Шохин Е.А., Данилов М.Е.
При разработке вакуумных дугогасительных камер (ВДК) с одним разрывом на класс напряжения 60-110 кВ увеличиваются межконтактные расстояния и скорости перемещения подвижного контакта во время коммутаций. Поэтому важно знать, как влияют силовые воздействия со стороны привода выключателя на электрическую прочность высоковольтных ВДК. Известно, что замыкание и размыкание контактов в выключателях высокого напряжения всегда сопровождаются ударом. При ударе возникают значительные ускорения подвижного контакта, а также ряд явлений, таких как деформация материала в месте замыкания контактов, проявление эффекта холодной сварки в отсутствие тока нагрузки, распространение упругих волн, вызывающих вибрации всех элементов ВДК. Эти явления вызывают не только изменение микрорельефа поверхности контактов в месте удара, но и способствуют ослаблению связей, выбросу эрозионных частиц материала электродов в межконтактный промежуток и сложным образом влияют на электрическую прочность.
Некоторые закономерности электрической прочности после бестоковых коммутаций были рассмотрены в ряде работ [1-7]. Показано, что напряжение первого пробоя после бестоковых замыканий и размыканий контактов снижается в 2-3 раза и сильно зависит от материала контактов [3, 4]. Так, для механически более прочных материалов контакта электрическая прочность значительно выше, чем для менее прочных [4]. При замыкании контактов без тока имеет место холодная сварка материала контактов, поэтому после размыкания контактов в месте разрыва сварки образуются микроострия, которые и являются одной из причин снижения электрической прочности [1, 3, 6]. Наибольшее снижение напряжения пробоя происходит при первом замыкании контактов, однако при последующих замыканиях наблюдается повышение уровня напряжения пробоя, что по данным [3] связано с упрочнением материала контактов в месте их замыкания. Напряжение пробоя слабо зависит от формы импульса напряжения [5], при этом оно хорошо описывается распределением Вейбулла [7]. Однако в литературе отсутствуют данные о влиянии ударных нагрузок со стороны привода выключателя на электрическую прочность межконтактных промежутков, которые необходимы при разработке конструкций высоковольтных ВДК и при выработке требований, предъявляемых к приводу выключателя. Для получения этих данных исследовалась электрическая прочность межконтактного промежутка контактной системы КДВ-35 после бестоковой коммутации при повышенных напряжениях.
Исследования электрической прочности межконтактного промежутка проводились на разборном макете высоковольтной ВДК. Макет состоял из металлического вакуумно-плотного бака, высоковольтного ввода на 300 кВ и системы электростатических экранов. Верхний и нижний подвижные контакты механически развязаны от корпуса макета ВДК с помощью сильфонов, что обеспечивает чистоту проведения эксперимента в режиме бестоковой коммутации. Металлический бак имеет два оптических окна, позволяющих проводить одновременно с электрическими также и оптические исследования. После сборки макет ВДК проходил при безмасляной откачке цикл вакуумно-технологической подготовки, включая 50-часовой отжиг при температуре 400° С. Давление в камере при исследованиях составляло 2-10'6 Па.
При проведении исследований шток верхнего подвижного контакта ВДК был жестко закреплен на металлической балке, а шток нижнего подвижного контакта подключен к приводу выключателя, скорость замыкания контактов которого могла регулироваться в диапазоне от 0 до 1,7 м/с.
Исследование электрической прочности межконтактного промежутка после бестоковых коммутаций проводилось при воздействии на него импульсов высокого напряжения, что позволило более подробно определить закономерности пробоя. В качестве источника высокого напряжения использовался генератор импульсов с выходной емкостью 0,05 мкФ и максимальным напряжением импульса 300 кВ, фронтом 250 мкс, длительностью 3000 мкс. Максимальное значение импульса высокого напряжения выбиралось таким образом, чтобы напряжение первого пробоя происходило на фронте импульса. Процедура проведения каждого опыта включала следующие операции: тренировку поверхности контактов высоким напряжением, проведение бестоковых соударений контактов и подачу импульса высокого напряжения на межконтактный промежуток. Напряжение измерялось емкостно-омическим делителем и осциллографом С-8-2, осциллограммы фотографировались. Полученные результаты подвергались статистической обработке. Каждая точка представляет собой среднее значение, полученное в результате обработки данных не менее 30 опытов, с надежностью оценки среднего 0,99.
Пробивное напряжение контактной системы КДВ-35 в режиме бестоковой коммутации при разных расстояниях между контактами зависит от скорости соударения контактов и имеет сложный характер. На рис. 1 приведены зависимости среднего пробивного напряжения для некоторых скоростей соударения контактов; средние пробивные напряжения для тренированных контактов и для сопоставления; пробивные напряжения для медных тренированных электродов [9].
