Стартовая >> Статьи >> Вакуумные дугогасительные камеры на 35 кВ разработки ВЭИ

Вакуумные дугогасительные камеры на 35 кВ разработки ВЭИ

Перцев А.А., Рыльская Л.A.

Приведены основные параметры разработанных в 2003 г. двух типов вакуумных дугогасительных камер на 35 кВ, номинальный ток до 1600 А и номинальные токи отключения 25 и 31,5 кА. Камеры характеризуются улучшенными массогабаритными показателями. Показаны конструктивные особенности новых камер. Даны рекомендации по выбору контактного нажатия для камер на 35 кВ в случае, когда значения номинального тока отключения выключателя и камер различны.
ГУП ВЭИ в 2003 г. завершил разработку вакуумных дугогасительных камер (камер) двух новых типов для выключателей на 35 кВ. Одна из них - КДВР-35-25/1600 - предназначена для выключателей общепромышленного назначения с номинальными   промышленный выпуск, она поставляется на рынок. Другая - КДВ-35-31,5/1600 - предназначена для выключателей с /)ном=25 и 31,5 кА. Это могут быть выключатели как общепромышленного назначения, так и специальные, например для частых коммутаций. Готовится промышленный выпуск камер КДВ-35-31,5/ 1600, прошедший полный объем квалификационных испытаний.
В таблице приведены данные о вновь разработанных типах камер на 35 кВ и о выпускаемых до сих пор на отечественных предприятиях. Как видно из таблицы, в сравнении с разработанной в 1992 г. камерой КДВ-35-25/1600 на номинальный ток отключения 25 кА, выпускаемой до настоящего времени и широко использующейся в отечественных выключателях различных назначений [1, 2] новые камеры имеют существенные преимущества. Камера КДВР при токе отключения 25 кА имеет на 25 мм меньший внешний диаметр корпуса и почти на 2 кг меньшую массу. Камера КДВ-35-31,5/1600 при номинальном токе отключения 31,5 кА имеет те же габариты, что и камера КДВ-35-25/1600 с током / =25 кА. Кроме того, она обладает уменьшенным до 25 мкОм сопротивлением постоянному току. С появлением камер КДВ-25-31,5/1600 отпадает необходимость в использовании камер КДВ- 35-40/2000 в выключателях на 31,5 кА и номинальный ток 1600 А, как это практикуется до настоящего времени. Камера на 31,5 кА легче камеры на 40 кА на 5 кг и имеет существенно меньшие габариты.

Параметры камер на номинальное напряжение 35 кВ


Наименование параметра

Типы ВДК*

КДВР-35-
25/1600

КДВ-35-
25/1600

КДВ-35-
31,5/1600

КДВ-35-
40/2000

КДВ-35-
40/2500

Номинальное напряжение, кВ

35

Наибольшее рабочее напряжение, кВ

40,5

Номинальный ток отключения, кА

25

25

31,5

40

40

Рекомендуется применять в выключателях с номинальным током отключения, кА

12,5, 16 20, 25

16, 20
25

25
31,5

31,5
40

40

Номинальный ток, А

1250;
1600

1600;
2000

2000,
2500

Ток включения (наибольший пик), к А

63

63

80

100

100

Трехсекундный ток термической стойкости, кА

25

25

31,5

40

40

Испытательное напряжение промышленной частоты, одноминутное, кВ

95

Испытательное напряжение грозового импульса, кВ

190

Ресурс при номинальном токе отключения. циклы ВО, операции О

30 BO + 70 0

Ресурс при номинальном токе, тысяч циклов ВО

25

25 (60**)

25 (60**)

20

20

Механический ресурс, тыс циклов ВО

25

25 (60**)

25 (60**)

20

20

Ход подвижного контакта, мм

16,5±0,5

17,5±0,5

Скорость подвижного контакта при отключении, м/с

1,0-1,5

1,2-1,7

Скорость подвижного контакта при включении, м/с

0,4-0,8

0,4-0,8

0.5-0,8

0,6-1,0

0,6-1,0

Контактное нажатие Н***, не менее

1600

2500

4000

Электрическое сопротивление постоянному току при нормированном контактном нажатии, мкОм, не более

