Лукацкая И.А.
Большой коммутационный ресурс является одним из основных достоинств вакуумных выключателей. Это качество обусловлено тем, что в вакууме при коммутациях тока не образуются окислы и другие химические соединения материала контактов, а энергия, выделяемая в вакуумной дуге (ВД), определяемая при заданном токе падением напряжения в ВД, мала. Это падение напряжения при номинальных токах не превышает нескольких десятков вольт, а при токах короткого замыкания даже в контактных системах вакуумных дугогасительных камер (ВДК) с вращающейся дугой - нескольких сотен вольт.
Критерием коммутационного ресурса является наибольший допустимый износ контактов, при котором еще сохраняется работоспособность ВДК. Износ контактов зависит от свойств ВД, на которые в свою очередь влияют значение коммутируемого тока и следующие конструктивные факторы:
- материал контактов;
- конфигурация и размеры контактных систем;
- расстояние между контактами;
- скорость хода подвижного контакта при включениях и отключениях тока.
В настоящей работе обобщены данные по износу контактов, полученные при испытаниях на коммутационный ресурс восьми типов ВДК, разработанных под руководством автора. Номинальное напряжение ВДК составляло 10 кВ, номинальные токи 400-3150 А, номинальные токи отключения 4-40 к А [1]. ВДК с номинальными токами отключения 10 кА и более имели контактные системы, снабженные в своих контактирующих и дугогасящих частях изогнутыми в тангенциальном направлении прорезями, благодаря которым при протекании отключаемого тока через контактную систему и ВД создавалось радиальное магнитное поле, при взаимодействии с которым ВД вращалась. ВДК с номинальным током отключения 4 кА имела контакты в виде сплошных цилиндров диаметром 28 мм. В трех типах ВДК в качестве контактного материала применялся сплав медь-висмут-бор, в остальных - композиция хром-медь с содержанием хрома 50% по массе. ВДК имели различные диаметры контактирующих (40-65 мм) и дугогасящих (60-110 мм) частей.
1 Доклад был представлен на II симпозиуме «Электротехника 2010 год», Москва, май 1995 г.
Испытания на коммутационный ресурс при номинальных токах производились при возвращающемся напряжении 220 Вдейст. в однополюсном режиме. Допустимость испытания при указанном напряжении обусловлена тем, что оно на порядок выше падения напряжения в ВД при этих токах. Имеются различия во времени горения дуги, а следовательно, и износе контактов при испытаниях на коммутационную износостойкость при высоком и низком возвращающихся напряжениях, а также в трехполюсном и однополюсном режимах. Путем испытаний и расчетов было установлено, что при испытаниях в однополюсном режиме при пониженном напряжении число циклов ВО должно быть увеличено в 1,4 раза, чтобы обеспечить эквивалентность с трехполюсным режимом при наибольшем рабочем напряжении. Соответственно увеличивалось число циклов ВО по отношению к номинальному значению, которое составляло (10-50) тыс. циклов ВО для разных типов ВДК. Испытания проводились при токах 630-2000 А.
При токах 10-40 кА испытания проводились в трехполюсном режиме при наибольшем рабочем напряжении, за исключением отдельных случаев, когда при токе 40 кА часть циклов ВО или О выполнялась при пониженном напряжении 3-5 кВ. При токе 4 кА испытания проводились в однополюсном режиме при наибольшем рабочем напряжении.
Во всех опытах средняя скорость хода подвижного контакта ВДК при включениях и отключениях составляла 0,6-0,9 м/с и 1,4-2,0 м/с, соответственно. Ход подвижного контакта составлял 4-14 мм в зависимости от типа ВДК. При испытаниях в режиме номинальных токов ВДК устанавливались на специальном моторно-пружинном приводе, с помощью которого производилось 720 циклов ВО в час. Время протекания тока через ВДК составляло 20-40 мс. Испытания ВДК в режиме номинальных токов отключения проводились в составе соответствующих вакуумных выключателей. Во всех опытах фаза размыкания контактов была произвольной. Износ контактов измерялся в миллиметрах.
В процессе испытаний было установлено, что при включениях в случае вибрации или отброса контактов при пиках сквозного тока, когда ВД горит при малых расстояниях между контактами, износ возрастает в несколько раз. Поэтому при испытаниях были приняты меры, чтобы время горения ВД при вибрациях и отбросах не превышало 2 мс, допустимых по техническим условиям, а число опытов с указанными явлениями не превышало 10% при номинальных токах отключения и 30% при номинальных токах.
