Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные в ГУП ВЭИ

Белкин Г.С., Лукацкая И.А., Ромочкин Ю.Г.

Разработана серия вакуумных дугогасительных камер (ВДК) пятого поколения на 10 кВ, 1000-3150 А, 10-40 кА, не уступающая по своим технико-экономическим показателям лучшим зарубежным аналогам. На базе этих ВДК разработаны вакуумные выключатели и комплектные распределительные устройства (КРУ). ВДК, выключатели и КРУ серийно выпускаются заводами России. Главной особенностью новой серии ВДК является новая контактная система (КС) с аксиальным магнитным полем, в которой рабочая поверхность первого контакта выпуклая, а второго, охватывающего первый, вогнутая. Новая КС позволила уменьшить диаметр КС и ВДК, а также массу последней, уменьшить омическое сопротивление ВДК и дополнительное контактное нажатие, необходимое для компенсации электродинамической силы отброса контактов, возникающей при протекании сквозных токов КЗ. В новой КС действует эффект самоэкранирования, вследствие которого уменьшился износ контактов, в результате чего значительно увеличился коммутационный ресурс ВДК; увеличился предельный ток отключения, приходящийся на единицу площади рабочей поверхности контактов, и наблюдается небольшое падение напряжения U на дуге отключения. Предполагается, что увеличение отключающей способности обусловлено увеличением плотности пара в межконтактном промежутке. Выполнено исследование зависимости U от мгновенного значения тока I и величины меж- контактного промежутка h.

Введение

За последние годы в ГУП ВЭИ разработана серия вакуумных дугогасительных камер (ВДК) пятого поколения на номинальное напряжение 10 кВ, номинальные токи 1000,1600 и 3150 А,             номинальные токи отключения 20, 31,5 и 40 кА, которая по своим технико-экономическим показателям находится на уровне лучших зарубежных аналогов, а по ряду показателей, например по коммутационному ресурсу, их превосходит. ВДК серийно выпускаются несколькими заводами России.

Параметры ВДК приведены в табл. 1. На базе этих ВДК разработаны и серийно выпускаются заводами России вакуумные выключатели и комплектные распределительные устройства (КРУ).

Преимущества новой контактной системы

Таблица 1

Высокие показатели серии ВДК, приведенные в табл. 1, получены благодаря применению новой контактной системы (КС) с аксиальным магнитным полем. Главным отличием конструкции новой КС от традиционных с плоскими рабочими поверхностями является то, что первая рабочая поверхность ее контактов выпуклая, вторая, охватывающая первую, вогнутая [1].
Конструкция новой КС представлена на рис. 1. Каждый ее полюс содержит контактную накладку 1, рабочая поверхность 2 которой имеет форму выпуклого сферического слоя в одном контакте и вогнутого в другом. Контактные накладки изготовлены из хромомедной композиции с содержанием меди 50, 60 и 70%. Накладки закреплены на токовводах 3 с помощью держателей 4, состоящих из металла с низкой электропроводностью. Аксиальное магнитное поле создается индукторами 5, выполненными в виде ряда кольцевых секций, один конец каждой из которых соединен с накладкой 1, другой с токовводом 3.
На рис. 2 приведена рассчитанная на персональном компьютере зависимость аксиальной составляющей индукции Ву магнитного поля от радиуса г ВДК с /оном=20 кА на поверхности, равноудаленной на 3 мм от обеих рабочих поверхностей контактов новой КС. Как видно из рис. 2, в центре КС В7 максимальна и равна 12 мТл/кА

Рис. 1. Новая контактная система с аксиальным магнитным полем.   

Новая конструкция КС с аксиальным магнитным полем имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной плоской конструкцией, которые состоят в следующем:

1. увеличивается площадь рабочей поверхности КС и, следовательно, ^е отключающая способность без увеличения диаметра КС и самой ВДК;
2. увеличивается аксиальная составляющая индукции магнитного поля, так как диаметр индуктора меньше, чем в случае плоской поверхности с такой же площадью, как у поверхности в виде сферического слоя;
3. уменьшается омическое сопротивление КС по той же причине, которая указана выше;

Рис. 2. Зависимость расчетного значения аксиальной составляющей индукции магнитного поля В от радиуса г ВДК на поверхности, равноудаленной от обеих рабочих поверхностей новой КС при растворе контактов 6 мм.

