Разработка ВДК 10 кВ, 31,5 к А и номинальными токами 1600 и 3200 А

Лукацкая И.А., Воскресенский С.Н., Селикатова С.М., Баринов В.В., Потокин B.C.

Ряд промышленно развитых стран [1], в том числе и СССР [2, 3], ведут интенсивные разработки вакуумных выключателей и их основного элемента - вакуумных дугогасительных камер.
Среди новых разработок ВЭИ им. В.И. Ленина, осваиваемых промышленностью, два типа камер: КДВ-10-31,5/1600УХЛ2 и КДВ-10-31,5/3200УХЛ2 (класс напряжения 10 кВ, номинальный ток отключения 31,5 кА, номинальный ток 1600 и 3200 А соответственно) [3]. Основные параметры камер приведены ниже.

Камеры могут работать в условиях умеренного, холодного и тропического климата в диапазоне рабочих температур от +55 до -60°С под навесом или в шкафу КРУ.
Завышенные испытательные напряжения промышленной частоты при плавном подъеме и грозового импульса обусловлены эксплуатацией камер при повышенных температурах окружающей среды, когда плотность воздуха и, следовательно, его электрическая прочность ниже, чем при температуре 45°С, считающейся нормальной. В условиях тропического климата номинальные токи камер КДВ-10- 31,5/1600 и КДВ-10-31,5/3200 снижаются до 1250 и 2500 А соответственно.

Конструкция камеры КДВ-10-31,5/ 1600УХЛ2 изображена на рис. 1, внешний вид камер показан на рис. 2. Камеры обоих типов состоят из следующих основных узлов: контактной системы 5, 6 и вводов 1, 7, экранной системы 3, 4, 8 и изоляционного корпуса 10, 11, припаянного к фланцам 9 и 13. Они отличаются друг от друга лишь конструкцией и сечением вводов из-за различия номинальных токов.
Каждый контакт содержит контактирующую и дугогасящую части. Контактирующая часть изготавливается из специально разработанного материала, состоящего в основном из меди, легированной добавками висмута, препятствующего свариванию контактов при включении на токи КЗ, и бора, повышающего механическую прочность контактов [4, 5]. Дугогасящая часть выполнена из меди электронно-лучевой плавки, обладающей наименьшим газосодержанием из серийно выпускаемых отечественных марок меди [6]. Материал контактирующей части обладает электропроводностью, близкой к электропроводности меди, что позволяет получить небольшое переходное сопротивление контактов и тем облегчает создание вакуумных выключателей с большими номинальными токами.
Контактная система основана на принципе вращения дуги, которое происходит в результате взаимодействия тока дуги с радиальной составляющей магнитного поля, которая создается при протекании тока через дугу и контактную систему благодаря наличию в контактах пазов, изогнутых в тангенциальном направлении.

