей работе, показывают, что износ контактов ВДК можно уменьшить не только за счет выбора более дугостойкого контактного материала, но и с помощью следующих мероприятий: исключения вибрации и отброса контактов, увеличения начальной скорости хода подвижного контакта при отключении, а также путем придания контактирующей части контактных систем с вращающейся дугой конфигурации, обеспечивающей достаточные электродинамические усилия.

Зависимость удельного износа контактов от тока
Зависимость удельного износа контактов от тока:
X - композиция хром-медь;
О - сплав медь-висмут-бор
В контактных системах с продольным магнитным полем при токах короткого замыкания износ контактов меньше, чем в контактных системах с радиальным магнитным полем, благодаря меньшему падению напряжения в дуге. Однако эти контактные системы имеют большее омическое сопротивление, и из-за затруднений с теплоотводом при протекании номинальных токов в ряде случаев их не удается применить.
Полученные данные можно использовать для расчета износа контактов при разработках ВДК.
Список литературы

  1. Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные Всесоюзным электротехническим институтом им. В.И. Ленина IГ. С. Белкин, И.А. Лукацкая, А.А. Перцев и др. // Электротехника, 1991, № 12. С. 9-15.
  2. Селикатова С.М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения // ЖТФ, 1972, XLII, вып. 7. С. 1508-1515.
  3. Lukatskaya I.A., Selikatova S.М. Investigation of Arc in Contact Systems of Vacuum Interrupters // Proc of the VH-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Novosibirsk, 1976. P. 434.
  4. Grundlagenarbeiten Zur Entviclung von Vacuumschaltem / R. Gebel, G.Lins, B.-I. Paul,
  5. Paulus П Siemens Energie Automation. 7 (1985). H2. S. 79-84.

Электротехника, 1996, № 8

 
« Испытания масла Mobil Rarus 429 в компрессоре ВШВ-2,3/230   Исследование старения и срока службы внутренней изоляции ВН »
электрические сети