Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных источников, посвященных управляемым вакуумным разрядникам 14
1.1 Принцип работы управляемого вакуумного разрядника 14
1.1.1 Конструкция управляемого вакуумного разрядника 14
1.1.2. Принцип работы управляемого вакуумного разрядника 17
1.2 История создания и существующие типы РВУ 19
1.2.1 История создания РВУ 19
1.2.2 Существующие типы РВУ 21
1.3 Области применения РВУ 23
1.3.1 Импульсные технологии 23
1.3.2 Управляемая коммутация 24
1.3.3 Ограничение перенапряжений и защита оборудования 28
1.3.4 Выключатели для коммутации постоянного тока 31
1.3.5 Ограничение токов короткого замыкания 34
1.4 Предельные параметры РВУ 36
1.4.1 Вакуумная дуга 38
1.4.2 Модели вакуумной дуги 42
1.4.3 Отключающая способность 43
1.4.4 Электрическая прочность 49
Выводы по главе 1 55
Глава 2. Объект исследования, условия и методика проведения эксперимента, методы проведения расчётов 57
2.1 Объект исследования 57
2.2 Исследованные образцы РВУ 58
2.3 Испытательные стенды для исследования отключающей способности РВУ 62
2.4 Испытательный стенд для исследования электрической прочности РВУ 66
2.5 Методы проведения расчётов 70
2.5.1 Метод проведения расчётов нагрева анода 70
2.5.2 Методы расчёта электромагнитных полей 73
2.5.2.1 Методика расчёта электростатических полей 76
2.5.2.2 Методика расчёта электромагнитных полей 82
Выводы по главе 2 з
Глава 3. Иследование отключающей способности управляемых вакуумных разрядников 87
3.1 Испытания вакуумных коммутационных приборов на отключающую способность .87
3.1.1. Испытания РВУ на отключающую способность при использовании низковольтных испытательных стендов 87
3.1.2. Расчёт отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой 88
3.1.3. Результаты экспериментального исследования отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой 91
3.1.4. Обсуждение результатов 93
3.2 Феноменологическая модель развития сильноточного разряда в РВУ со стержневой системой электродов при протекании токов промышленной частоты 97
3.3 Экспериментальное и расчётное исследование развития вакуумного разряда в стержневой электродной системе 112
3.3.1 Экспериментальное исследование площади занимаемой дугой при горении 113
3.3.2 Исследование параллельной работы РВУ 118
3.3.3 Исследование распределения электромагнитного поля для РВУ со стержневой электродной системой 120
3.3.4 Исследование напряжения дуги в РВУ со стрежневой электродной системой 127
3.4 Методика расчёта отключающей способности РВУ со стержневой электродной системой 130
Выводы по главе 3 133
Глава 4. Исследование электрической прочности рву 135
4.1 Сравнение расчётных и экспериментально полученных значений электрической прочности РВУ 135
4.2 Исследование зависимости электрической прочности РВУ от размеров электродной системы 140
4.3 Исследование зависимости электрической прочности РВУ от размеров экранной системы и конфигурации узла поджига 144
4.4 Расчёт электрической прочности последовательно-параллельного соединения РВУ
149
4.5 Высоковольтный быстродействующий коммутатор 154
Выводы по главе 4 157
Заключение 158
Список используемых сокращений 160
Литература
- Принцип работы управляемого вакуумного разрядника
- Испытательный стенд для исследования электрической прочности РВУ
- Результаты экспериментального исследования отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой
- Исследование зависимости электрической прочности РВУ от размеров экранной системы и конфигурации узла поджига
Принцип работы управляемого вакуумного разрядника
Рассмотрим принцип работы РВУ. Включение РВУ происходит при подаче управляющего импульса напряжения между основным и управляющим электродом. При этом происходит пробой по поверхности диэлектрической вставки узла поджига (рисунок 1.5а). На поверхности диэлектрика развивается скользящий разряд - инициирующая искра, которая приводит к образованию в вакуумном промежутке инициирующей плазмы. Далее происходит развитие искрового разряда, который поддерживается катодными пятнами, сформировавшимися вблизи поверхности диэлектрической вставки. Данные пятна являются источником сильно ионизированной металлической плазмы, которая распространяется в вакуумный зазор и заполняет межэлектродный промежуток. Разряд переходит в дуговую стадию, и разрядник включается (начинает протекать ток между основными электродами).