30

25

25

20

Износ контактов, мм, не более

3

Габаритные размеры изоляционного корпуса, мм - высота

342

326

326

400

400

- внешний диаметр

125

150

150

166

166

Масса, кг

8,7

10,6

11,6

16,5

16,5

Срок службы, лет

25

* Все ВДК имеют климатическое исполнение УХЛ и категорию размещения 2 1 по ГОСТ 15150.
Камеры КДВР-35 выпускаются также категорий размещения 3 и 2, при этом их масса соответственно на 2 и 2,5 кг больше указанной в таблице ** Указанный ресурс может быть реализован при номинальном токе не более 1250 А и ходе подвижного контакта 13,5 мм в выключателях для электротермических установок или при последовательном соединении нескольких камер в полюс выключателя *** См пояснения в тексте и рис 2

Использование этих камер во вновь разрабатываемых выключателях позволит заметно улучшить их технико-экономические показатели. В уже эксплуатирующихся выключателях на 31,5 кА с камерами КДВ-35- 40/2000 заменить последние на новые камеры КДВ-35-31,5/1600 трудностей не составит: присоединительные размеры со стороны фланца неподвижного контакта у обоих типов камер одинаковы. Различия в присоединительных размерах со стороны подвижного контакта легко преодолеваются.
Сопротивление постоянному току новой камеры на 31,5 кА не превышает 25 мкОм, т.е. оно равно таковому для камер КДВ-35-40/2000. Поэтому замена одной камеры на другую не должна привести к осложнениям с тепловым режимом выключателя.
В целом представленные в таблице типы камер позволяют выпускать выключатели на 35 кВ и выше (при последовательном соединении камер в полюсе) на номинальные токи отключения от 12,5 до 40 кА при номинальных токах от 630 до 2500 А. При необходимости увеличить номинальный ток отключения или (и) номинальный ток возможно параллельное соединение нескольких камер в полюсе выключателя [3].

Конструктивные особенности новых камер

разрез камер на 35 кВ
Рис. 1. Схематический разрез камер на 35 кВ: А и Б - камеры на номинальный ток отключения, соответственно, 25 и 31,5 кА:
1, 12 - токоподводы; 2, 10 - экраны, находящиеся под потенциалом контактов; 3, 5, 8 - экраны, находящиеся под плавающим потенциалом; 4 - корпус; 6, 7 - возбуждающие продольное магнитное поле дугогасящие контакты; 9 - сильфон; 11 - направляющая.

Две вновь разработанные камеры, о которых шла речь, спроектированы с учетом сниженной нормы испытательного напряжения грозового импульса [4]. Новое значение испытательного напряжения грозового импульса между контактами одного и того же полюса выключателя на 35 кВ равно 190 кВ. Старая норма, в соответствии с которой разработаны прежние камеры, была 230 кВ. Вследствие снижения нормы появилась возможность уменьшить межэлектродные расстояния. В [5] указано, что между длиной d вакуумного промежутка с относительно однородным полем и его электрической прочностью U существует зависимость U^ccf1, где с - постоянная, зависящая от материала электродов и состояния их поверхностей. Коэффициент ос также постоянен, его значение лежит в пределах а=0,6-*-0,7. Для определенности примем а=0,6. При такой зависимости U(d) и уменьшении испытательного напряжения с 230 до 190 кВ, т.е. в 1,2 раза, межэлектродные расстояния, как показывает несложный расчет, можно сократить в 1,4 раза. Сокращение радиальных межэлектродных расстояний позволяет уменьшить наружный диаметр корпуса камеры при неизменной отключающей способности. Именно этот вариант реализован в камере КДВР-35-25/1600. Если же за счет сокращения радиальных межэлектродных расстояний увеличить диаметр контактов, то можно получить больший отключаемый ток в корпусе прежнего диаметра. Именно этот путь реализован в камере КДВ-35-31,5/1600. На рис. 1 показано превращение камеры КДВ-35- 25/1600 (вид А) в камеру на 31,5 кА (вид Б). Из сопоставления этих видов следует, что камера на 31,5 кА имеет контакты 6 и 7 несколько большего диаметра, чем у камеры на 25 кА. Упрощена форма центрального экрана 5.

Рис. 2. Зависимости сил F/ и F, от наибольшего пика сквозного тока КЗ для камер на 35 кВ:
F, = 0,26/-1 - сила электродинамического отброса контактов; F = 0,4г i - контактное нажатие при наибольшем вжиме контактов,
□ - контактное нажатие по ТУ на камеры.
В остальном конструкции обеих камер одинаковы. Высота изоляционного корпуса новой камеры не может быть уменьшена по условиям работы внешней изоляции. Поэтому в осевом направлении межэлектродные расстояния внутри камер оставлены без изменения. Минимум различий в конструкциях новой и уже выпускающейся камер дает возможность освоить производство новой при минимальных затратах.