Рис. 1. Зависимости напряжения пробоя от расстояния между контактами для контактов, тренированных высоким напряжением (3, 5, 7), и при бестоковой коммутации (I 2, 4, 6):
1 - контакты не обрабатывались сильноточным дуговым разрядом; 4, 5- контакты после отключения тока до 10 кА, /^50Гц, 50 отключений; 2, 6, 7 - контакты после отключения тока до 25 кА, /=50 Гц, 25 отключений; 3 - медные электроды [</].
Для зависимостей электрической прочности после бестоковых соударений характерно то, что при d<8-H2 мм наблюдается значительное снижение электрической прочности по сравнению с тем же оттренированным промежутком. Этот факт отмечался и в [3, 4]. С увеличением межконтактного промежутка свыше 8-12 мм напряжения пробоя тренированных контактов и контактов, испытанных после соударений, становятся соизмеримыми, причем зависимость напряжения пробоя от межконтактного расстояния имеет такой же угол наклона, который отмечался в [9, 11, 12] и соответствует примерно зависимости
Следует отметить, что начальный участок зависимости напряжения пробоя после бестоковых соударений имеет линейный характер (Uu=kd), причем с увеличением скорости соударения наблюдается тенденция уменьшения угла наклона характеристики, и, следовательно, уровень пробивного напряжения для тренированного промежутка достигается при больших длинах межконтактного промежутка.
Отклонения в чистоте электродов могут существенно менять положение зоны перехода с линейной зависимости на нелинейную и их уровень пробивного напряжения (рис. 1, кривые 1, 4 при v=0,6 м/с), однако характер зависимости от этого не меняется. Это означает, что в исследованной контактной системе в режиме бестоковых соударений пробой инициируется вследствие каких-то устойчивых причин. Для выяснения этих причин была исследована зависимость пробивного напряжения от скорости удара нижнего контакта по верхнему.
Для исследования прочности межконтактного промежутка в условиях, близких к условиям эксплуатации вакуумных выключателей, поверхность контактов предварительно обрабатывалась сильноточной вакуумной дугой многократными отключениями тока 10 кА промышленной частоты. Установлено, что с увеличением количества бестоковых коммутаций среднее значение напряжения первого пробоя постоянно увеличивается, причем отсутствует воспроизводимость результатов. Это можно объяснить упрочнением материала контактов в месте удара [3] и уменьшением количества слабосвязанных частиц материала электродов на поверхности контактов.
В вакуумных выключателях место соударений контактов при коммутации тока подвергается воздействию вакуумной дуги, что способствует ликвидации упрочнения материала контактов в месте их замыкания и дополнительному запылению поверхности контактов продуктами эрозии.
Рис. 2. Зависимость напряжения от скорости соударения контактов при с1=1()мм.
Экспериментально установлено, что если место замыкания контактов после 3-4 опытов обрабатывать вакуумной дугой 100 А, то результаты оказываются воспроизводимыми. Зависимость напряжения пробоя от скорости соударения контактов для промежутка 10 мм с использованием обработки поверхности контактов постоянным током 100 А представлена на рис. 2. Она имеет пологую часть характеристики (v = 0 -г- 0,8 м/с), где напряжение пробоя снижается на 20%, и крутой спад (v = 0,9 -г- 1,6 м/с), где напряжение пробоя снижается на 80-90%.
Из анализа зависимостей напряжения пробоя в режиме бестоковых соударений (рис. 1 и 2) можно сделать вывод, что на малых расстояниях (d < 8 ^ 12 мм) и малых скоростях соударения 0 (v < 0,8 м/с), по-видимому, основную роль в инициации пробоя играют разрушения поверхности контактов в месте удара, а при расстояниях d> 10 мм и скорости удара v > 0,9 м/с эффекты разрушения поверхности теряют определяющую роль. Для проверки этого предположения проводилось фотографирование мест пробоя в режиме бестоковых соударений при v < 0,8 м/с на малых и больших расстояниях.
При фотографировании ось объектива была направлена под углом 15° к плоскости нижнего контакта для того, чтобы охватить всю его поверхность. Для локализации места контактирования электродов параллельность плоскостей контактов была несколько нарушена из-за поворота плоскости нижнего контакта на угол менее чем один градус. При этом место соударения электродов находилось только в узкой области поверхности контактов и было расположено напротив одного из оптических окон макета. Место соударения контактов определялось следующим образом. От источника постоянного напряжения заряжался конденсатор емкостью 100 мкФ до напряжения 600 В. Конденсатор был подключен к разомкнутым контактам макета ВДК. При замыкании контактов и последующем быстром разведении их в месте контактирования электродов возникала яркая вспышка, которая фотографировалась. Импульсная подсветка со стороны второго оптического окна обеспечивала одновременное получение изображений контактов и места вспышки на одном фотоснимке.
