Лукацкая И.А.
Исследовано три типа экранных систем вакуумных дугогасительных камер (ВДК). Показано, что конструкция экранов оказывает существенное влияние на отключающую способность, срок службы и электрическую прочность ВДК.
Вакуумные выключатели являются одним из перспективных направлений в высоковольтном аппаратостроении. Достоинства вакуумных выключателей (малый ход подвижного контакта, быстродействие, большой срок службы и др.) определяются их основным элементом - вакуумной дугогасительной камерой.
В течение последних лет в разных странах интенсивно ведутся разработки ВДК [Л. 1]; тем не менее принципы конструирования их все еще находятся в стадии развития. Основными конструктивными узлами ВДК являются: контактная система и токовводы; экранная система и вакуумно-плотная оболочка.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния конструкции экранной системы на параметры ВДК.
Конструкция экранов. В первых разработках ВДК экраны предназначались только для защиты внутренней изоляции ВДК от образования проводящего налета из продуктов эрозии контактов. В ходе дальнейших разработок выяснилось, что при соответствующей конструкции экранных систем с их помощью может быть решен ряд других задач, возникающих при конструировании ВДК. К таким задачам относятся: а) уменьшение вероятности пробоев в ВДК по «длинным» путям1 непосредственно после отключения тока; б) снижение вероятности появления центров автоэлектронной эмиссии на спаях диэлектрика с металлом; в) уменьшение вероятности каскадного горения дуги с контактов на экраны.
Автором разработаны и исследованы экранные системы трех типов, конструкция которых выполнена с учетом перечисленных задач.
- Как известно, при низких давлениях газа напряжение пробоя промежутка уменьшается с увеличением его длины (левая ветвь кривой Пашена).
Рис. I. ВДК с экранной системой I типа [Л. 2].
I - неподвижный контакт; 2 - подвижный контакт; 3 - медные вводы; 4 - сильфон; 5 - металлические втулки; 6 - стекло оболочки; 7 - стеклянные экраны; 8 - вспомогательные металлические экраны, находящиеся под потенциалами контактов, предназначенные для снижения напряженности электрического поля на спаях диэлектрика с металлом.
Эти экранные системы испытаны в ВДК практически не отличающихся друг от друга другими конструктивными элементами и габаритами. ВДК имели торцевые вольфрамовые контакты диаметром 1 см, впаянные в медные вводы. Один из вводов был подвижным и соединялся с оболочкой ВДК через сильфон из нержавеющей стали. Контактная и экранная системы помещались в оболочку из стекла и металла. Особенности исследовавшихся экранных систем и их отличия видны из рис. 1-3. Конструкция и расположение экранов во всех трех системах исключают прямое попадание продуктов эрозии контактов на стенки оболочки ВДК.
Рис. 3. ВДК с экранной системой III типа [Л. 4].
I - изолированный металлический экран; 2 - металлические экраны, находящиеся под потенциалом контактов.
Рис. 2. ВДК с экранной системой II типа [Л. 3].
I - металлические экраны, находящиеся под потенциалом контактов.
Уменьшение вероятности пробоев по «длинным» путям в экранной системе первого типа достигалось благодаря тому, что зазор а между узкими частями трубок экранов и вводами не превышал нескольких миллиметров. В этом случае при низких давлениях газа а « \с (Хс - длина свободного пробега электрона). При этом с уменьшением зазора, с одной стороны, снижается число соударений электронов с молекулами и атомами газа и, следовательно, вероятность их ионизации, с другой - возрастает скорость деионизации промежутка. Благодаря этому уменьшается вероятность развития
Рис. 4. Графики зависимости напряжения пробоя (отн. ед.) ВДК с жранной системой I типа от числа операций N при различных токах.
UN - напряжение пробоя через N операций; (Jn напряжение пробоя до испытания на срок службы.
/ - /=350 а; 2 /=650 а\ 3 - /=800 а
Рис. 5. Графики зависимости напряжения пробоя (отн ед.) ВДК с жранной системой II типа.
