Рыльская Л.А., Перцев А.А.
В [1] показано, что макрочастицы, образующиеся на контактах при выполнении коммутационных операций, мигрируя под действием электрического поля по объему вакуумной дугогасительной камеры (ВДК), попадают в межэкранные промежутки, приводя к снижению их электрической прочности. Таким образом, одни и те же макрочастицы вызывают снижение электрической прочности и межконтактного (КП), и межэкранных (ЭП) промежутков. Известно [2], что пробивные напряженности на электродах вакуумных промежутков, «загрязненных» макрочастицами, определяются не только размером и материалом последних, но также материалом электродов, образующих промежуток. В ВДК экраны изготавливаются, как правило, из меди или нержавеющей стали, контакты - из композиционных материалов или медных сплавов. В литературе отсутствуют какие-либо данные о пробивных напряженностях на электродах ВДК при пробоях, инициируемых макрочастицами. В статье приведены результаты исследований пробивной напряженности на экранах и контактах одного из типов ВДК на 35 кВ в первые доли секунды после отключения тока, когда пробои ВДК, называемые в этом случае повторными, инициируются макрочастицами.
Исследования выполнены на вакуумной камере (рис. 1) с номинальным током отключения 20 кА. Контакты 1, 2 создают аксиальное магнитное поле, контактирующие части их изготовлены из металлокерамики, основными компонентами которой являются хром и медь. Расстояние между контактами в отключенном состоянии d=15 мм. Экранная система образована тремя изолированными один от другого и от обоих контактов медными экранами 3-5 и прифланцевыми экранами 3 и 7. Проведены две серии опытов. В первой наблюдались пробои межконтактного промежутка. Для повышения частости пробоев возвращающееся напряжение Ub увеличено до 43-45 кВ, что примерно в два раза больше номинального рабочего напряжения. Экраны 3-5 (рис. 1, а) находились при этом под свободным потенциалом, напряжение на межэкранных промежутках не превышало 17 кВ, что сводило к минимуму возможность их пробоев в этой серии опытов. Отключаемый ток был индуктивным и изменялся в пределах 15-20 кА.
Во второй серии опытов наблюдались пробои одного из межэкранных промежутков, образованного экранами 3, 4 (рис. 1, б). Схема включения камеры показана на рис. 2,а, из которого видно, что к ЭП через резисторы и R2 прикладывалось возвращающееся напряжение, которое в данной серии опытов составляло 24-26 кВ. При таком напряжении пробои ЭП возникали с достаточной частотой. Отключался ток 0,14 и 0,5 кА.
Рис. 1. Схематический разрез вакуумной дугогасительной камеры (а) и конфигурация исследуемого межэкранного промежутка (б):
1,2- контакты; 3-5 - изолированные экраны; 6, 7 - при- фланцевые экраны; М, А - наиболее электрически напряженные участки контактов и экранов.
В обеих сериях каждый опыт состоял из следующих операций: замыкания контактов без напряжения на ВДК; включения тока вспомогательным выключателем В (рис. 2, а); отключения тока контактами ВДК; удержания возвращающегося напряжения на ВДК в течение примерно 0,3 с и снятия напряжения с ВДК выключателем В. В последующих опытах операции повторялись. Отключаемый ток / и напряжения Uku и /У п осциллографировались. По осциллограммам определялись пробившийся промежуток - КП или ЭЯ, мгновенное значение и полярность напряжения в момент пробоя, время пробоя. Отсчет времени проводился от момента первого перехода /7в через ноль. Из рассмотрения исключались пробои, происшедшие в первые 5 мс после отключения тока, поскольку напряжение в это время искажено переходным процессом.
Рис. 2. Схема электрических соединений для регистрации пробоев межэкранного промежутка ЭП (а) и осциллограммы отключаемого тока и напряжения на межэкранном промежутке (б):
В - выключатель; R] и R2 - резисторы 50 кОм; С^ЗОО пФ; С2=3-10'2 мкФ; а - е - пробои межэкранного промежутка.
