Перцев А.А., Петерсон АЛ., Рыльская Л.А.
Излагаются рекомендации по повышению достоверности сертификационных испытаний высоковольтных вакуумных выключателей. Рекомендуются меры по выявлению полного числа повторных пробоев при коммутационных испытаниях и способ испытаний выключателей на стойкость к сквозным токам КЗ, исключающий принятие ошибочного заключения.
The article gives the recommendations concerning improvement of HV circuit-breakers certification tests accuracy based on VEI researches. The article discloses the measures allowing to determine the total number of restrikes occurring in switching tests and the method of testing circuit-breakers for short-circuit steady-leakage current resistance, which eliminates the probability of taking a wrong decision.
Вакуумные выключатели обладают рядом известных ценнейших качеств, таких как большая коммутационная способность, высокая износостойкость, стабильность электрического сопротивления контактов, полная экологическая чистота, малые затраты на обслуживание, высокая надежность, взрыво- и пожаробезопасность. Кроме того, основные коммутирующие элементы выключателей - вакуумные дугогасительные камеры (камеры) - выпускаются на специальных заводах по приемлемым ценам и доступны широкому кругу потребителей. Изготовление этих выключателей не требует сложного и громоздкого оборудования. Эти обстоятельства и относительная простота конструкции привлекают к изготовлению выключателей энтузиастов, зачастую не знакомых с особенностями этих аппаратов, обусловленных работой силовых контактов камер в вакууме. При выпуске этих аппаратов на рынок изготовители обычно полагаются на положительные результаты испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 687-78, который, однако, не учитывает некоторых особенностей вакуумных выключателей. Поэтому результаты испытаний по ГОСТ 687-78 еще не могут дать однозначного исчерпывающего ответа о качестве аппарата.
Цель настоящей статьи обратить внимание изготовителей и испытателей вакуумных выключателей на необходимость учитывать их специфику при формировании программы испытаний.
Повторные пробои. Одна из особенностей, проявляющихся при коммутационных испытаниях вакуумных выключателей на номинальное напряжение 10 кВ и более, состоит в возможности возникновения повторных пробоев (ПП). Согласно [1] ПП характеризуются возобновлением тока между контактами камеры в процессе операции отключения после того, как ток оставался равным нулю в течение времени, равного или большего 1/4 периода промышленной частоты.
Закономерности возникновения ПП были тщательно изучены. Лидирующая роль в этом принадлежит исследователям - сотрудникам ГУП ВЭИ, опубликовавшим цикл работ в отечественных и зарубежных изданиях. В первых работах этого цикла [2-4] показано, что ПП провоцируются макрочастицами субмиллиметровых размеров, образующимися в камерах вследствие эрозии контактов. Опытным путем установлено, что частота ПП, максимальная непосредственно после отключения тока, уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени т = 0,1 с. В итоге, не менее 95% общего количества ПП, сопровождающих данную операцию отключения, происходит в камерах выключателя за первые 0,3 с приложения восстанавливающегося напряжения. За пределами этого интервала времени оказывается не более 5% общего количества, могущих пройти ПП. Поэтому при испытаниях увеличивать время приложения восстанавливающегося напряжения сверх 0,3 с не имеет смысла. Делать этот интервал существенно меньше также не следует, поскольку при этом окажется не выявленной часть ПП. Интервал 0,3 с является оптимальным. Отметим, что в ГОСТ 687-78 (п.7.6.4.5) время приложения восстанавливающегося напряжения ограничено: не более 0,1 с. Именно оно реализуется при сертифицированных испытаниях, при этом доля выявленных ПП не превышает 63% возможного их числа. Для получения достоверных данных о числе ПП при испытаниях данного аппарата в программе испытаний необходимо указывать длительность приложения восстанавливающегося напряжения не менее 3 с, причем этот порядок должен реализовываться до введения этой нормы в ГОСТ 687.
В [5] показано, что в ходе эксплуатации вакуумного выключателя вероятность возникновения ПП уменьшается в несколько раз после выполнения десятков коммутационных операций как при номинальном токе, так и при номинальном токе отключения. Поэтому при испытаниях не бывшего в эксплуатации выключателя получают завышенную частоту ПП, против ожидаемой после истечения периода приработки.
В целом не следует драматизировать ситуацию с возникновением ПП. Во-первых, обычно они возникают довольно редко: на выключателях после периода их приработки наблюдается не более нескольких ПП на сотню операций отключения. Во-вторых, в трехполюсных выключателях в цепях с изолированной нейтралью во всем диапазоне отключаемых токов ПП, как правило, не сопровождаются протеканием тока промышленной частоты. Дело ограничивается кратковременным нарушением равномерности деления восстанавливающегося напряжения между полюсами выключателя. В-третьих, в однополюсных выключателях возникновение ПП не сопровождается током промышленной частоты при отключении токов, не превышающих номинальный ток, и может сопровождаться протеканием самопрерывающейся полуволны тока при отключении тока КЗ.