Дуговая стадия разряда в РВУ имеет много общего по сравнению с неуправляемыми вакуумными промежутками (например, с вакуумными дугогасительными камерами (ВДК)). В случае стержневой электродной системы в начальный момент времени дуга горит с поверхности одного основного электрода на торец стержня другого (рисунок 1.56), и при увеличении тока в дальнейшем переходит в межстержневой зазор и заполняет весь межэлектродный промежуток (рисунок 1.5в). При этом горение разряда происходит в основном в межстержневых промежутках, что увеличивает срок службы узла поджига за счёт уменьшения токовой нагрузки на узел поджига.
Металлическая плазма вакуумной дуги способна пропускать большие токи между основными электродами без их существенного разрушения. При этом падение напряжения на дуге сравнительно мало (от десятков до сотен вольт) и увеличивается с ростом тока. Вакуумный дуговой разряд является самоподдерживающимся и погасает, когда ток в основной цепи спадает до нуля. Ввиду быстрой конденсации металлического пара и деионизации плазмы, вакуумный промежуток характеризуется высокой скоростью восстановления электрической прочности (от единиц до сотен микросекунд),
Успешное включение разрядника зависит от различных условий и является одним из наиболее важных вопросов при проектировании РВУ. Так минимальное напряжение пробоя поджигающего промежутка зависит от геометрии узла поджига, материала и состояния поверхности диэлектрика. Значение этого напряжения растет с уменьшением диэлектрической проницаемости, увеличением зазора и укорачиванием длительности управляющего импульса. На сегодняшний день вопрос успешного включения РВУ достаточно широко изучен и имеются решения позволяющие обеспечить надёжную работу узла поджига.
Успешное отключение после перехода тока через нуль также является одним из определяющих параметров при разработке и использовании РВУ. Процесс отключения тока аналогичен процессам отключения тока при помощи ВДК, однако, из-за различной, по сравнению с ВДК, геометрией основных электродов методики расчёта и определения отключающей способности ВДК подходят для РВУ не в полном объёме. Вопрос определения отключающей способности РВУ на сегодняшний момент развит не в полной мере и будет рассмотрен в рамках данной работы.
РВУ, как вакуумные коммутирующие устройства, имеют ряд преимуществ по сравнению с другими коммутационными аппаратами [1]: - по сравнению и тиратронами они не требуют накала и постоянно готовы к работе; - по сравнению с игнитронами не требуют термостабилизации, не боятся вибрации, работают при любой ориентации в пространстве и экологически безопасны; - по сравнению с газоразрядными коммутаторами, могут работать в широком диапазоне рабочих напряжений без изменения времени запаздывания включения; - по сравнению с полупроводниковыми коммутаторами, обладают значительно большей мощностью на один элемент, в несколько раз дешевле, обладают большой устойчивостью в аварийных режимах работы.
Первые конструкции РВУ были предложены Дж. Лафферти и Дж. Ричом в фирме General Electric Company в 60-70-х годах прошлого столетия. Было разработано достаточно большое количество патентов и экспериментальных образцов РВУ [2-6]. В то время данные устройства не нашли широкого применения, что было обусловлено ограниченным ресурсом узла поджига, сравнительно большим временем включения, разбросом времени включения и другими проблемами, многие из которых остаются актуальными и в настоящее время при повышении предельных параметров РВУ. Эти проблемы были частично решены при разработке отечественных РВУ сотрудниками Всероссийского электротехнического института В.А Воздвиженским, В.А. Сидоровым и Д.Ф. Алфёровым.
