Перцев А.А., Рыльская Л.А.
Повторные пробои вакуумных дугогасительных камер возникают в основном в течение нескольких десятых долей секунды после отключения тока и инициируются частицами субмиллиметрового размера при их перелетах с контакта на контакт под действием восстанавливающегося напряжения [1]. Пробои могут существенно осложнить работу как выключателя, так и коммутируемой им электрической цепи, если в ней содержатся конденсаторы или генераторы. В первом случае возможно возникновение опасных перенапряжений [2]. Во втором случае пробои могут сопровождаться протеканием импульсов тока продолжительностью до десятка миллисекунд с амплитудой, намного большей, чем при номинальном токе. Не вдаваясь в последствия воздействия таких импульсов на элементы электрической цепи, отметим, что они вызывают дополнительную эрозию контактов камеры, уменьшая тем самым электрическую износостойкость вакуумного выключателя.
В последние годы в связи с расширением областей применения вакуумных выключателей интерес к проблеме пробоев возрастает. Обсуждается необходимость введения испытаний выключателей на возникновение пробоев [3]. Однако фактического материала по пробоям в литературе пока мало. В частности, отсутствуют сведения об изменении числа пробоев в ходе эксплуатации выключателя. В работе ставится задача экспериментально выявить тенденцию изменения числа пробоев в начальный период эксплуатации выключателя, т.е. в стадии приработки, оценить продолжительность этой стадии и установить связь результатов наблюдений с процессами в камере.
Исследование выполнено на выпускаемой промышленностью камере на напряжение 35 кВ, номинальный ток отключения 20 кА и номинальный ток 1250 А, с контактами из металлокерамики на основе хрома и меди.
Камера в процессе изготовления подвергалась многократным воздействиям отключаемого тока до 25 кА при напряжении 2-4 кВ, а также тренировке испытательным напряжением промышленной частоты 95 кВ в течение нескольких минут. Она была установлена в выключатель, которым обеспечивались паспортные характеристики скорости движения и нажатия контактов. Ход контакта - 13 мм. Исследования выполнены в однофазной схеме при отключаемом токе 1,9 и 16 кА промышленной частоты и восстанавливающемся напряжении 40 кВ. Почти двукратное увеличение восстанавливающегося напряжения по сравнению с номинальным значением (U= 23,4 кВ) обусловлено тем, что при коммутации цепей с генераторами и конденсаторами на полюсе выключателя может появиться напряжение U =(2-4) U .
Поэтому получение данных о частоте пробоев при удвоенном значении восстанавливающегося напряжения имеет практический смысл. Кроме того, при повышении напряжения частота возникновения пробоев растет, что позволяет получить больший объем данных для статистической обработки. Этой же цели служит уменьшенный на 3 мм по сравнению с номинальным (16 мм) ход подвижного контакта. Часть опытов проводилась в режиме ВО, т.е. камерой производилось включение- отключение тока. В другой части опытов смыкание контактов камеры осуществлялось без тока, а размыкание - с током (режим О). Продолжительность приложения восстанавливающегося напряжения к контактам камеры после прерывания тока составляла примерно 0,3 с. В течение этого времени производилась осциллографическая запись напряжения, по которой выявлялись пробои.