Рис. 2
Пазы обоих полюсов контактной системы представляют собой зеркальное отражение друг друга. При размыкании контактов в процессе отключения тока дуга должна переходить с контактирующих на дугогасящие части контактной системы. Непосредственно после размыкания контактов, пока расстояние между ними мало, дуга контрагирована [7,8] и вызывает поэтому повышенную эрозию контактирующих частей. Для увеличения скорости движения дуги по контактирующим частям они также снабжены пазами. Для уменьшения вероятности фиксации дуги на границе между контактирующей и дугогасящей частями контактной системы длины участков этой границы, совпадающие с пазами, ограничены до 1,5 ширины паза [9].
Камера каждого типа имеет плоский неподвижный ввод 9 с рядом резьбовых гнезд.
Конструкция подвижного ввода камер различна: КДВ-10-31,5/1600УXЛ2 имеет ввод в виде усеченного конуса, КДВ- 10-31,5/3200УХЛ2 - в виде цилиндрического наконечника. Соосность вводов обеспечивает направляющий фланец 2.
Неподвижные вводы камер обоих  типов и конусная часть подвижного ввода камеры КДВ-10-31,5/1600УХЛ2 имеют гальваническое серебряное покрытие; к цилиндрической поверхности наконечника подвижного ввода КДВ-10-31,5/3200УХЛ2 припаяна серебряная фольга, что определяется требованиями по допустимому превышению температуры.
Экранная система камер состоит из трех экранов: центральный 4 изолирован от вводов, а два других, концевых 3,8, находятся под потенциалами вводов. Концевые части экранов взаимно перекрываются, что обеспечивает надежную защиту внутренней изоляционной поверхности корпуса от металлизации продуктами эрозии контактов и сохранение первоначального распределения потенциалов внутри камеры в течение всего срока службы.
Корпус камер образуется двумя цилиндрами 10, 11 из высокоглиноземистой керамики 22ХС [10], спаянными между собой через медное кольцо, которое одновременно служит для крепления центрального экрана. Концевые манжеты корпуса - из тонколистовой меди. Выполнение фланца неподвижного ввода и манжет корпуса из меди обеспечивает передачу части тепла, выделяющегося в контактных соединениях камеры с выключателем, к корпусу [11]. Основное количество тепла отводится от наружных контактных соединений токоведущими шинами выключателя. Подвижный ввод практически теплоизолирован от корпуса тонким сильфоном 14 из нержавеющей стали, обладающей низкой теплопроводностью. Поэтому при длительном протекании номинального тока температура контактного соединения подвижного ввода, как правило, на 10-15°С выше неподвижного [12].
Для защиты сильфонов от воздействия продуктов эрозии контактов служит экран 12.
Технология изготовления камер и применяемые материалы обеспечивают сохранение вакуума не более 2.10'2 Па в течение всего срока их службы, в том числе после многократных коммутаций номинального тока отключения 31,5 кА. Проверка в процессе изготовления герметичности всех узлов и камеры в целом позволяет обеспечить срок сохраняемости камер в течение 25 лет.
Камеры выдержали одноминутное испытание изоляции напряжением промышленной частоты при плавном подъеме, а также испытание грозовым импульсом напряжения при 15-кратном приложении импульсов в обеих полярностях.
Испытания камер на коммутационную способность проводились по методике ГОСТ 687-78 в трехполюсном режиме в выключателях с пружинным и электромагнитным приводами. Камеры отключали многократно 10,30, 60 и 100% номинального тока отключения. Были выполнены также циклы автоматического повторного включения (АП В) 0-0,3 С-В0-20 с-ВО и 0-0,3 С-В0-180 с-ВО. В ряде опытов отключаемый ток достигал 34 кА, а процентное содержание апериодической составляющей (3 равнялось 50%. Испытания 15 камер обоих типов прошли успешно, время дуги не превышало 20 мс. В одной из камер был определен предельный ток отключения, который в однополюсном режиме при возвращающемся напряжении 10,8 кВ составил 51 кА (рис. 3).
В циклах ВО в трехполюсном режиме проведены испытания камер на коммутационный ресурс при токах 31,5 и 19 кА, при возвращающихся линейных напряжениях 10-11 кВ. В таблице представлены данные по величине (3, времени горения дуги и износу контактов. Они свидетельствуют, что испытания проводились в утяжеленном режиме, так как в большинстве отключений (3 было положительным. Среднее время дуги в полюсе, гасившем дугу первым, составляло 5 мс, соответственно среднее расстояние между контактами в момент гашения дуги 8-9 мм (скорость хода при отключении 1,6-1,8 м/с). Износ контактов не превысил 2,5 мм, что свидетельствует о наличии запаса по коммутационной износостойкости. Среднее время горения дуги при включении за счет пробоя промежутка между контактами при их сближении составило 1 мс.
Механическая износостойкость камер определяется ресурсом сильфона. Испытаниям подвергались сильфоны, установленные в упрощенные макеты, которые были откачаны до давления 510'3 Па и подвергнуты той же вакуумно-технологической обработке, что и реальные камеры. В макетах при замкнутых контактах сильфоны были растянуты на 6 мм, а при разомкнутых они сжимались. Полный ход сильфонов составлял 19 мм, скорость хода контактов при включении 1,2-1,7 м/с, при отключении 1,9-2,4 м/с. Испытано шесть сильфонов, один из них вышел из строя через 24000 циклов ВО, второй - через 32000, остальные выдержали без разрушения (3-8,8).

Рис. 3
104 циклов ВО. Эти данные послужили основанием к установлению нормы на механическую износостойкость камер - не менее 20000 циклов. Последующие испытания камер в выключателях подтвердили это.