При коммутации емкостного тока к межконтактному промежутку камеры прикладывается восстанавливающееся напряжение, содержащее наряду с переменной также и постоянную составляющую. Постоянное восстанавливающееся напряжение прикладывается к межконтактному промежутку камеры также в вакуумных выключателях постоянного тока с принудительным переводом тока дуги через нулевое значение наложением импульсов тока противоположного направления. В этих случаях представляет интерес сопоставление числа ПП камер при восстанавливающихся напряжениях постоянного и переменного тока. Этот вопрос рассмотрен в [6], где показано, что число ПП на постоянном напряжении может быть в несколько раз больше, чем на переменном.
В [7] дано объяснение того, что спорадические ПП камер трехполюсного вакуумного выключателя в цепи с изолированной нейтралью обычно не приводят к протеканию тока через нагрузку, т.е. процесс ограничивается стадией неподдержанного ПП (НПП). Для возникновения тока через нагрузку необходимо, чтобы с разновременностью не более десятка микросекунд пробились камеры в двух полюсах выключателя. Однако, как показано в [7], вероятность такого совпадения при умеренной напряженности электрического поля на контактах камер мала, и процесс останавливается на стадии НПП, который не приводит к нарушениям в работе отключенной нагрузки.
Эти исследования оказались в центре внимания зарубежных коллег, были многократно ими повторены и нашли отражение в изменении методики испытаний высоковольтных выключателей, зафиксированной в стандарте МЭК 62271-100 [8]. Время приложения восстанавливающегося напряжения при испытаниях было увеличено с 1 до 0,3 с и более. Кроме того, признано допустимым возникновение НПП. Надеемся, что эти изменения в методике испытаний найдут отражение и в готовящейся к выходу новой редакции ГОСТ 687.
Испытания вакуумных выключателей сквозным током КЗ. Другая особенность вакуумных выключателей проявляется при их испытаниях сквозным током КЗ. В соответствии с ГОСТ 687 все выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В испытываются на стойкость при сквозных токах КЗ. При этом виде испытаний выключатель проверяется на способность пропустить через сомкнутые контакты предельный (трех-, четырехсекундный) ток термической стойкости, значение которого соответствует номинальному току отключения / , и на способность пропустить ток с наибольшим пиком / = 2,55 / (в некоторых случаях требуется, чтобы / = 3 / ). При испытании сквозным током КЗ аппарат подвергается значительным термическим и динамическим нагрузкам, которые не должны вызывать остаточных явлений, препятствующих его дальнейшей нормальной работе.
Одно из таких явлений - сваривание между собою контактов выключателя. Обычно сваривание контактов происходит вследствие утраты контактной парой так называемой динамической устойчивости, наступающей в случае, когда мгновенное значение силы электродинамического отброса контактов превышает силу контактного нажатия. При этом между контактами образуется зазор, в котором горит дуга тока КЗ, поверхности контактов оплавляются, и при последующем соприкосновении контактов под действием силы нажатия происходит приваривание одного контакта к другому. При таком развитии событий дальнейшая нормальная работа выключателя становится невозможной. В правильно спроектированном выключателе сила контактного нажатия F2 должна быть всегда больше силы электродинамического отброса Fv Последняя возрастает пропорционально сквозному току. О значениях F контактов в камерах типов КДВ- 35 при различных пиках сквозного тока и рекомендуемых значениях F2 можно судить по рис. 1. Из него следует, что в выключателе с этими камерами и номинальным током отключения / =40 кА, когда наибольший пик тока КЗ может достигнуть значения i = 2,55 1 = 2,55 • 40 = 100 кА, F = 2,6 кН, а рекомендуемое значение F2 = 4,0 кН. Это на новом, не бывшем в работе, выключателе. С выработкой механического и электрического ресурсов выключателя сила F2 уменьшается. Полуторакратное превышение F2 над F в новом выключателе является достаточным условием для предотвращения отброса контактов в конце срока службы аппарата. Разумеется, что для камер других типов зависимость силы отброса от тока будет отличаться от приведенной на рис. 1, как правило, в сторону больших значений Fy Приведенная зависимость дает представление о возможных значениях этой силы.