Пример осциллограммы напряжения на ЭП при пробое приведен на рис. 2, б. Значение разрядного тока (/р) в ЭП ограничивалось резисторами /?2, его амплитуда не превышала 0,4 А. Время дуги при таком токе составляло 1-4 мс. Как видно из осциллограммы, до перехода напряжения, а следовательно, и тока 1 через нулевое значение происходило самопроизвольное погасание дуги - «срез тока», обусловленное известным явлением внутренней неустойчивости вакуумной дуги. В эксплуатационных условиях, когда экраны ВДК находятся под свободным потенциалом, время дуги (/р) в ЭЯ при его пробоях определяется временем t разряда собственных емкостей С экранов:
где U- напряжение на ЭП в момент пробоя; /р - среднее значение тока дуги. Для оценки времени t положим, что С=100 пФ, I =1 A, U=\0 кВ, тогда /р<1 мкс. Следовательно, в эксплуатационных условиях, если произойдет пробой ЭЯ, то продолжительность потери им электрической прочности, вероятнее всего, не превысит 1 мкс.
В первой серии опытов наблюдалось 127 пробоев межконтактного промежутка. На рис. 3 приведена зависимость выборочных средних значений пробивных напряжений от отключаемого тока. Видна тенденция к уменьшению напряжений с увеличением тока. Она особенно отчетливо проявляется тогда, когда ток приближается к номинальному току отключения / . Выборочное среднее значение напряжения при этом снижается примерно на 20% относительно такового при токе менее 0,5 I . Снижение пробивных напряжений может быть обусловлено ростом размеров частиц с увеличением отключаемого тока. Отметим, что пробои КП происходили при обеих полярностях возвращающегося напряжения.
Рис. 3. Зависимость выборочных средних значений пробивных напряжений межконтактного промежутка от отключаемого тока:
• - первый пробой; о - второй, третий и последующие пробои. Доверительные интервалы указаны для доверительной вероятности 0,9.
Хотя по числу пробоев при обеих полярностях обнаружено заметное различие, выборочные средние при этом практически одинаковы. Поэтому при построении зависимости, представленной на рис. 3, результаты, соответствующие различным полярностям пробивного напряжения, объединены. В одном опыте могло произойти несколько пробоев. Из рис. 3 следует, что в среднем пробивные напряжения последующих (второго, третьего и т. д.) пробоев практически не отличаются от такового для первого пробоя.
Отметим, что обычно при тренировке пробоями некондиционированного вакуумного промежутка пробивное напряжение заметно повышается от пробоя к пробою. Межконтактный промежуток ВДК, который сразу после отключения тока также является не- кондиционированным, обладает, как видим, другим свойством: его пробивное напряжение от первого к последующим пробоям заметно не увеличивается; уменьшается лишь с течением времени частоты пробоев [3]. Пробивное напряжение повышается только через несколько десятых долей секунды после отключения тока, когда межконтактный промежуток под действием возвращающегося напряжения очистится от макрочастиц.
Из рис. 3 также видно, что доверительные интервалы выборочных средних значений пробивных напряжений в исследованном диапазоне изменений отключаемого тока перекрываются. Это позволило для статистической обработки объединить в одну выборку значения пробивных напряжений при первых и последующих пробоях, происшедших при обеих полярностях во всем диапазоне токов.
Во второй серии опытов наблюдались 36 пробоев межэкранного промежутка. В отличие от пробоев КП здесь пробои произошли при одной полярности напряжения, при которой экран 4 (рис. 1, б) являлся катодом. Отметим, что здесь так же, как и в КП, пробивные напряжения последующих пробоев в среднем практически не отличаются от таковых для первых пробоев. Поэтому и в этом случае при статистической обработке все значения пробивных напряжений ЭП объединены в одну выборку.
Рис. 4. Гистограмма (1) и расчетный график плотности распределения (2) пробивного напряжения межконтактного (а) и межэкранного промежутков (б).