Работа по разработке РВУ в ВЭИ была начата в начале 80-х годов. Эта работа была основана на интенсивных исследованиях и большом опыте, накопленном в области разработок ВДК сотрудниками ВЭИ Г.С. Белкиным, В.А Воздвиженским, А.А. Перцевым, И.А. Лукацкой, B.C. Потокиным и др.
На основе этого опыта и результатах исследований инициируемого сильноточного вакуумного дугового разряда сотрудниками ВЭИ В.А Воздвиженским и В.А. Сидоровым было разработано несколько основных типов РВУ отпаянной конструкции, которые достаточно подробно представлены в диссертации В.А. Сидорова. [7]
Накопленный опыт разработки и эксплуатации вакуумных разрядников позволил определить влияние геометрии поджигающего промежутка на стартовые характеристики РВУ и его ресурс. Было показано, что для заданного режима работы можно существенно уменьшить время включения РВУ и повысить его ресурс путем выбора оптимальной ориентации рабочей поверхности диэлектрика узла поджига относительно основного разрядного промежутка, числа поджигающих промежутков и параметров импульса поджига. Полученные результаты послужили основой для разработки новых типов РВУ, выпускаемых в настоящее время на заводах России.
Многолетний опыт эксплуатации РВУ показал, что наиболее слабым элементом разрядника, приводящим к частому выходу его из строя, является узел поджига. Поэтому стала актуальной проблема повышения долговечности узла поджига в сильноточных режимах коммутации. Проблемы инициации разряда и повышение ресурса работы разрядника подробно описаны в докторской диссертации Д.Ф. Алфёрова. [8]
Испытательный стенд для исследования электрической прочности РВУ
В результате проведённого литературного обзора было выявлено, что необходимо повышать предельные параметры управляемых вакуумных разрядников: отключающую способность и электрическую прочность.
На сегодняшний день существует два основных типа РВУ: разрядники с дисковой электродной системой и разрядники со стержневой электродной системой. Разработаны и выпускаются серийно несколько десятков их модификаций, однако все они не удовлетворяют значениям токов КЗ по отключающей способности, а также условиям испытательных напряжений сетей высокого напряжения.
Для выработки рекомендаций по увеличению этих параметров необходимо провести ряд исследований, расчётов и экспериментов.
Предложен следующий порядок их проведения. Для изучения процессов отключения и выработки методики расчёта отключающей способности РВУ:
Провести исследования РВУ с дисковыми электродными системами, создающими аксиальное магнитное поле. Для этого провести расчёты распределения магнитного поля и отключающей способности по методике, аналогичной для ВДК. Сравнить расчётную отключающую способность с экспериментально полученными данными. Уточнить тепловую постоянную анода для параметров, соответствующих проведённому эксперименту (учесть параметры испытательного стенда);
Определить какая из форм дуги (диффузная или контрагированная) преобладает в РВУ со стержневой системой электродов во время коммутации больших токов промышленной частоты. Для этого провести расчёт распределения электромагнитного поля в модельной системе РВУ, так как именно величина и направление магнитного поля относительно столба дуги во многом определяют процесс развития разряда в вакууме. Разработать феноменологическую модель развития сильноточного разряда в РВУ при протекании токов промышленной частоты;
Провести экспериментальное исследование отключающей способности макетных образцов РВУ со стержневой электродной системой. Сопоставить разработанную модель развития разряда и результаты экспериментов, произвести уточнение тепловой постоянной анода для РВУ со стержневой системой электродов;
По полученным данным разработать методику расчёта отключающей способности РВУ со стержневой системой электродов. Произвести расчёты отключающей способности для макетных образцов РВУ, сравнить расчёты с экспериментальными данными.
