- РАЗВИТИЕ ВАКУУМНОГО ДУ ПО НОМИНАЛЬНОМУ ТОКУ И НОМИНАЛЬНОМУ ТОКУ ОТКЛЮЧЕНИЯ
По номинальному току.
Для получения быстродействия в вакуумных ДУ нашла широкое применение торцевая контактная система. Она дает возможность иметь малый ход контактов (10—20 мм) и небольшое собственное время отключения.
Простая конструкция контакта позволяет создать технологию, при которой хорошо дегазируются токоведущие элементы выключателя, что очень важно для обеспечения высокого вакуума большой стабильности.
Как известно, торцевой контакт имеет высокое переходное сопротивление и, следовательно, большие тепловые потери при номинальном токе 2000—4000 А. Из-за того что контактные стержни располагаются в вакууме, отдача теплоты происходит в основном за счет теплопроводности вдоль тела контакта и передачи теплоты в окружающую среду через внешние контакты выключателя и присоединенные к ним шины. Часть теплоты, выделяемой в переходном контакте и теле контактов, отдается излучением.
Большая мощность, выделяемая в торцевом контакте, также связана с тем, что для обеспечения высокой динамической стойкости контактной системы и большого номинального тока отключения в качестве контактного материала применяется вольфрам или металлокерамика на его основе. Эти материалы благодаря своим физическим свойствам дают высокое переходное контактное сопротивление. Внешний присоединяющий контакт выполняется из серебреной меди и имеет по ГОСТ 8024-69 предельную допустимую температуру 105 °C. Если температура окружающей среды равна 40 °C, то подводимая к внешнему контакту мощность должна быть рассеяна при перепаде температуры 65 °C. При торцевом контакте удается удержать температуру в указанных пределах при токе 600-700 А. При увеличении номинального тока потери резко возрастают, что приводит к необходимости применения контактного стержня большего сечения. Для уменьшения температуры внешнего контакта выключателя он присоединяется к цепи несколькими медными шинами с развитой поверхностью. При медных шинах 8X100 мм2 удается увеличить номинальный ток ДУ до 2000 А.
В настоящее время рабочее напряжение ДУ доведено до 84 кВ. Для выключателей напряжением 110—220 кВ необходимо соединять последовательно несколько камер. Для выключателя напряжением 220 кВ потребуются четыре ДУ на напряжение 84 кВ, соединенных последовательно. При этом перемычки между соседними камерами должны рассеивать теплоту, поступающую от контактных стержней обеих камер, т. е. при температуре контакта 105 °C необходимо отдать в окружающее пространство удвоенное количество теплоты. Это является одной из основных проблем многоразрывного вакуумного выключателя.
С целью снижения переходного сопротивления торцевого контакта применяется многоточечный торцевой контакт (рис. 6.3).
По номинальному току отключения.
После размыкания контактов дуга горит в атмосфере паров металлов контактов. В [6.2, 6.3] было сделано предположение, что отказ в гашении наступает в результате нагрева электродов до определенной критической температуры Ткр, при которой давление паров металла в дуговом промежутке велико и достигает примерно 1 Па (10-2 мм рт. ст.).
Рис. 6.3. Многоточечный торцевой контакт вакуумного ДУ
При таком давлении восстанавливающаяся прочность промежутка низка, происходит его пробой восстанавливающимся напряжением.
Температура нагрева контактов дугой может быть описана уравнением, полученным в [6.1]:
(6.1)
где k1 — доля тепловой мощности, рассеиваемой на одном из электродов; k2 — коэффициент концентрации дуги — отношение максимальной плотности теплового потока к средней на области, занятой дугой; S — площадь электрода, занятая дугой; t — время от момента возникновения дуги до момента определения температуры; τ — текущее время с момента возникновения дуги; с, γ— теплоемкость и плотность материала электрода; λ — теплопроводность.
Таблица 6.1. Теплофизические характеристики материалов электродов вакуумного ДУ
За время dτ выделяется энергия uдiдdτ. Эта элементарная энергия вызывает подъем температуры, пропорционально 1√t—τ.
Уравнение (6.1) позволяет сделать следующие выводы.