Выбор контактного нажатия

В таблице даны рекомендации по использованию одного типа камер в выключателях с разными значениями номинального тока отключения. Например, камеру КДВ-35-40/2000 с номинальным током отключения 40 кА рекомендовано применять в выключателях с номинальным током отключения / =31,5 и 40 кА. При этом согласно нормам [6] каждый из выключателей должен обеспечить включение, а также пропускание тока КЗ с наибольшим пиком / =2,55 / , т.е. выключатель с 1ном=40 кА без нарушения электродинамической стойкости (без электродинамического отброса) контактов должен пропустить ток с амплитудой / =2,55 / =100 кА, а выключатель с /
=31,5 кА пропустить ток с амплитудой / =80 кА. Следовательно, выключатель с иным значением / должен быть рассчитан на соответствующее значение / . Для предотвращения электродинамического отброса необходимо, чтобы сила отброса Fx контактов не превышала силу контактного нажатия Fy Известно [7], что F=kxi2 Здесь кх постоянная, обусловленная конструкцией контактной системы и материалом контактирующих поверхностей. Конкретное значение кх для данного типа камер проще всего определить из опыта. Измерения на камере КДВ-35-40/ 2000 [8] показали, что при наибольшем пике сквозного тока 132 кА отброс контактов возникает при контактном нажатии 4 кН и не возникает при 5 кН. Примем, что сила электродинамического отброса в этом случае равна среднему арифметическому указанных значений, т.е. Fj=4500 Н. Воспользовавшись приведенной выше общей зависимостью Fx(i ), определим значение к (Н/кА):

Зная значение к , легко рассчитать силу F] отброса контактов камеры КДВ-35-40/2000 при любом значении пика тока / . На рис. 2 зависимость Fj(/) представлена в графической форме. Этим графиком можно пользоваться для определения силы отброса контактов и для других типов камер на 35 кВ, представленных в таблице, поскольку по конструктивной схеме и материалу контактирующих поверхностей они аналогичны между собой.

В выключателях контактное нажатие F2 устанавливается существенно больше F]. Уменьшение значения F2 до уровня F недопустимо, поскольку при наличии отброса контактов происходит их ускоренный износ и увеличивается частота возникновения повторных пробоев [9]. В таблице указаны значения контактного нажатия, регламентируемые ТУ на камеры. На рис. 2 кривая F2 проходит по точкам контактных нажатий для камер с номинальными токами отключения / , равными 25; 31,5 и 40 кА и соответствующими пиками токов.  Кривая F2/J аппроксимируется выражением F^=0,4/2 . Как видно, Р2 в 1,5 раза превышает Fy Такой запас требуемого по ТУ контактного нажатия относительно F обусловлен учетом следующих обстоятельств. Во-первых, при эксплуатации выключателя происходит износ контактов камер, достигающий 3 мм (таблица). На это же значение уменьшается вжим контактов с соответствующим ослаблением давления контактных пружин. Во-вторых, в ходе эксплуатации появляются люфты в шарнирных соединениях механизма выключателя. Следствием этого также является уменьшение вжима и контактного нажатия. В-третьих, необходимо считаться с неизбежным разбросом значений жесткости контактных пружин. И, наконец, последнее: сами камеры характеризуются некоторой нестабильностью зависимости ). С учетом перечисленных обстоятельств полуторакратный запас не оказывается чрезмерным. По абсолютным значениям контактное нажатие F2 для камер на 35 кВ не выходит за границу, характерную для контактных систем с аксиальным магнитным полем. Располагая зависимостью F2(i) для камер КДВР-35 и КДВ-35 (кривая 1 на рис. 2), можно определить значение контактного нажатия, которое должно быть в аппарате на заданный номинальный ток отключения при его вводе в эксплуатацию. Например, контактное нажатие при использовании камеры КДВ- 35-40/2000 в выключателе с током I =40 кА должно быть не менее 4000 Н.     Если та же камера используется в аппарате с / =31,5 кА, то нажатие должно быть не менее 2500 Н.