Для выработки рекомендаций по повышению электрической прочности РВУ провести следующие исследования и расчёты: - Провести экспериментальные исследования электрической прочности макетных образцов РВУ с разной конфигурацией электродных систем. Провести расчёты распределения электрического поля в РВУ для определения критического значения напряженности электрического поля; - Сравнить полученные данные с аналогичными данными для ВДК, доступными из литературы. Разработать рекомендации по улучшению геометрии электродной и экранной системы РВУ; - Разработать методику расчёта электрической прочности параллельно-последовательного соединения РВУ.
Все вышеперечисленные пункты реализовались на макетных и серийных образцах РВУ, при использовании экспериментальных стендов и методик расчетов, описанных далее в данной главе.
Для выполнения выше описанного плана использовались различные модели РВУ. Испытаниям подвергались как серийно выпускаемые разрядники, так и макетные образцы, изготовленные для проведения исследований. Были проведены испытания макетного образца РВУ с дисковой электродной системой (для удобства, данный макетный образец был назван РВУ-10).
Также были испытаны РВУ со стрежневой электродной системой, 2 типа серийных РВУ: РВУ-47 и РВУ-43 и пять макетных образцов, которые были разработаны на основе РВУ-43 и для удобства названы РВУ-43-1, РВУ-43-2, РВУ-43-4, РВУ-53-1 и РВУ-53-2.
Все разрядники были выполнены по безштенгельной технологии. Материалы электродов или их накладок - композит медь-хром 50/50, материал фланцев, токопотводов и экранной системы - бескислородная медь, изоляторы - керамика из оксида алюминия А1203. РВУ с дисковыми электродами были произведены на предприятии НЛП «Контакт» г. Саратов, РВУ со стержневыми электродами - на предприятии НПО «Вакуумные технологии» г. Рязань.
Результаты экспериментального исследования отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой
Далее производился импорт построенных моделей в расчётную программу COMSOL Multiphysics. Для расчётов электростатического распределения напряжённости поля использовался встроенный модуль AC/DC с постановкой статической трёхмерной задачи. После этого производилось определение граничных условий: задача нулевого потенциала для катода РВУ, задача потенциала в 1 кВ для анода, указание того, что экранная система находится под плавающим потенциалом. Управляющий электрод задавался либо под нулевым потенциалом, либо под плавающим потенциалом в разных задачах. На границе симметрии разрядника были заданы граничные условия Неймана для постановки симметричной задачи. [50]
Также необходимо было определить параметры использованных материалов. Для решения электростатической задачи нужно определить только относительную диэлектрическую проницаемость каждого элемента. Для всех проводящих частей РВУ и для окружающего пространства данная величина была принята равной единице, для керамических изоляционных элементов равной 9, согласно [51] и информации заводов изготовителей.
После определения материалов и граничных условий производилось построение конечно-элементной сетки. Программа имеет встроенную функцию построения сеток для импортированных твердотельных моделей. Данное построение происходит автоматически, но чаще всего требует проверки и оптимизации пользователем.
В первую очередь необходимо определить размер расчётной области, который позволил бы исключить влияние граничных условий на результаты расчётов. Определение такого размера проводилось путём последовательных расчётов при постепенном увеличении расчётной области. Если увеличение расчётной области не влияло на результаты расчёта более чем на 2-3%, то данный размер принимался оптимальным для поставленной задачи. Иллюстрирующий данную операцию рисунок приведён ниже. Слева показана малая расчётная область, граничные условия которой сильно влияют на расчёт, справа большая расчётная область, которая не влияет на результаты распределения поля внутри РВУ.
По результатам расчётов можно сказать, что расчётная область мало влияет на распределение поля, если её размеры таковы, что расстояние от элементов РВУ до границы расчётной области, по крайней мере, в несколько десятков раз больше, чем межэлектродное расстояние.