1. уменьшается дополнительное контактное нажатие, необходимое для предотвращения отброса контактов под действием электродинамических сил, возникающих при протекании сквозных токов. Это обусловлено тем, что в данном случае дополнительное нажатие должно уравновешивать лишь проекцию электродинамической силы отброса на ось ВДК, а не всю силу.

Испытания ВДК с новой КС обнаружили еще ряд преимуществ новой КС по сравнению с традиционной, не очевидных с первого взгляда, к числу которых относятся:

1. увеличение предельного тока отключения, приходящегося на единицу площади рабочей поверхности контактов;

Таблица 2

*) АЛ - средний износ контактов по трем ВДК после испытаний на коммутационный ресурс.

- увеличение коммутационного ресурса вследствие уменьшения износа контактов.
Преимущества новой КС подтвердились при испытаниях ВДК. В табл. 2 приведено сравнение ряда параметров ВДК с I =20 кВ, снабженных новой    7
и традиционной КС.
Из табл. 2 видно, что применение новой КС позволило уменьшить диаметр D ВДК на 25%, массу М на 35%, износ контактов Д/?ср на 10% при одновременном увеличении числа отключений / в три раза. Как известно, износ контактов ВДК происходит главным образом при отключениях, а не при включениях.
Испытания в трехфазном режиме с изолированной нейтралью на отключающую способность при 11-12 кВ большого количества ВДК с / =16, 20 и 31,5 кВ, имеющих КС, традиционную с плоскими рабочими поверхностями, и новую КС, показали, что наибольший ток отключения, приходящийся на единицу площади рабочей поверхности контактов в ВДК с новыми КС, превосходит таковую в ВДК с традиционными КС. Так в ВДК с / 16 и 20 кА это увеличение составляет 40 и 20% соответственно.

Особенности горения дуги в новой КС

Известно, что в аксиальном магнитном поле электроны и ионы удерживаются в межконтактном промежутке, что значительно уменьшает долю покинувших его частиц. Это приводит к уменьшению падения напряжения на дуге и, следовательно, к увеличению отключаемого тока ВДК. Конструкция новой КС способствует дополнительному уменьшению U. Контакты новой КС экранируют межконтактный промежуток, препятствуя вылету из него заряженных и нейтральных частиц. Такой эффект назван нами эффектом самоэкранирования. Условием самоэкранирования является соотношение:
 
где / - высота сферического слоя рабочей поверхности 2 контактных накладок 1 (см. рис. 1); h - межконтатное расстояние.
Малое U иллюстрируется следующими экспериментальными данными. На рис. 3,а,б приведены осциллограммы отключения трехфазного тока 20 кА при (3=50% и возвращающемся напряжении 11 -11,4 кВ в цепи с изолирован- ной нейтралью типоисполнением КДВА5-10-20/1000 УХЛ2 с контактами из хромомедной композиции с содержанием меди 60%. Из рис. 3,6 видно, что отключение происходит при первом переходе тока дуги через 0, а U не превышает 38 В. В этой серии испытаний, состоящей из 50 циклов ВО тока 20 кА, U не превышало 45 В.
Особый интерес представляет зависимость U от мгновенного значения тока /, расстояния между контактами h и времени существования дуги /. Эти зависимости были получены нами путем измерения U и t по осциллограммам, аналогичным тем, что приведены на рис. 3 в момент возникновения дуги (/=0) и далее через интервалы времени 1 мс вплоть до отключения тока U погасания дуги. Ход контактов составлял 6 мм, скорость хода подвижного контакта при отключении 1,2 м/с, т.е. измерения производились при расстоянии между контактами И=0; 1,2 мм и т.д. Через 5 мс и более И составляло 6 мм. Полученные зависимости U от тока I приведены на рис. 4,а,б,в, a U от расстояния между контактами И на рис. 5.