В ходе экспериментальных исследований выполнено 98 опытов, в которых в общей сложности зарегистрированы 169 пробоев. Данные о числе опытов, о значениях коммутируемого тока, о режиме (О и ВО), а также о минимальном, максимальном и среднем числе М пробоев за один опыт приведены на рисунке. Номера опытов соответствуют хронологическому порядку их выполнения. Из рисунка видно, что в первом десятке отключений тока 1,9 кА в каждом опыте произошло в среднем по пять пробоев при колебаниях их числа в отдельных опытах от 3 до 9. Во втором десятке (опыты №№11-19) отключений того же тока произошло семикратное уменьшение среднего числа пробоев М при одновременном сокращении наибольшего числа пробоев в отдельных опытах до двух. В некоторых опытах пробои не возникали вовсе. Перевод камеры из режима О в режим ВО при том же токе (опыты №№20-34) привел к возрастанию Мдо 3-3,6 с одновременным возрастанием максимального числа пробоев в отдельных опытах до 5-6. Возвращением к режиму О при токе 1,9 кА (в опытах №№35-50)) подтверждено значение А/, полученное в опытах №№ 11-19. В опытах №№51-71 коммутировался ток 16 кА, причем в первых 10 опытах в режиме О, а в последующих 11 опытах - в режиме ВО. Из рисунка видно, что по сравнению с предыдущим режимом (опыты №№35-50) существенных изменений значений Мне произошло. Последующая коммутация тока 1,9 кА как в режиме ВО (опыты №№72- 88), так и в режиме О (опыты №№89- 98), показала, что среднее значение М близко к единице, т.е. к среднему значению, полученному в 63 опытах (№№35-98), в которых в общей сложности произошло 67 пробоев.
На рисунке указаны границы 90%-ных доверительных интервалов, в которых могут заключаться значения М. Чтобы не перегружать рисунок, эти границы указаны для двух характерных случаев: при малом (М=0,5) и большом (М= 5) числе пробоев. Поскольку доверительные интервалы взаимно не перекрываются, можно говорить о существенном различии Мв этих случаях. Видно, что в ходе выполнения первых нескольких десятков коммутационных операций проявляется тенденция к существенному уменьшению как наибольшего, так и среднего числа пробоев. В дальнейшем среднее значение М стабилизируется на некотором уровне (в нашем случае на уровне прямой В-В). Таким образом, можно считать, что процесс приработки вакуумного выключателя в отношении возникновения повторных пробоев происходит за несколько десятков включений - отключении тока, соизмеримого с номинальным.
Среднее число повторных пробоев за один опыт М (пп/ опыт) в зависимости от порядкового номера опыта N, режима работы и значения коммутируемого тока Линия А-А - значение М, обусловленное бестоковым смыканием контактов; линия В-В - усредненное значение М для опытов №№35-98.
Штрих-пунктирная линия - граница 90%-ных доверительных интервалов; круглые скобки - минимальное и максимальное число пробоев в опытах
Попытаемся выявить физический процесс, обусловливающий эту тенденцию. Частицы субмиллиметрового размера (макрочастицы), которыми инициируются пробои, могут образовываться при следующих процессах:
- При трении контактов друг о друга во время бестоковых смыкания и размыкания.
- При воздействии на контакты, разведенные на расстояние более 1-2 мм, диффузной или контрагированной вакуумной дуги.
- В процессе разведения контактов, через которые течет ток, от замкнутого состояния до расстояния 1-2 мм, когда между ними возникает так называемая короткая вакуумная дуга, характеризуемая относительной неподвижностью.
- Под воздействием дуги предвключения, образующейся при пробое промежутка между сближающимися контактами и при расстоянии между ними менее 1-2 мм превращающейся в короткую дугу; короткая дуга возникает также при вибрации контактов, характерной для процесса смыкания.
Первый из перечисленных процессов отчасти реализовывался в режиме О, когда производилось бестоковое смыкание контактов. Поскольку скорость соударения при смыкании и сила сжатия контактов во всех опытах были неизменны, то есть основания допустить, что число макрочастиц, образующихся в результате этого процесса, от опыта к опыту существенно не менялось, и их действием невозможно объяснить семи- и трехкратное изменение значения Мв опытах №№1-19 и 35-50, соответственно. Поэтому представленное на рисунке изменение Мне может быть следствием первого процесса образования макрочастиц. Однако образование макрочастиц при бестоковых смыканиях контактов обусловливает некоторый, не связанный с отключаемым током уровень значения М=Мо. В [4] показано, что при бестоковых операциях смыкания-размыкания контактов возникает меньше пробоев, чем при коммутациях тока. Поэтому для оценки «сверху» можно принять, что М=Мтт, где М - минимальное среднее число пробоев, полученное в опытах, когда камера уже прошла первоначальную приработку. На рисунке показано, что значение М -0,5 пп/опыт получено в опытах №№40-50. Оно и может служить указанной оценкой для Л/, а пунктирная прямая А-А с ординатой М=Мо~0,5 пп/опыт характеризует уровень числа пробоев, обусловленных бестоковым, чисто механическим взаимодействием контактов друг с другом.