Также увеличение количества расчётных элементов, в общем случае, увеличивает точность расчётов, однако приводит к увеличению времени расчётов и ресурсоёмкости, поэтому необходимо определить точность построения конечно-элементной сетки. Для определения оптимальной детализации дискретизации последовательно производилось несколько расчётов с постепенным увеличением количества элементов. Когда увеличение количества элементов приводило к незначительному изменению в результатах (менее 2-3%), данное количество элементов считалось оптимальным. Пример двух конечно-элементных сеток с разным количеством элементов приведён ниже.
Помимо оптимизации общего количества элементов, также необходимо было произвести уточнение конечно-элементной сетки вблизи мест с ожидаемой наибольшей напряжённостью электрического поля для нивелирования возможных краевых эффектов (резкой неоднородности поля) на границе элементов с малыми радиусами скруглення. Такие элементы есть на конце стержней основных электродов, управляющем электроде, а также в экранной системе РВУ. Для этого были заданы дополнительные условия построения конечно-элементной сетки, которые заключались в принудительном увеличении количества расчётных элементов на границах скруглений в независимости от общего количества элементов в сетке.
После окончательного построения сетки производился непосредственный расчёт поставленной задачи. Далее производилась обработка результатов. Рис. 2.18 Уточнение элементов с малым радиусом скруглення. Автоматическое разбиение (слева), дополнительные условия построения (справа). Для отображения результатов строилась трёхмерная эпюра распределения модуля напряжённости электрического поля на поверхности проводящих частей. Далее отображались значения в пределах 60-100% от максимального значения напряжённости поля, получившегося в результате расчёта. Такие значения напряжённости сразу позволяют выявить наиболее возможные места образования вакуумного пробоя [34].
Рис. 2.19 Пример эпюры распределения напряжённости электрического поля Е на поверхности металлических частей РВУ, кВ/мм Зная максимальное расчётное значение напряженности Етах, было легко найти расчётную электрическую прочность Ub. Так как при расчёте потенциал анода равнялся t/p = 1 кВ и, зная, что критическое значение напряжённости составляет Епр10 = 10 кВ/мм для неподготовленных вакуумных промежутков и Епр30 = 30 кВ/мм для тренированных вакуумных промежутков (глава 1, пункт 1.4.4), можно, составив пропорцию, получить расчётную электрическую прочность. Например, если при расчёте максимальная напряженность составила 0,25 кВ/мм, то электрическая прочность равна:
Таким образом, проводя выше описанные расчёты, получилось определить электрическую прочность разных типов РВУ, а также сравнить их с экспериментальными данными. Результаты расчетов для разных типов РВУ для разных случаев, а также рекомендации по улучшению конструкции РВУ с точки зрения электрической прочности приведены далее в главе 4.
Для расчетов распределения электромагнитных полей внутри РВУ использовались модели, отличные от моделей для электростатических расчётов. Основное отличие заключалось в том, что геометрия моделей была сильно упрощена по сравнению с реальной геометрией. Связанно это с тем, что при расчёте электромагнитных полей решается полная система уравнений Максвелла, а не только уравнения, соответствующие закону Гаусса, что приводит к существенному увеличению СЛАУ. Для устранения этой проблемы была использована более простая геометрия, позволяющая использовать меньшее количество расчётных элементов. Использовались два типа моделей: осесимметричные - для расчёта РВУ с дисковой электродной системой, а также трёхмерные - для РВУ со стержневой электродной системой.
Целью осесимметричных расчётов было нахождение распределения продольной составляющей магнитного поля в РВУ с дисковыми электродными системами для определения коэффициента неоднородности. Для этого по чертежам РВУ строилась упрощённая расчётная геометрия. После этого производилась оптимизация размеров расчётной области и точности конечно-элементной сетки по аналогии с процессом оптимизации для электростатического случая. Далее задавались граничные условия, и производился расчёт.
Исследование зависимости электрической прочности РВУ от размеров экранной системы и конфигурации узла поджига
На сегодняшний момент времени для проведения испытаний высоковольтных выключателей на отключающую способность используются различные схемы, это могут быть как полноразмерные ударные генераторы тока с выходным напряжением, равным номинальному напряжению выключателя, так и синтетические схемы, в которых восстанавливающееся напряжение прикладывается к разрыву выключателя отдельно стоящим генератором импульсных напряжений. Данные испытания проводятся единожды, для сертификации выключателей перед запуском их производства в серию [52].