Необходимо выбирать материалы электродов с высоким значением критерия Ткр√λсγ. Этот критерий для некоторых материалов приведен в табл. 6.1. В этой таблице приведены также плотности тепловых потоков q10 и q1, которые нагревают наиболее нагруженный электрод — анод до температуры Ткр за время 10 и 1 мс. Как видно из табл. 6.1, допустимая тепловая нагрузка при времени дуги 1 мс (q10) значительно больше, чем при времени 10 мс (q1). Если применить синхронизированное отключение, то можно значительно поднять номинальный ток отключения.
По известному предельному тепловому потоку q10 и падению напряжения на дуге ид можно найти допустимую плотность тока. Для меди в области токов 1—10 кА падение напряжения на дуге равно 20—40 В. При I=1 кА мощность дуги Рд=20-103 Вт, q10=41·103 Вт/см2, сечение дуги Sд=Рд/q10≈0,5 см2, допустимая плотность тока Iном/Sд=2 кА/см2. При больших токах (10—100 кА) падение напряжения на дуге возрастает до 50—100 В. Допустимая плотность тока составляет (0,5-2)·103 кА/см2. Из полученных данных видно, что для получения тока отключения 100 кА достаточно иметь площадь контакта 100 см2.
В соответствии с табл. 6.1 наиболее подходящим материалом является вольфрам. Он имеет наибольшее значение ΤIн√λсγ. Кроме того, вольфрамовые контакты устойчивы против сваривания. Этим можно объяснить то обстоятельство, что в первых выключателях всюду применялся вольфрам, дающий наибольший ток отключения. Однако по мере развития вакуумных ДУ у вольфрама был обнаружен ряд недостатков. При отключении нагрузки с большим волновым сопротивлением √L/C были обнаружены значительные перенапряжения, которые часто приводили к пробою изоляции отключаемого оборудования. Дело в том, что благодаря физическим свойствам вольфрама при малых токах резко падает плотность его паров в вакуумной дуге. Из-за этого дуга горит нестабильно. Дуга обрывается раньше, чем ток подойдет к нулю. На нагрузке возникает напряжение u=icp√L/C, где icp— ток среза. У медных контактов также наблюдаются срезы тока, но ток во много раз меньше, чем у вольфрамовых. Для уменьшения тока среза у вольфрамовых контактов в материал контактов дается добавка сурьмы 4—5 %.
При этом ток среза уменьшается до 4 А. Однако такой способ ограничения перенапряжений применяется только в вакуумных контакторах, так как в выключателях на большие токи в процессе отключения сурьма, соединяясь с медью контактов, увеличивает переходное сопротивление и нагрев контактов номинальным током.
В мощных вакуумных выключателях применяются медные контакты. Для ограничения перенапряжений при отключении нагрузки с большим √L/C применяются шунтирующие цепочки либо нелинейные ограничивающие сопротивления — варисторы [6.2]. Ток icp должен быть менее 4—5 А. Сопротивления включаются между проводом фазы и землей. Эффективность работы нелинейного резистора типа варистора представлена на рис. 6.4.
Для получения высокого значения тока отключения необходимо добиться равномерного распределения теплового потока дуги по площади контакта. Для этого на дугу воздействуют магнитным полем. Если таких мер не предпринимать, то дуга концентрируется на небольшом пятне диаметром 1—3 см и ток отключения падает до 5—10 кА даже при большом диаметре контакта.
Для увеличения тока отключения можно соединять несколько камер параллельно. Растущая с током ВАХ дуги позволяет распределить ток между параллельно работающими камерами с неравномерностью не более 10 % (при трех параллельных камерах).
Рис. 6.4 Ограничение перенапряжений с помощью варистора: а —варистор отсутствует; б — с шунтирующим варистором
По данным японской фирмы «Тошиба» при диаметре контакта 200 мм ток отключения доведен до 120—60 кА при напряжении 10—30 кВ. При диаметре контактов 140 мм ток отключения достигает 70 кА при напряжении 10—45 кВ и 25—35 кА при напряжении 50—70 кВ. Таким образом, номинальный ток отключения вакуумных ДУ может быть доведен до весьма высоких значений.
Вакуумные ДУ могут успешно отключать постоянный ток. При токе 1000 А и напряжении 10 кВ отключение происходит путем расхождения контактов в вакууме. При больших значениях тока постоянный ток с помощью конденсатора превращается в переменный и ДУ отключает его при первом прохождении через нуль [3.1]. При двух последовательно соединенных ДУ отключался ток 5 кА при напряжении 60 кВ. Вспомогательный конденсатор имел емкость 3 мкФ.