Рис. 3. Распределение пробоев на поверхности кольцевых контактов для разных участков кривой на рис. 1:
1 - место соударения контактов; 2 - распределение мест пробоев при ch 10 мм; 3 - распределение мест пробоев при d= 15 мм.
Фотографирование светимости катодных пятен на поверхности контакта во время пробоя проводилось при заранее открытых шторках затвора фотоаппарата. Одновременно с фотографированием мест пробоя проводилось ос- циллографирование напряжения пробоя. В дальнейшем результаты фотосъемки подвергались статистической обработке, т.е. по координатам катодных пятен на поверхности контакта было рассчитано, а затем построено распределение мест пробоя по поверхности кольцевой контактной системы для двух межконтактных расстояний (рис. 3).
Результаты расчета показали, что для первого (начального) участка кривых на рис. 1 пробой происходит в местах соударения контактов (кривая 2, рис. 3), а для второго участка кривых пробои не соответствуют местам соударения контактов, а хаотически распределены по поверхности электрода (кривая 3, рис. 3).
Рассмотрим, при каких напряженностях электрического поля возникают пробои исследованной контактной системы. Для этого был проведен расчет напряженности электрического поля на поверхности контактной системы по методике [8] и рассчитаны пробивные напряженности для обнаруженных мест пробоя.
На рис. 4 приведены расчетные значения пробивной напряженности для тренированных контактов (зона 1) и для контактов после бестоковых соударений со скоростью 0,6 м/с (зона 2).
Рис. 4. Зависимость пробивной напряженности электрического поля по поверхности контактов:
1 - для тренированного промежутка; 2 - после бестоковых коммутаций, v=0,6 м/с.
Ранее отмечалось, что напряжение пробоя на контактах в режиме соударений при малых расстояниях ниже, чем на тренированных контактах. Это означает, что на малых межконтактных расстояниях пробои возникают в месте соударения и начальная критическая напряженность находится в области зоны 2. По мере увеличения расстояния критическая напряженность в месте соударения контактов согласно рис. 4 остается примерно постоянной, а критическая напряженность тренированных поверхностей контактов монотонно снижается, пересекая зону 2. При этом напряженность пробоя тренированного промежутка оказывается ниже уровня напряженности пробоя в месте соударения, что и обусловливает переход мест пробоя на напряженные поверхности контакта и рассредоточение этих мест.
Список литературы
- Фаррелл Дж. Электрический пробой в вакууме// Вакуумные дуги. - М.: Мир, 1982.
- Miller И.С, Farrall G.A. Polarity effect in vacuum breakdown electrode conditioning // J. Appl. Phys. - 1965. - Vol. 36, № 4. - P. 1338-1344.
- Lloyd О., Наскат R. Effect of mechanical contact force an withstand voltage of copper - bismuth and CLR vacuum interrupters//Proc. IEE.- 1975.-Vol. 122,№ 11, p. 1275-1278.
- Воздвиженский В.Л., Данилов М.Е. Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер // Электричество. - 1977, - № 6. - С. 67-70.
- Frolich К., Wldl W. Breakdown and field emission behavior of differently prestressed vacuum interruper copper contacts // Proc. IEE - 1981. - Vol. 128, Pt. C. № 4. - P. 243-249.
- Tomaschke H.E., Alpert D. Role of Submicroscopic Projetions in Electrical Breakdown // J. Vac. Sci. Technol. - 1967. - Vol. 4, № 4. - P. 192-198.
- Shao-chum L. Statistical properties of steady state impulse breakdown voltage for commerical vacuum interrupters // IEEE Trans. Electr. Insulat. - 1983. - Vol. 18, № 3. - P. 325-31.
- Колечицкий E.C. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. - М.: Энергоатом издат, 1983.
- Statistical property of breakdown Between metal electrodes in vacuum / H. Toya, N. Ueno, Okada, V. Murai II IEEE Trans. Power App. Syst. 1981. PAS-100, №4. P. 1931-1939.
- Вакуумная дугогасительная камера для выключателей высокого напряжения / А.А. Перцев, В Б. Козлов, Л.Г. Гусева и др. // Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. - М.: Информэлектро, 1980.-Вып. 3(107).-С. 10-13.
- Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. - М.: Атомиздат, 1972.