Для определения коммутационной износостойкости камер при номинальном токе испытания проводились в однополюсном режиме на переменном напряжении 220 В при токе 2000 А. Циклы ВО выполнялись каждый 5с. Время протекания тока КЗ составляло 1,5-2 полупериода частоты 50 Гц. Гашение дуги всегда происходило в первом нуле тока. Фаза размыкания контактов была произвольной. Дуга при включении не возникала. Среднее время дуги отключения составило 5 мс.
Количество циклов ВО в трехполюсном режиме, эквивалентное количеству циклов в однополюсном, можно определить с помощью расчета.
Коммутационная износостойкость камер определяется износом контактов. Износ контактов определяется амплитудой / формой и длительностью импульса тока в дуге, а также количеством циклов ВО.
Можно показать, что в однополюсном режиме при произвольной фазе размыкания контактов количество электричества Qv протекающего в дуге при Nх - циклах ВО, определяется выражением
(1)
где to - время горения дуги включения, возникающей при пробое контактов перед их замыканием. На низком напряжении (220 В) дуга при включении не загорается и второй член в уравнении (1) равен 0.
В трехполюсном режиме при большом числе циклов ВО, равном N, каждый полюс в третьей части циклов гасит дугу в первом нуле, а в остальных циклах - во втором. При относительном содержании апериодической составляющей, равном 0, количество электричества при циклах ВО выражается формулой
(2)
где первый член правой части - количество электричества, протекающего в дуге при включении. Это выражение получено после интегрирования второго члена правой части формулы (1); второй и третий - количество электричества, протекшего в дуге, когда полюс гасит дугу первым и вторым соответственно. После преобразования формула (2) приобретает вид
(3)
Эквивалентность режимов однополюсного при низком напряжении и трехполюсного при номинальном напряжении в отношении количества электричества, протекшего в дуге, и, следовательно, износа контактов можно определить путем приравнивания правых частей уравнений (1) и (3), полагая при этом второй член правой части формулы (1) равным 0. В результате получим
(4)
Испытания в трехполюсном режиме при номинальном возвращающемся напряжении показали, что среднее время горения дуги при включении составляет 1 мс, т.е. cos φ=0,96. Подстановка этого значения в уравнение (4) для испытанных нами камер дает N=1,6 Nv т.е. для получения данных о коммутационной износостойкости камер в трехполюсном режиме и номинальном напряжении число циклов ВО при испытании на коммутационную износостойкость в однополюсном режиме при напряжении 220 В должно быть увеличено в 1,6 раза.
Испытаниям были подвергнуты три камеры, две из которых выполнили по 20000 циклов ВО и одна - 10000. Износ контактов составил соответственно 1; 3,5 и 1,2 мм. Разброс в величинах износа обусловлен вибрацией контактов при включении, которая у разных камер была неодинакова и в ряде включений достигала 5 мс, что превышало предельно допустимое время отскока 2 мс. Оценивая коммутационную износостойкость для трехполюсного режима при номинальном напряжении по наихудшему результату и применяя коэффициент 1,6, получаем для тока 2000 А коммутационную износостойкость 14000 циклов ВО. Рассмотрение камер при токе 2000 А и камер других типов при разных токах [3] позволило путем аппроксимации определить износостойкость при токах 1600,2500 и 3200 А - она равна 20000, 6000 и 3000 циклов ВО соответственно. При токах 1600 А и меньших коммутационная износостойкость ограничивается ресурсом сильфона.
Особый интерес представляет отключение емкостных токов. Как известно, в трехполюсном режиме с незаземленной нейтралью после отключения тока, пока не разрядились конденсаторные батареи, на контактах камеры одного из полюсов амплитуда восстанавливающегося напряжения в 2,5 раза превышает амплитуду фазового напряжения, на контактах двух других полюсов - в 1,87 раза. В камерах с контактами из медных сплавов после отключения токов КЗ из-за разбрызгивания металла контактов под действием дуги электрическая прочность снижается [13]. Поэтому испытанию на отключение емкостных токов подвергались камеры, испытанные на коммутационный ресурс при токах 31,5 и 19 кА. Камеры успешно выдержали испытания по отключению емкостных токов 120-140 А при возвращающемся линейном напряжении 7,7 кВ в трехполюсном режиме с незаземленной нейтралью источника напряжения. Выполнено 40 опытов, лишь в одной фазе одного из них был незавершенный пробой, но он не привел к пробою других фаз и повышенным перенапряжениям на конденсаторах.
Отключение ненагруженного трансформатора мощностью 20000 кВА показало, что коэффициент перенапряжения по отношению к фазовому напряжению не превышает 3,8 (для данной схемы испытаний).
Испытания камер на нагрев при длительном протекании номинального тока были успешно проведены в шкафах КРУ серии КВ-3 в соответствии с ГОСТ 8024-69. При токе 3200 А потребовалось присоединение радиаторов к контактным соединениям камер с шинопроводом выключателя.
Камеры успешно выдержали механические и климатические испытания:
на устойчивость к многократным ударам при ускорении 150 мс-2 (15 g) по 5000 ударов в каждом из положений - вертикальном и горизонтальном, при котором камера закреплялась кон- сольно за неподвижный вывод;
на вибропрочность с ускорением 5мс2 (0,5 g) при частотах вибрации 5 и 35 Гц;
изоляции в условиях выпадения росы при напряжении 28 кВ по ГОСТ 15963-70.
Стойкость камер к смене температур (от +105 до -60°С) и холодоустойчивость при эксплуатации при -60°С по ГОСТ 15543-70 и 14892-69 подтверждены результатами испытаний камер КДВ-10-20/1600УХЛ2 [2], имеющих аналогичную конструкцию.
На базе камер КДВ-10-31,5/ 1600УХЛ2 и КДВ-10-31,5/3200УХЛ2 разработаны серии вакуумных выключателей с номинальными токами от 630 до 3200 А с пружинными и электромагнитными приводами. Выключатели встраиваются в унифицированные шкафы КРУ. Камеры найдут применение в выключателях, предназначенных для использования в угольной, горнодобывающей, металлургической промышленности и энергетике.