Влиянием второго процесса также нельзя объяснить картину изменения М. Непосредственными наблюдениями установлено, что при существовании диффузной или контрагированной вакуумной дуги между контактами из хромомедной металлокерамики, разведенными на расстояние более 1 -2 мм, при отключении тока, значение которого менее номинального тока отключения (когда еще не оплавляются участки контакта - анода), макрочастицы практически не образуются [5]. В наших опытах отключался ток до 16 кА, что на 25% меньше номинального тока отключения для исследованной камеры; следовательно, есть основания пренебречь вкладом второго процесса в общее количество образующихся макрочастиц.
Результаты наблюдений образования макрочастиц в процессе разведения контактов (третий из перечисленных процессов) приведены в [6]. При разведении контактов наступает момент, когда электрический ток сосредоточивается в последней перед размыканием точке контактирования. Этим током материал контактов в указанной точке за доли микросекунды нагревается до температуры кипения, и в его парах возникает электрическая дуга, характеризующаяся относительной неподвижностью. Результатом является локальный перегрев контактов, что приводит, помимо испарения, к разбрызгиванию контактного материала. Разбрызгивание происходит энергичнее, если контактный материал загрязнен газосодержащими или легкокипящими примесями. Оно уменьшается при увеличении скорости перемещения дуги под влиянием магнитного поля. Аналогичным образом могут образовываться крупные макрочастицы в процессе смыкания контактов (четвертый процесс).
С учетом изложенного наибольшее (по сравнению с остальными опытами) число пробоев в первом десятке опытов в режиме О можно объяснить энергичным образованием макрочастиц в ходе разведения контактов, когда между ними зажигается короткая дуга. Место образования дуги через десяток опытов оказывается хорошо обезгаженным и очищенным от легкокипящих примесей. Это приводит к существенному снижению эффективности процесса образования макрочастиц, что проявляется в многократном уменьшении значения М на втором десятке опытов.
Наблюдающееся в опытах №№20- 34 увеличение среднего значения М обусловлено началом еще одного процесса образования макрочастиц. В этих опытах реализовывался режим ВО, характеризующийся существованием дуги предвключения и вибрацией контактов. Участки поверхности контактов, где возникают дуги в моменты размыкания и смыкания контактов, чаще всего не совпадают друг с другом. Перегреву дугой предвключения подвергается новый участок на каждом из контактов. Эти новые участки на начальном этапе (до освобождения от примесей) также являются поставщиками повышенного количества частиц, некоторые из которых приводят к возникновению пробоев. Действием этих макрочастиц мы обязаны увеличению частоты пробоев в опытах №№ 20-34 в 2-3 раза по сравнению с частотой в режиме О в опытах №№ 11-19. После некоторого числа коммутаций новые участки контактов очищаются от газа и легкокипящих включений, т.е. оказываются оттренированными дугой предвключения. При этом число поставляемых ими макрочастиц уменьшается и средняя частота пробоев стабилизируется на некотором уровне прямой В-В при колебаниях числа пробоев в одном опыте от нуля до трех. Нетрудно заметить, что изменения режима О на ВО и увеличение коммутируемого тока с 1,9 до 16 кА (опыты №№ 35-98), уже не сказываются существенно на частоте возникновения пробоев.