На рис. 4, а, б (кривая 1) приведены гистограммы пробивных напряжений соответственно для межконтактного и межэкранного промежутков. Наименьшие значения пробивных напряжений в выборках равны: 25 кВ - для КП, 19 кВ - для ЭП; наибольшие - соответственно 64 и 37 кВ. Там же указаны выборочные средние значения пробивных напряжений ((У), которые для КП и ЭП равны 55 и 32 кВ. Наибольшие значения пробивных напряжений в выборках обусловливались не процессами в промежутках, а амплитудой возвращающегося напряжения, поэтому обе выборки усеченные. По выборкам в соответствии с [4] рассчитаны оценки параметров генеральных распределений пробивных напряжений для КП и ЭП - генеральных средних (t/50) и генеральных средних квадратических отклонений (gu) - в предположении, что генеральные совокупности распределены по нормальному закону. Частости пробоев подсчитывались с учетом распределения времени пробоев в КП и ЭП [1,3] и числа «эффективных» в отношении возникновения повторных пробоев полупериодов возвращающегося напряжения. Значения оценок приведены в таблице.
Значения параметров генерального распределения
* Указаны границы при двусторонней доверительной вероятности а = 0,9
Графически усеченность выборок наглядно видна из сопоставления площади гистограммы I (рис. 4) с площадью, ограниченной кривой 2 плотности распределения пробивных напряжений U. Последняя построена по указанным в таблице параметрам и а . Отметим, что для КА выборочное среднее UK п составляет лишь 60% генерального среднего U50; аналогичное значение для ЭП равно примерно 80%).
Естественно, что 50%-ное пробивное напряжение равно генеральному среднему U50, а не выборочному среднему U.
По оценкам параметров генеральных распределений пробивных напряжений и электрическому полю ВДК, смоделированному на ЭВМ, вычислены параметры генеральных распределений пробивных напряженностей — и аЕ на наиболее напряженных участках электродов обоих промежутков. На контактах таковыми являются области М на скруглениях контактирующих поверхностей (рис. 1, а); на экранах - поверхность А (рис. 1, б). Пробои межэлектронного промежутка происходили при отрицательном потенциале поверхности А; при противоположной полярности и той же напряженности пробои не возникали. Наличие пробоев ЭЯ только при одной полярности напряжения объясняется тем, что при пробоях, инициируемых макрочастицами, основную роль играет напряженность у отрицательного электрода [2], а у экрана 3, который при «непробивной» полярности имеет отрицательный потенциал, напряженность на соответствующей поверхности не достигала значения пробивной: максимальное значение напряженности на этой поверхности, равное в настоящих опытах 2,1 кВ/мм, существенно меньше, чем минимальное значение пробивной напряженности ЭЯ, равное 3 кВ/мм, соответствующее минимальному пробивному напряжению ЭЯ. Генеральные средние пробивных напряженностей - напряженности при генеральном среднем пробивном напряжении - для КП и ЭЯ составляют =8,5 кВ/мм и Есп =6,3 кВ/мм. Меньшее значение Е для ЭЯ обусловливается, вероятнее всего, материалом электродов: в данном случае при инициировании пробоев макрочастицами 50%-ная пробивная напряженность промежутка с электродами из меди примерно на 25% меньше таковой для промежутка с электродами из металлокерамики на основе хрома и меди.
•, о - экспериментальные значения для КП и ЭП соответственно.