Рис. 3. Осциллограммы отключения трехфазного переменного тока в цепи с изолированной нейтралью КДВЛ5- 10-20/1000 УХЛ2, снятые на шлейфовом (а) и на электронном осциллографе с механической разверткой (б).
Из рис. 4 видно, что вольт-амперные характеристики С/ (/) носят возрастающий характер, наибольшая скорость роста U (j) наблюдается в течение времени, когда контакты уже разомкнулись на 5-6 мм (рис. 4,в). Интересно отметить, что наибольший разброс точек наблюдается при расстоянии между контактами 3,6 мм. При расстояниях 4,8-6 мм точки ложатся практически на одну кривую.
Данные для зависимости U/(h) (рис. 5) определены по сплошным линиям рис. 4. Из рис. 5 видно, что £Уд в момент возникновения дуги (h=0, t=0) невелико, даже при /=40 кА U не превышает 16 В. С ростом hD возрастает до некоторого предела h и далее, несмотря на увеличение h, остается постоянным.
Такой ход зависимости Ux(h) можно объяснить существованием в начальной стадии дуги отключения контра- гированной ее формы [2, 3]. По мере увеличения межконтактного промежутка при достижении h контрагированная форма дуги трансформируется в так называемую диффузную форму с нестабильными катодными пятнами, распространяющимися на всю рабочую поверхность контактов. Чем больше /, при котором происходит размыкание контактов ВДК, тем больше h . В момент трансформации наблюдается наибольший разброс значений £Уд(рис. 4,6).
Постоянство U при h>h можно объяснить существованием за катодной областью дуги пространства низковольтной дуги с градиентом потенциала, близким к 0 [4]. В пространстве низковольтой дуги новая ионизация не возникает, а нейтрализация объемного отрицательного заряда электронного тока к аноду осуществляется одно- и многозарядными ионами, скорость которых значительно превышает ту, которую они могли приобрести в области катодного падения. Высокоскоростные струи ионов, распространяющиеся из области катодного пятна, наблюдались многими исследователями [5, 6]. Причем степень ионизации пара в вакуумной среде может превышать 90% [5]. Следует отметить, что постоянство U с ростом 11 в дуге отключения наблюдалось и при токах, меньших 10 кА [7].

Рис. 4. Зависимость падения напряжения U0 на дуге отключения от мгновенного значения тока / в процессе увеличения межконтактного промежутка в фиксированный момент времени t, при межконтактном расстоянии И:
a) x-h=0, t=0 (момент возникновения дуги отключения); ° - h-1,2 мм, t=l мс;

1. - h=2,4 мм, t=2 мс; б) 0 - h=3,6 мм, t=3 мс; в) □- h=4,8 мм, t-4 мс;

Д — h=6 мм, t=5 мс; + - h=6 мм, • — h=6 мм, t=7; 8; 9; 10 мс.
В тех случаях, когда данные при разных t и h совпадают, значки зачернены.
Малое U можно объяснить повышением плотности частиц в межконтактном промежутке КС нового типа по сравнению с традиционной КС вследствие эффекта самоэкранирования. В новой КС значительно большая часть ионов, покидающих катодную область, встречает на своем пути анод, чем в КС традиционной, с плоскими рабочими поверхностями контактов. Причем частицы пара неоднократно отражаются от поверхностей, на которые они падают. Коэффициент отражения может превышать 50% [5]. В результате плотность ионов в межконтактном промежутке повышается, вследствие чего уменьшается U и снижается энергия, выделяемая в дуге отключения. Это приводит к увеличению предельного тока отключения, приходящегося на единицу площади рабочей поверхности контактов в новой КС по сравнению с традиционной.
Следствием эффекта самоэкранирования является и значительное увеличение коммутационного ресурса ВДК с новой КС по сравнению с ВДК, снабженными традиционной КС [8]. Как известно, коммутационный ресурс определяется износом контактов КС. Сравнение износа контактов разных типов ВДК целесообразно производить по величине удельного износа контактов а, выраженного в г(кА „ DA а рассчитывается исходя из экспериментальных данных по износу контактов при испытаниях ВДК на коммутационный ресурс [8]. В этом случае коммутационный ресурс ВДК - N циклов где о - площадь поверхности контактирования, см2; р - удельная масса контактного материала, г/см3; /- действующее значение тока при испытаниях на ресурс, кА; Ahi - также выражается в см.

Рис. 5. Зависимость падения напряжения U^ на дуге отключения от расстояния между контактами h в процессе увеличения межконтактного промежутка при мгновенных значениях тока: 1=10 кА (кривая 1), 1=20 кА (кривая 2) и 1=30 кА (кривая 3). Смысл обозначения точек на кривых тот же, что на рис. 4.
В табл. 3 приведено сравнение двух ВДК с новой и традиционной КС с аксиальным магнитным полем.
Таблица 3

Из табл. 3 видно, что при токе 1,6 кА в новой КС а в 1,7 раза меньше, чем в традиционной КС с плоскими рабочими поверхностями контактов. При токах 3,15 и 20 кА а в новой КС на порядок меньше, чем в КС с радиальным магнитным полем, в то же время а КС традиционной конструкции с аксиальным магнитным полем при токах 1,6 и 31,5 кА того же порядка, что у КС с радиальным магнитным полем [8].