После окончания фазы приработки частота пробоев при коммутации тока характеризуется средним уровнем В- В, который при условиях эксперимента примерно вдвое выше уровня А-А, являющегося, как отмечалось, оценкой сверху для частоты пробоев при бестоковых коммутациях. Расчет по методике, приведенной в [7], показывает, что в данном случае превышение уровня В-В над уровнем А-А не является случайностью. Доверительная вероятность того, что это действительно имеет место, равна 0,99, что указывает на фактическую достоверность этого события. В превышение уровня В-В над уровнем А-А вносят вклад макрочастицы, образующиеся главным образом под действием коротких дуг при размыкании, смыкании и вибрациях контактов. Нельзя исключать и возможность образования макрочастиц за счет второго процесса.
Число пробоев, возникновение которых предопределяется короткой дугой, можно уменьшить воздействием на дугу, контактный материал и движение контакта.
Короткая дуга под действием поперечного магнитного поля перемещается по поверхности контактов [8]. Усиление индукции поля и связанное с этим увеличение скорости перемещения дуги уменьшают размеры зон плавления контактов под опорными пятнами и сокращают количество разбрызгиваемого металла. Поэтому конструкция контактов должна обеспечивать возникновение достаточного поперечного магнитного поля на всех участках формирования короткой дуги.
Воздействие на контактный материал должно состоять в уменьшении содержащихся в нем легкокипящих примесей и газа, разумеется, в экономически целесообразных пределах. Это ослабит бурность кипения материала контактов в опорных точках дуги и уменьшит размер и количество образующихся макрочастиц. Необходимость уменьшения газосодержания обусловливается также, как известно, стремлением сохранить в камере приемлемый вакуум после выполнения коммутационных операций. Время существования короткой дуги и пропорциональное ему количество макрочастиц определяются скоростью движения контакта. Поэтому в момент смыкания и в начальной стадии размыкания скорости контакта должны быть достаточно высокими. В выключателях общепромышленного назначения на напряжение более 10 кВ с током отключения 10 кА и более указанные скорости обычно составляют около 1 м/с. Стремление сократить время короткой дуги путем увеличения этой скорости вносит осложнения в работу сильфона и контактов.
Для уменьшения отрицательных последствий дуги, существующей во время вибрации, указанное время ограничивают интервалом 1-2 мс.
Частота пробоев сильно зависит от полного межконтактного расстояния. Поэтому в некоторых случаях для снижения частоты пробоев можно пойти на увеличение хода контакта, имея в виду, однако, что это приводит к снижению механической износостойкости камеры. В то же время, увеличив ход лишь на время приработки выключателя, можно многократно уменьшить частоту пробоев без существенного сокращения механической износостойкости камеры, поскольку, как показали результаты эксперимента, приработка завершается через несколько десятков циклов.
Список литературы
- Рыльская Л.А., Перцев А.А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока // Электротехника, 1985, № 1. С. 5-9.
- Техника высоких напряжений/Под ред. М. В. Костенко. М.: Высшая школа, 1973.
- Bernauer Ch., Platter F. and Rieder W. Vacuum Discharge Phenomena not Regarded by Today’s Circuit-Breaker Standards//CIGRE SC 13. Sarajevo (Jugoslavia). 1989, May, 1-9.
- Расчет вероятности повторных пробоев вакуумной дугогасительной камеры / А.А. Перцев, Л.А. Рыльская, К. Н. Ульянов, В. В. Чулков // Электричество. 1989. № 8. С. 74-76.
- Research for vacuum circuit- breakers //ABB. Rev. 1989, №3, P. 11-18.
- Селикатова С. М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения //ЖТФ. 1972. Т. XLII. Вып. 7. С. 1508-1515.
- Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971.
- Селикатова С.М., Лукацкая И.А. Некоторые особенности движения вакуумной дуги отключения в магнитном поле // ЖТФ, 1972. Т. 42. Вып. 7. С. 1516-1518.