Рис. 5. Функции распределения пробивных напряженностей на контактах (1) и экранах (2) при пробоях в первые доли секунды после отключения тока:
Для оценки зависимости вероятности пробоев от напряженности на катоде по представленным в таблице параметрам Е$0 и ge построены (рис. 5) функции распределения 1 и 2 пробивных напряженностей для КП и ЭЯ. Там же нанесены точечные значения вероятностей, соответствующих минимальному и максимальному значениям пробивных напряжений в выборках. Видно удовлетворительное согласие экспериментальных результатов с расчетными генеральными функциями распределений Е(Е). Из пересечения функций распределения 1 и 2 следует, что между пробивными напряженностями КП и ЭЯ нет однозначной связи. Их пересечение обусловлено различием коэффициентов вариации (таблица). Меньший коэффициент вариации распределения 2 обусловлен большей однородностью размеров частиц в межэкранном промежутке по сравнению с таковой для частиц в межконтактном промежутке: наиболее крупные частицы при полете от межконтактного промежутка к межэкранному под действием силы тяжести «выбывают из игры», падая на нижний фланец ФДК.
В эксплуатационных условиях при наибольшем рабочем напряжении на выключателе 35 кВ, равном 40,5 кВ, ВДК подвергается воздействию возвращающегося напряжения Uф =24 кВ. При этом максимальная напряженность на контактах не превышает
а на экранах £М)П= 2,2 кВ/мм. Здесь K-коэффициент неоднородности электрического поля; - доля приходящего на данный промежуток возвращающегося напряжения: К = 1 (для КП), К^~ 0,4 (для ЭП). При таких напряженностях вероятность пробоя F(E)Kn~ 0,5%, вероятность пробоя < 0,1%. Существенно меньшая вероятность пробоя любого из межэкранных промежутков по сравнению с вероятностью пробоя межконтактного промежутка и последовательное соединение межэкранных промежутков между собой предотвращает возникновение нарушения электрической прочности экранной системы во всех режимах эксплуатации ВДК. При вероятностях меньше 10%, соответствующих эксплуатационным условиям, функции распределения 1 и 2 с учетом доверительных интервалов, как видно из рис. 5, совпадают. Поэтому при проектировании ВДК с использованием указанных материалов можно исходить из равенства пробивных напряженностей в межконтактном и межэкранных промежутках. При этом лучше использовать график функции распределения для КП, поскольку он характеризует электрическую прочность главного промежутка ВДК. Значение пробивной напряженности Е для расчетов выбирается, исходя из допустимой вероятности пробоя ВДК, которая обусловливается характером нагрузки, коммутируемой выключателем. При этом следует помнить, что для уменьшения вероятности и повторных пробоев ВДК приходится идти на увеличение межконтактного расстояния. Например, для снижения вероятности пробоев КП с 16%, как это имело место в настоящих опытах при расстоянии между контактами d=\5 мм, до 2% или даже до 0,1%, как это может потребоваться при отключении конденсаторных батарей или электрических генераторов, межконтактное расстояние потребовалось бы увеличить в первом случае до 22 мм, во втором - до 43 мм.
Увеличение межконтактного расстояния требует соответствующего увеличения скорости и ускорения подвижного контакта, что уменьшает механический ресурс ВДК и утяжеляет привод. Часто в выключателях с малыми допустимыми вероятностями пробоев (F«%) экономически целесообразнее последовательное включение двух ВДК в каждом из полюсов вместо одной ВДК с увеличенным ходом [5]. Однако при любом решении остается актуальной задача увеличения пробивной напряженности, обеспечиваемой контактным материалом.
В заключение отметим, что столь малые пробивные напряженности (£ <10 кВ/мм) свойственны, главным образом, инициируемым свободными макрочастицами пробоям. Эти пробои прекращаются, как правило, по прошествии нескольких десятых долей секунды после операции отключения. В последующем пробивные напряженности возрастают.
Список литературы
- Рыльская Л.Л., Перцев Л.А. Пробои межэкранных промежутков в вакуумных дугогасительных камерах // Электротехника, 1987, № 7.
- Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972.
- Рыльская Л.А., Перцев А.А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока // Электротехника, 1985, № 1.
- ГОСТ 27.503-81. Методы оценки показателей надежности. М.: Изд-во стандартов, 1982.
- Few R.A., Voshall R. 25 and 34,5 capacitor switching vacuum circuit breakers Electron. 1984, № 9.