I 1=200 а\ 2 - /=350 </, 3 /=670 а
пробоя в таких зазорах. В экранных системах II и III типов уменьшение вероятности пробоев по «длинным» путям достигалось за счет небольших зазоров (а < 1 см) между самими экранами и экранами и стенками ВДК. «Длинные» пути в этих системах экранов были фактически перекрыты.
Уменьшение напряженности электрического поля в месте соединения диэлектрика с металлом в ВДК с экранной системой I типа достигалось с помощью вспомогательных металлических экранов (рис. 1), которые образовывали с металлическими (коваровыми) втулками в местах их спая со стеклом эквипотенциальные карманы. Аналогичные эквипотенциальные карманы создавали и экраны, находящиеся под потенциалами контактов, систем II и III типов.
Уменьшение вероятности каскадного горения дуги с контактов на экраны в системах I и III типов достигалось путем выбора достаточно большого расстояния (несколько сантиметров) в зоне контактов между стенками экранов и контактами. В ВДК с экранной системой II типа переход катодных пятен с контактов на экраны затруднялся благодаря наличию зазора между контактами и экранами. ВДК с исследованными системами экранов имели параметры: номинальный ток 200 а, предельный ток отключения 1000 а, номинальное и испытательное напряжения при ходе подвижного контакта 4 мм и 10 и 42 кв соответственно.
Влияние конструкции экранов на срок службы ВДК. Испытания на срок службы производились на переменном токе в диапазоне 200-800 а при восстанавливающемся напряжении 220 в и активной нагрузке. Отключение тока осуществлялось при ходе подвижного контакта 3-4 мм со скоростью 30-60 см/сек. Применялся моторный привод с кулачково-рычажным механизмом и пружинным взводом, обеспечивающий многократные включения и отключения тока. Длительность включенного состояния ВДК составляла 20-30 мсек, выключенного 4-5 сек.
Рис. 6. Сопоставление кривых
для ВДК с кранной системой трех типов.
В большинстве случаев в каждом из режимов испытывалось по 2-3 ВДК с экранными системами описанных выше типов. Через каждые 5000 операций (за одну операцию принимался цикл - включение и отключение тока) осциллографировались ток и напряжение - при включении и отключении и проверялась электрическая прочность ВДК. В отдельных случаях производилось испытание ВДК на отключающую способность. По осциллограммам напряжения на контактах ВДК определялась продолжительность горения дуги при отключении тока. В ВДК с экранными системами всех трех типов режимов испытания на срок службы гашение дуги всегда происходило при первом нулевом значении тока.
О - ВДК с экранной системой I типа. /=800 а\ □- ВДК с экранной системой II типа, /=670 а\ хх - ВДК с экранной системой III типа, /=800 а.
Рис. 7. Зависимость напряжения пробоя U ВДК с экранной системой разных типов от давления воздуха р.
О - ВДК с экранной системой I гипа;
□ - II типа; хх - III типа.
Проверка электрической прочности осуществлялась путем наложения на ВДК с разведенными на 4 мм контактами переменного синусоидального напряжения. Определялось действующее значение напряжения первого пробоя. Пробой регистрировался с помощью электронно-лучевого осциллографа по провалу на осциллограмме приложенного к ВДК напряжения.
Кривые относительного изменения электрической прочности в процессе срока службы при разных токах для ВДК с экранной системой I типа приведены на рис. 4, из которого видно, что при токах 650 и 800 а электрическая прочность ВДК падает на 30% уже через 5000 операций, затем спад электрической прочности замедляется. При увеличении числа операций до 40000 электрическая прочность приближается к некоторому постоянному уровню, величина которого уменьшается с увеличением тока.