Выводы

1. Разработана серия ВДК пятого поколения с параметрами: U - 10 кВ, I - 1000, 1600 и 3150 А и Iк -20, 31,5 и 40 кА с технико-экономическими показателями, не уступающими лучшим зарубежным аналогам. На базе этой серии ВДК разработаны вакуумные выключатели и КРУ. ВДК, вакуумные выключатели и КРУ выпускаются серийно рядом заводов России.
   ВО можно выразить формулой:
   

1. Высокие технико-экономические показатели серии ВДК пятого поколения достигнуты благодаря изобретению и разработке новой КС с аксиальным магнитным полем. Главным отличием новой КС от известных с плоской рабочей поверхностью контактов является конфигурация этих поверхностей. А именно, рабочая поверхность одного контакта имеет выпуклую форму, другого - вогнутую, охватывающую выпуклую поверхность.
2. Новая конструкция дает следующие преимущества по сравнению с известной. Уменьшается диаметр КС, а следовательно, диаметр и масса ВДК. Уменьшаются также омическое сопротивление КС и дополнительное контактное нажатие, необходимое для компенсации электродинамических сил, возникающих при протекании сквозных токов и вызывающих отброс контактов.
3. В новой КС имеет место эффект самоэкранирования, действие которого заключается в следующем:

а - наблюдается низкое напряжение U на дуге отключения;
б     - увеличивается предельный ток отключения, приходящийся на единицу рабочей поверхности контактов;
в - увеличивается коммутационный ресурс благодаря уменьшению износа контактов.
Предполагается, что явления, отмеченные в п. 4,а,б, являются следствием увеличения плотности атомов пара в межконтактном промежутке из-за их многократного отражения от рабочих поверхностей контактов.

1. Исследованы зависимости U{ от мгновенного значения тока / и величины межконтактного промежутка h в процессе отключения трехфазного переменного тока КЗ при / до 40 кА и h до 6 мм, эти исследования показали следующее:
2. вольт-амперные характеристики U1 (/)(/?=const) дуги отключения носят возрастающий характер. Крутизна роста Uтем больше, чем больше H;
3. зависимость U1(h)(/=const) по мере расхождения контактов вначале возрастает, затем при достижении некоторого предельного расстояния h стремится к насыщению, h тем больше, чем больше /, и составляет 2 и 5 мм при /=10 и 20 кА соответственно.

Предполагается, что наблюдаемый ход зависимости U (И) является свидетельством того, что дуга отключения проходит через две стадии. Из первой начальной стадии, когда U возрастает, дуга имеет контрагированную форму, далее во второй стадии, когда U с ростом И практически не изменяется, дуга трансформируется в так называемую диффузную форму с нестабильными катодными пятнами, распространяющимися по всей рабочей поверхности катода.

Список литературы

1. Белкин Г.С., Лукацкая И. А, Перцев А.А., Ромочкин Ю.Г. Новые разработки ВЭИ в области вакуумных дугогасительных камер//Электротехника, 2001, №9. С. 17-23.
2. Лукацкая И.А. Формы вакуумной дуги на вольфрамовых электродах // Ргос. VII Intern. Conf. Phen. in Ionized gases. - Beograd, 1966. Vol. 1. P. 412.
3. Селикатова С.М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения //ЖТФ, 1972. Т. 42, вып. 7. С. 1508-1514.
4. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / Под ред. Л.А. Сена,
5. Е.   Голанта.-М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. лит-ры, 1971.
6. Вакуумные дуги. Теория и приложения / Под ред. Дж. Лафферти. - М.: Мир, 1982.
7. Davis W.D., Viller Н.С. Analysis of the electrode products by dc arcs in a vacuum ambient 11 J. Appl. Phys. 1969. Vol. 40, № 5. P. 2212-2221.
8. КесаевИ.Г Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука, 1968.
9. Ромочкин Ю.Г, Лукацкая И.А. Исследование коммутационного ресурса вакуумных дугогасительных камер с аксиальным магнитным полем // Электротехника, 2005, № 2. 9-15.