С помощью ВДК с контактами из сплава медь-висмут-бор и номинальным током отключения 20 кА было выполнено несколько десятков отключений тока 20 кА при размыкании контактов в начале полупериода тока и в области максимума тока. Во всех опытах погасание ВД происходило при первом прохождении тока через нуль. Оказалось, что во втором случае износ контактов был в несколько раз большим, чем в первом, несмотря на меньшее время горения ВД. В [2-4] показано, что при малых расстояниях между контактами, что имеет место, в частности, непосредственно после размыкания контактов, возникает контрагированная форма ВД, причем расстояние, на котором она способна существовать, увеличивается с ростом тока. Во время существования контра- гированной формы ВД износ контактов значительно больше, чем в ВД с рассеянными катодными пятнами. По- видимому, именно существованием контрагированной формы дуги можно объяснить повышенный износ контактов при вибрациях, отбросах и размыканиях в области максимума тока.
Сопоставление износа контактов при номинальных токах отключения при операциях О и ВО показало их незначительное отличие. Это можно объяснить малыми токами в момент включения и малым временем ВД при включении из-за высокой электрической прочности вакуумных промежутков.
Была построена зависимость среднего арифметического значения для данного тока удельного износа контактов а [r/кА в х цикл ВО] от коммутируемого тока. Оказалось, что для всех типов камер с одинаковым контактным материалом удельные значения износа контактов независимо от их диаметра ложатся на одну кривую. Причем у контактов из сплава медь-висмут-бор износ во всем диапазоне токов примерно в два раза больше, чем у контактов из композиции хром-медь. При токах до 5 кА указанные зависимости носят степенной характер и хорошо аппроксимируются следующими формулами:
для сплава медь-висмут-бор
(1)
для композиции хром-медь
(2)
В формулах (1), (2) а выражено в граммах на килоампер действ., умноженных на цикл ВО, / - в килоампер действ. Расчет показывает, что для выражения а в грамм на кулон необходимо коэффициент I умножить на 0,157. При токах более 5 кА рост удельного износа контактов по мере увеличения тока замедляется. Это иллюстрируется кривыми, приведенными на рисунке. При увеличении тока с 10 до 40 кА а возрастает в 1,8 раза, в то время как при увеличении тока с 5,0 до 10 кА а возрастает в 4 раза.
Обнаруженные закономерности позволяют предположить следующее:
- При отключении токов до 5 кА износ контактов определяется начальной стадией ВД, которая носит контрагированный характер.
- При токах более 5 кА (амплитудное значение 7 кА) начинают сказываться силы взаимодействия магнитного поля в межконтактном промежутке с током ВД. Эти силы заставляют дугу двигаться по поверхности контактов и уменьшают их износ. Влияние этих сил с ростом тока увеличивается, что и приводит к замедлению роста удельного износа контактов.
Результаты, приведенные в настоящей работе, показывают, что износ контактов ВДК можно уменьшить не только за счет выбора более дугостойкого контактного материала, но и с помощью следующих мероприятий: исключения вибрации и отброса контактов, увеличения начальной скорости хода подвижного контакта при отключении, а также путем придания контактирующей части контактных систем с вращающейся дугой конфигурации, обеспечивающей достаточные электродинамические усилия.
Зависимость удельного износа контактов от тока:
X - композиция хром-медь;
О - сплав медь-висмут-бор
В контактных системах с продольным магнитным полем при токах короткого замыкания износ контактов меньше, чем в контактных системах с радиальным магнитным полем, благодаря меньшему падению напряжения в дуге. Однако эти контактные системы имеют большее омическое сопротивление, и из-за затруднений с теплоотводом при протекании номинальных токов в ряде случаев их не удается применить.
Полученные данные можно использовать для расчета износа контактов при разработках ВДК.
Список литературы
- Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные Всесоюзным электротехническим институтом им. В.И. Ленина IГ. С. Белкин, И.А. Лукацкая, А.А. Перцев и др. // Электротехника, 1991, № 12. С. 9-15.
- Селикатова С.М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения // ЖТФ, 1972, XLII, вып. 7. С. 1508-1515.
- Lukatskaya I.A., Selikatova S.М. Investigation of Arc in Contact Systems of Vacuum Interrupters // Proc of the VH-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Novosibirsk, 1976. P. 434.
- Grundlagenarbeiten Zur Entviclung von Vacuumschaltem / R. Gebel, G.Lins, B.-I. Paul,
- Paulus П Siemens Energie Automation. 7 (1985). H2. S. 79-84.
Электротехника, 1996, № 8