Иной характер носит изменение электрической прочности в процессе срока службы в ВДК с экранной системой II типа (рис. 5). При токе 200 а электрическая прочность ВДК с увеличением срока операций практически не изменяется. С ростом коммутируемого тока наблюдается заметный спад электрической прочности и тем более крутой, чем больше ток. При коммутируемом токе 67 а она падает на 80% уже через 10000 операций. Такой резкий спад электрической прочности обусловлен особенностями экранной системы и не зависит от износа контактов. Этот вывод следует из рис. 6, на котором сопоставлены кривые электрической прочности в относительных единицах для камер с экранными системами всех трех типов в узком диапазоне токов 670-800 а, при практически одинаковом износе контактов2. Кроме того, из рис. 6 видно, что наилучшие результаты дает экранная система III типа; электрическая прочность ВДК в этом случае не только не уменьшается, а даже возрастает с увеличением числа операций. Наихудшие результаты дает экранная система II типа.
Анализ показал, что уменьшение электрической прочности ВДК с экранной системой I типа в процессе их испытания на срок службы обусловлено образованием металлического налета на внутренних стенках стеклянных экранов. В тех местах, где налет сходит на нет или где он неоднороден, при высоком напряжении появляются центры автоэлектронной эмиссии, инициирующей пробой.
Снижение электрической прочности с увеличением коммутируемого тока в ВДК с экранной системой II типа вызвано переходом при токах, превышающих 200 а, катодных пятен с контактов на экраны. Следствием этого является образование металлического налета на внутренних стеклянных стенках оболочки, служащих изолятором между вводами ВДК.
От недостатков, свойственных экранным системам I и II типов, свободна экранная система III типа. Осаждение продуктов эрозии контактов на металлических экранах не вызывает изменения распределения потенциалов внутри ВДК, и, следовательно, не появляются новые центры автоэлектронной эмиссии. Не наблюдается и перехода катодных пятен на экраны, поскольку центральный экран изолирован от вводов, а концевые расположены достаточно далеко от дугового промежутка в области, где катодные пятна отсутствуют и на самих вводах ВДК. В результате обеспечивается надежная защита диэлектрических стенок оболочки ВДК от осаждения продуктов эрозии контактов. Некоторый рост электрической прочности в процессе срока службы ВДК с экранной системой III типа можно объяснить обезгаживанием контактов при многократных отключениях тока.
Таким образом, экранная система III типа уже не ограничивает срок службы ВДК, и он определяется в основном износом контактов или механическим сроком службы элементов ВДК, например, сильфона.
Влияние системы экранов на электрическую прочность ВДК. Как уже отмечалось, в исследовавшихся экранных системах были приняты меры для уменьшения вероятности пробоев внутри ВДК по «длинным» путям. Чтобы проверить насколько эти меры эффективны, исследовалась электрическая прочность ВДК с экранными системами всех трех типов в зависимости от давления воздуха внутри ВДК.
ВДК (поочередно) присоединялись к откачному посту, снабженному, кроме обычных составных частей (насосов, кранов, манометрических ламп и т.д.), порционным краном для напуска в ВДК воздуха. Вначале ВДК откачивались и подвергались полному циклу вакуумно-технологической обработки, затем в них напускался воздух до заданного давления и определялось напряжением пробоя, которое фиксировалось с помощью осциллографа. С каждой ВДК опыты повторялись несколько раз, в некоторых случаях испытывалось по несколько ВДК с одной и той же экранной системой.
Зависимости напряжения пробоя от давления в ВДК, построенные по средним значениям пробивного напряжения, приведены на рис. 7, откуда видно, что электрическая прочность ВДК с экранной системой I типа монотонно падает с ростом давления, приближаясь к нулю при /9=5-102 мм рт. ст. В противоположность этому ВДК с системой экранов II и III типов сохраняют свою прочность при увеличении давления вплоть до р= 10~2 мм рт. ст. Лишь при давлениях, превышающих 10'2 мм рт. ст., электрическая прочность ВДК резко падает, приближаясь практически к нулю, как и в ВДК с экранной системой I типа при р=5* 102 мм рт. ст.
Такой ход кривых Uпроб = f(p) обусловлен, по-видимому, соотношением X и а. Пока при увеличении давления X остается значительно меньшим U не должно существенно изменяться; при X , близком по величине к a, U - должно падать.
Таблица 1
* За отказ принимались опыты, в которых продолжительность горения дуги превышала четыре полупериода.