Следует предостеречь от соблазна экономить на силе контактного нажатия. Экономия чревата появлением отброса контактов по мере выработки коммутационного ресурса выключателя с последствиями, о которых упоминалось выше. С выработкой ресурса уменьшается вжим контактов. Для рассматриваемых камер это уменьшение с учетом износа контактов (3 мм), появления люфтов в шарнирных соединениях механизма выключателя (около 1 мм) и ослабления болтовых соединений в сумме может достигать 4-5 мм. Прямо пропорционально уменьшению вжима падает и сила нажатия контактной пружины. Все это приближает в ходе эксплуатации выключателя фактическое значение силы F2 к опасной черте - графику F. Узел контактного нажатия должен обеспечивать достаточное превышение силы над F] вплоть до полной выработки коммутационного ресурса выключателя желательно без дополнительных регулировок. С уменьшением вжима и нажатия контактов уменьшается кинетическая энергия, развиваемая механизмом выключателя в момент размыкания контактов. Этой энергии может оказаться недостаточно для разрыва сварки контактов, происходящей при протекании сквозного тока КЗ. С этим также следует считаться при «экономии» на силе нажатия. Заметим, что применение электродинамического усиления нажатия контактов, решая задачу предотвращения их отброса, не компенсирует уменьшение кинетической энергии. Следует также помнить, что с уменьшением контактного нажатия может увеличиться активное сопротивление камеры и возрасти ее нагрев. В [7] рекомендуется, чтобы вжим после выработки выключателем коммутационного ресурса был не менее 50% первоначального значения. Если руководствоваться этой нормой и учесть приведенное выше сокращение вжима на 4-5 мм, то наибольшее значение вжима, которое должен обеспечить узел контактного нажатия, составит 8-10 мм.
В заключение отметим, что в программах испытаний вакуумных выключателей испытание пропусканием сквозного тока обычно делается одним из первых. Оно производится на новом аппарате, когда вжим и контактное нажатие максимальны. Изложенный материал дает основание считать целесообразным повторное проведение этих испытаний, но после выработки выключателем коммутационного ресурса при номинальном токе отключения, когда вжим и нажатие уменьшаются. Если и в этом случае обеспечивается электродинамическая стойкость контактов и не наблюдается приваривание одного к другому, то следует считать выключатель выдержавшим этот вид испытаний. Заметим, что отсутствие отброса контактов при этих испытаниях должно подтверждаться осциллографированием напряжения на каждом полюсе выключателя.

Выводы

  1. Разработанные ГУП ВЭИ в 2003 г. новые вакуумные дугогасительные камеры типов КДВР-35-25/1600 и КДВ-35-31,5/1600 для выключателей на 35 кВ, номинальный ток до 1600 А и номинальный ток отключения 25 кА для первого типа и 31,5 кА для второго характеризуются существенно улучшенными массогабаритными показателями в сравнении с ранее разработанными камерами, что обусловлено пересмотренной нормой испытательного напряжения грозового импульса.
  2. Номенклатура представленных в статье типов камер, изготавливаемых в настоящее время предприятиями РФ, дает возможность выпускать современные вакуумные выключатели на номинальные напряжения 27,5 и 35 кВ, а при последовательном соединении нескольких камер в полюсе - на ПО кВ; диапазон значений номинальных токов отключения этих выключателей простирается от 12,5 до 40 кА; а номинальные токи могут быть от 630 до 2500 А.
  3. Даны рекомендации по выбору силы контактного нажатия в выключателях на различные токи отключения с камерами на 35 кВ.
  4. Целесообразно повторение испытания вакуумного выключателя на стойкость при сквозных токах КЗ после выработки на нем коммутационного ресурса при номинальном токе отключения.

Список литературы

  1. Перцев Л.Л., Рыльская Л.A. Вакуумные дугогасительные камеры для выключателей на 35 и 110 кВ // Электротехника, 1993, № 9-10. С. 39-40.
  2. Белкин Г.С., Лукацкая И. А., Перцев А.А., Ромочкин Ю.Г. Новые разработки ВЭИ в области вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 2001, № 9. С. 17-23.
  3. Перцев А.А., Белкин Г.С., РыльскаяЛ.А. Коммутационные процессы в вакуумных выключателях с параллельным соединением дугогасительных камер // Электротехника, 2003, №3. С. 39-45.
  4. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.
  5. Сливков И.Н. Электрическая изоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972.
  6. ГОСТ 687-78. Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия.
  7. Чунихын А.А. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1975. С. 24-91.
  8. Белкин Г.С., Перцев А.А., РыльскаяЛ.А. Перспективы разработки вакуумного выключателя для применения в цепях генераторов // ТРАВЭК. Электротехника 2010. VII Симпозиум. 2003. Т.П. С. 34-39.
  9. Перцев А.А., РыльскаяЛ.А. Частота повторных пробоев в начальной стадии эксплуатации вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 1991, № 7. С. 34-36.
 
« Вакуумные выключатели серии BB/TEL   Вакуумные дугогасительные камеры, контакторы и выключатели ФГУП НПП «Контакт» »
электрические сети