Последствия прохождения сквозного тока через вакуумный выключатель оказываются принципиально иными, нежели в выключателях других типов. Для выключателей, контакты которых работают в газообразной (воздух, элегаз) или жидкой (масло) среде, необходимым и достаточным условием сохранения работоспособности после прохождения сквозного тока является отсутствие отброса контактов и тем самым исключение их сварки. В отличие от названных выключателей, контакты вакуумного выключателя свариваются между собой даже при полном исключении отброса. В [10] приведены результаты измерений силы сварки пар контактов из наиболее часто применяемых материалов. Особое внимание было уделено контактам из хромомедных композиций, наиболее широко используемых в камерах для силовых выключателей. Показано, что сила сварки и разброс ее значений возрастают с увеличением силы тока и что сила сварки при наличии отброса и без него сравнимы между собою (рис. 2). При пике сквозного тока 80- 90 кА сила сварки контактов из композиции CuCr (50%) достигает 3,5-4,2 кН. Она несколько возрастает с увеличением содержания меди в композиции. В дополнение к [10] приведем результат измерения разработчиков камеры КДВ-35, полученный при исследовательских испытаниях камеры.
В этой камере при пике сквозного тока 160 кА и отсутствии отброса наибольшее значение силы сварки достигало 7 кН! Материал контактов камеры CuCr (50%). Кроме того, вывод о сравнимости силы сварки контактов при наличии отброса и без него справедлив для случая, когда отброс контактов непродолжителен, имеет место в течение одной-двух полуволн тока КЗ. В практике испытаний известны случаи, когда отброс контактов происходил в течение многих полуволн тока. При этом сила сварки многократно превосходила наблюдаемую без отброса и дело кончалось заменой камер.
Из приведенных данных о прочности сварки контактов следует, что для ее разрыва необходимы усилия, как правило, превосходящие развиваемые пружинами отключения. Разрыв сварного соединения контактов производится за счет силы удара F^, возникающей в узле нажатия. Механизм возникновения этой силы продемонстрируем с помощью рис. 3, на котором предоставлена общепринятая кинематическая схема полюса вакуумного выключателя.
В позиции «включено» обязателен зазор L между крышкой 5 и тарельчатым элементом 6. Этот зазор называется «вжимом». Наличие вжима гарантирует заданную силу контактного нажатия и определяет силу удара.
При подаче команды на отключение фиксатор 11 отходит от выступа 10, освобождая тягу 9. Под действием сил F2 от пружины контактного нажатия 7 и F от пружины отключения 12 происходит ускоренное движение всех соединенных механически между собою подвижных частей полюса и привода, кроме ввода 2 и тарельчатого элемента 6.
Рис. 1. Зависимость сил F] и F2 от наибольшего пика сквозного тока КЗ для камер на 35 кВ:
Fx = 0,26/2 - сила электродинамического отброса контактов; F, = 0,4г - контактное нажатие при наибольшем вжиме контактов; □- контактное нажатие по ТУ на камеры.
При этом на пути вжима L указанные подвижные части обретают количество движения mv, где т - приведенная масса подвижных частей, v - их скорость. В момент прохождения вжима L крышка корпуса 5 ударяет по тарельчатому элементу 6, вызывая силу удара F , которая через вывод 2 передается на сварное соединение контактов камеры 1. Можно показать, что сила удара достигает значения
(и
Здесь At продолжительность F ^ к - коэффициент.
При силе удара больше силы сварки контактов произойдет их размыкание, т.е. команда на отключение будет выполнена. В противном случае необходимо констатировать отказ в работе выключателя.
Все члены, входящие в выражение (1), характеризующие состояние выключателя в процессе его эксплуатации, кроме L, практически не изменяются,
а следовательно, не влияют на Fyi. Напротив, значение L с выработкой электрического и механического ресурсов выключателя постепенно уменьшается.
У нового выключателя значение вжима равно номинальному L , т.е. L = L . В ходе эксплуатации выключателя происходит износ контактов камеры. При полной выработке электрического ресурса износ контактов достигает Ad. Значение износа указывается в ТУ на камеры. Обычно Ad = 3 мм. Как видно из рис. 3, на это значение уменьшается вжим, т.е. L = L - Ad.
Кроме того, при выработке механического ресурса выключателя изнашиваются шарнирные соединения и фиксаторы привода, в том числе фиксатор 10 и выступ 11. Это приводит к изменению позиции нажимного устройства на ASу У хорошо спроектированного выключателя AS < 1 мм.
Третья составляющая AS2 уменьшения L с течением времени состоит в необратимой деформации силовых конструкций выключателя под действием ударных нагрузок, возникающих в этих конструкциях при коммутационных операциях. Опыт показывает, что ее значение также может достигать AS2 ~ 1 мм. Таким образом, вжим к концу срока эксплуатации выключателя или ко времени выработки его электрического и механического ресурсов может уменьшиться на сумму:
и вместо Ьо будет равен
Для сохранения заданной силы контактного нажатия считается допустимым уменьшение вжима в ходе эксплуатации выключателя в два раза [9].
Если принять эту норму и для расчета уменьшения силы удара, то эта сила в соответствии с (1) уменьшится в л/2 раз, т.е. снизится на 30% в сравнении с силой удара в новом выключателе. Это существенное уменьшение силы удара, и вполне возможна ситуация, когда после многолетней нормальной работы выключателя он вдруг не отключит ток КЗ по причине сваривания между собою контактов камеры.