Чтобы выяснить, соблюдаются ли эти соотношения для рассматриваемой кривой, рассчитаем X и сравним его с а. Величина X может
е
быть рассчитана по формуле:
где - диаметр молекулы газа; примем равным диаметру молекулы азота (~ 3,1 • 10'8 см); п] = 3,55 • 1016 1/см3 - число молекул в 1 см3 газа при давлении 1 мм рт. ст. и 0°С; р - давление, мм рт. ст.
При расчете по этой формуле Х = 5,6 мм при р = 10'2 мм рт. ст., что значительно больше а, и X = 1,1 см при р = =510'2 мм рт. ст., что сравнимо с а. Таким образом, ход кривых U^oC=f(p) действительно согласуется с соотношением между X и а и принятые меры для уменьшения вероятности пробоев по «длинным» путям дают необходимый эффект. Сохранение электрической прочности ВДК при увеличении давления повышает надежность ее работы.
Влияние конструкции экранов на отключающую способность ВДК. Для выяснения влияния конструкции экранов на отключающую способность ВДК были проведены следующие опыты.
1. Сравнивалась отключающая способность ВДК с экранной системой III типа и такой же ВДК, но с отсутствующим центральным изолированным от вводов экраном. В этих ВДК применялись специальные контакты, обладавшие в несколько раз большей отключающей способностью, чем вольфрамовые контакты диаметром 1 см, применявшиеся в описанных выше камерах.
Испытания на отключающую способность проводились при индуктивной нагрузке cos 9 ~ 0 на ударном генераторе типа ТИ-12. Подвижный контакт ВДК перемещался на расстояние 6-10 мм со скоростью 0,5-1 м/сек. Результаты испытаний приведены в табл. 1, откуда видно, что введение среднего изолированного от контактов экрана значительно увеличивает отключающую способность ВДК. Полученный результат следует, по-видимому, отнести за счет устранения пробоев по длинным путям непосредственно после отключения тока вследствие окружения дугового промежутка металлическим изолированным экраном.
- Сравнивалась отключающая способность ВДК с экранной системой I и III типов и вольфрамовыми контактами диаметром 10 мм на разных стадиях работы ВДК: до испытания на срок службы и после выполнения 25000-43000 операций при токе 800 а. Испытания на отключающую способность проводились при токах 1400- 1600 а, превышающих предельный отключаемый, но при напряжениях на 3- 5 кв ниже номинального. Подвижный контакт ВДК перемещался на расстояние 3 мм со скоростью 0,3-0,5 м/сек. Результаты испытаний приведены в табл. 2, из которых видно, что при отключении тока 1400-1600 а вероятность отказов в ВДК с экранной системой I типа на всех стадиях ее работы заметно больше, чем в ВДК с экранной системой III типа.
Выводы
- Выполненная работа показала, что экранная система является важным конструктивным узлом ВДК. С помощью экранной системы при прочих равных условиях можно значительно повысить электрическую прочность, срок службы, отключающую способность и надежность работы ВДК.
- Наиболее целесообразно применение ВДК с изолированным экраном в зоне контактов (система III типа).
- При небольших отключаемых токах < 200 а может быть применена система металлических экраном более простой конструкции, состоящая из двух экранов, находящихся под потенциалами вводов (система II типа).
- Система с экранами из диэлектрика (I типа) уступает указанным двум в результате появления при работе ВДК на диэлектрических стенках экранов металлического налета, изменяющего распределение потенциалов в ВДК и снижающего ее электрическую прочность.
Литература
- Т.Н. Lee, A. Greenwood, D. W. Crouch, С.И. Titus. Power Appar. and Syst., 1963, № 61.
- И.А. Лукацкая, H.A. Попов, C.H. Воскресенский. Вакуумная дугогасительная камера. Авторское свидетельство №201490, Бюллетень изобретений, 1967, № 18.
- И.А. Лукацкая, А.А. Сакович, Н.А. Попов, С.И. Воскресенский, B.C. Потокин. Вакуумная дугогасительная камера. Авторское свидетельство №135939, Бюллетень изобретений, 1961,№4.