Список литературы

1. Улиссова И.Н. Вакуумные коммутационные аппараты за рубежом. - М.: Информэлектро, 1982,82 с.
2. Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20 / В.Б. Козлов, И.А. Лукацкая, С.Н. Воскресенский, В.В. Баринов II Электротехника. - 1978, № 11, С. 44-46.
3. Разработка вакуумных дугогасительных камер/ И.А. Лукцкая, А.А. Перцев, С.Н. Воскресенский и др. //Ленинский план электрификации СССР в действии: Материалы Всесоюзн. научн.-техн. конф., 29 сент. -2 окт. 1981 г. - М.: ВЭИ, 1981, с. 21.
4. А. с. 467126 СССР, МКИ С 22с. Сплав на основе меди I Г.С. Белкин, В.Н. Ермаков, И.А. Лукацкая (СССР). -№ 1861122/22-1; Заявлено 22.12.72; Опубл. 15.04.75. Бюл. №14// Открытия. Изобретения, 1975,№ 14, с. 54.
5. Разработка новых контактных материалов для вакуумных выключателей / Г.С. Белкын, С.И. Воскресенский, В.Я. Киселев и др. // Электротехн. промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1975, Вып. 5 (49), с. 17-19.
6. Применение меди в качестве материала контактных систем вакуумных дугогасительных камер I Г.С. Белкын, С.Н. Воскресенский, В.Н. Ермаков и др. // Электричество, 1972, № 10, с. 69-72.
7. Selicatova С.М., Liikatskaya I.A. Initial stage of vacuum interrupting ate. - Intern. Conf. Gas Discharges, London, 1970, p. 370-374.
8. Liikatskaya I. A., Selicatova C.M. Investigation of arc in contact systems of vacuum interrupters // Intern. Symp. Discharges and Electr. Insulation in Vacuum. - Novosibirsk, 1976, p. 434.
9. А. с. 1174993 СССР, МКИ H 01 H 33/66. Контактная система вакуумной дугогасительной камеры/И. А. Лукацкая, С.Н. Воскресенский, С.М. Селикатова и др. (СССР). - № 2980223/ 24-07; №2980222/24-07; Заявлено 08.09.80; Опубл. 23.08.85, Бюл. №31 //Открытия, изобретения, 1985, № 31, с. 224.
10. Батыгын В.Н., Метелкын Н.Н., Решетныков А.М. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. - М.: Энергия, 1973, с. 409.
11. А. с. 943896 СССР, МКИ Н 01 Н 33/66. Вакуумная дугогасительная камера / И.А. Лукацкая, B.C. Потокын, С.Н. Воскресенский и др. (СССР). -№ 2976977/24-07; Заявлено 29.08.80; Опубл. 15.07.82, Бюл. № 26// Открытия. Изобретения, 1982, № 26, с. 251.
12. Исследования вакуумных дугогасительных камер // Электротехн. промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1981. Вып. 9 (122), с. 21 -23.
13. Вакуумные дуги. Теория и приложения / Дж. Кобайн, Г. Экер, Дж. Фаррелл и др. - М.: Мир, 1982, с. 428.

Сб. науч. тр. ВЭИ. Коммутационные аппараты высокого напряжения и электрофизические процессы при гашении дуги. М., 1986