Разработчики вакуумных выключателей, стремясь к экономии, зачастую ограничиваются минимальными значениями вжима, при котором обеспечивается разрыв сварного соединения контактов камеры на новом выключателе, т.е. при L = Lq. Так, в недавней публикации сообщается о завершении разработки нового мощного вакуумного выключателя на номинальный ток 3150 А, номинальный ток отключения 40 кА, наибольший пик сквозного тока 128 кА с электрическим ресурсом 10 тыс. циклов «включено-отключено» (ВО). При этом, на начало эксплуатации аппарата запроектировано значение вжима Lo = 4 мм. Согласно [11] износ контактов камеры при выполнении 10 тыс. циклов ВО при токе 3150 А будет не менее 3 мм. С учетом механического износа элементов привода окажется, что ко времени выработки продекларированных значений электрической и механической износостойкости вжим окажется равным нулю, что неизбежно приведет к отказу выключателя при отключении КЗ.
Рис. 2. Зависимость силы сварки от пика тока:
□ - Си - 50%, W - 2%, Сг - остальное; ■- Си - 50%, Сг - остальное [10].
Рис. 3. Кинематическая схема полюса вакуумного выключателя с узлом нажатия контакта:
1 - вакуумная дугогасительная камера; 2 - ее подвижный вывод; 3 - фланец крепления камеры; 4-8 - узел контактного нажатия; 4 - корпус; 5 - крышка; 6 - тарельчатый элемент; 7 - пружина контактного нажатия; 8 - дно корпуса; 9 - тяга; 10 - выступ; 11 - фиксатор; 12 - пружина отключения; позиции элементов полюса выключателя изображены в положении «включено».
Предотвратить эту ситуацию можно путем периодических ревизий и регулировок узла нажатия контактов так, чтобы значение вжима оставалось близким к L . Но таким образом утрачивается основное достоинство вакуумных выключателей, состоящее в исключении дополнительных регулировок при эксплуатации. Необходимость же переодических регулировок открывает путь влиянию «человеческого фактора», что крайне нежелательно.
Для отбраковки вакуумных выключателей с описанным скрытым дефектом необходимо как исследовательские, так и квалификационные испытания аппарата выполнять с учетом будущего уменьшения значения вжима. Для этого на время проведения испытаний вжим контактов перед испытаниями устанавливают уменьшенным на значение ожидаемой убыли, образующейся в ходе эксплуатации выключателей
Можно ожидать, что AL будет не менее 3 мм.
Уменьшить в новом выключателе значение вжима на AL можно несколькими приемами: сместить на AL корпус камеры (на рис. 3 вверх); на AL изменить (уменьшить) длину тяги 9, что возможно за счет имеющихся в выключателе регулировок.
Выводы
Положительные результаты испытаний предопределяют надежную работу выключателя при коммутациях токов КЗ на протяжении всего срока службы. Требование о проведении испытаний при уменьшенном вжиме и конкретном значении уменьшения AL для испытуемого типа выключателя необходимо зафиксировать в ТУ на этот аппарат, а результаты испытаний отразить в соответствующем протоколе. Желательно также в возможно более короткий срок ввести эту норму в ГОСТ 687.
Список литературы
- Публикация МЭК 50 (441). Международный электротехнический словарь. Гл. 441. П. 441-17-46.1984.
- Рыльская Л.Л., Перцев А.А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока // Электротехника, 1985, № 1.
- Рыльская Л.А., Перцев A.A. Dielectric strength of a vacuum interrupter after current interruption //Xl-th ISDEIV, Берлин, 1984.
- Перцев А.А., Рыльская Л. А., Ульянов К.H., Чулков В.В. Расчет вероятности повторных пробоев вакуумной дугогасительной камеры // Электричество, 1989, № 8.
- Перцев А.А., Рыльская Л.А. Частота повторных пробоев в начальной стадии эксплуатации вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 1991, № 7.
- Перцев А.А., Рыльская Л.А. Повторные пробои вакуумных дугогасительных камер // Электричество, 1993, № 8.
- Перцев А. А., Рыльская Л. А., Чулков В.В. Повторные пробои двух соединенных последовательно вакуумных дугогасительных камер // Электричество, 1991, № 3.
- Стандарт МЭК 62271 -100.
- Чунихин А.А. Электрические аппараты. М., 1975. С. 8,91.
- Белкин Г.С., Лукацкая И.А. Исследование свариваемости контактов // Электротехника, 2000, №7.
- Белкин Г.С., Лукацкая И.А., Перцев А.А., Ромочкин Ю.Г. Новые разработки ВЭИ в области вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 2001, № 9.