Описанные выше испытания требуют значительных денежных вложений и их проведение достаточно сложно. Так как для исследовательских задач зачастую требуется большое количество экспериментов с различными макетными образцами устройств, то проведение большой серии испытаний может стать препятствием на пути разработчиков.
Так как именно задача разработки и исследования стояла в данной работе, то для нивелирования данной проблемы было предложено проводить коммутационные испытания РВУ на ударном генераторе тока с низким выходным напряжением (0,4-0,8 кВ). Для этого необходимо проводить корректировку экспериментально полученных значений отключающей способности до соответствия напряжениям, при которых будут использованы РВУ(ПОкВ). Основным отличием при проведении испытаний на низком напряжении будет скорость роста и значение переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Предлагается проводить испытания по схеме, представленной в главе 2 на ударном генераторе «ТИ-12», выходное напряжение в данной схеме при токах более 15 кА составляет 0,4 кВ. Максимальное значение ПВН при этом зависит от коэффициента амплитуды ка, который для низковольтных сетей равняется 1,1-1,3 [32], что соответствует максимальному значению ПВН порядка 440-520 В. Скорость роста ПВН, полученная в опытах, не превышает 1 кВ/мс.
Для того чтобы правильно оценить как данные параметры будут влиять на отключающую способность РВУ, было решено провести ряд экспериментов для РВУ с дисковой системой электродов и сравнить полученные расчетным путём и экспериментальные значения отключающей способности. Затем по результатам сравнения разработать рекомендации, необходимые для корректировки при испытаниях на низком напряжении. Для проведения данных экспериментов было решено использовать РВУ с дисковой системой, так как для неё известен алгоритм расчёта отключающей способности, аналогичный расчёту отключающей способности ВДК [32].
Для увеличения отключающей способности в ВДК используются специальные контактные системы, создающие магнитное поле, продольное току дуги. Было решено исследовать возможность применения аналогичных электродных систем и для РВУ. На базе одной из серийно выпускаемых ВДК был разработан макетный образец РВУ (рисунок 2.1).
Для того что бы сравнить экспериментально полученные и теоретически рассчитанные значения отключающей способности был проведён расчёт отключающей способности данного макетного образца. Расчёт отключающей способности проводился по методике, описанной в главе 2.
Первым шагом расчёта было определение коэффициентов неоднородности. Для этого было построено распределение магнитного поля в межэлектродном промежутке по методике из главы 2. Далее на рисунке представлены графики распределения продольной составляющей магнитного поля на килоампер протекающего через РВУ тока.
Диаметр электродов РВУ-10 равен 66 мм, следовательно, площадь поверхности электродов 3422 мм . Рассчитанная эффективная область имеет диаметр 50 мм и площадь 1963 мм , при этом необходимо учесть конструктивные отверстия и вычесть занимающую ими площадь (рисунок 3.2). Тогда эффективная площадь получается равной 1493 мм . Полученный коэффициент неоднородности кн равен 2,3.
Эффективная площадь горения дуги (заштрихованная область) Зная коэффициенты неоднородности можно рассчитать температуру нагрева анода и, следовательно, отключающую способность РВУ. Расчёт нагрева проводился при помощи методики описанной в главе 2 для шести полупериодов пропускаемого тока (имитация работы РВУ в составе ВБК).
При расчёте принимались Тдоп = 1400 К, Ua = 20 В, /? = 0 по аналогии с расчётами производимыми для ВДК [32]. Ниже приведены полученные расчётные зависимости температуры анода и тока через РВУ от времени.
Для определения отключающей способности был разработан алгоритм автоматического пошагового расчёта с шагом по току в 0,5 кА до момента превышения температурой анода допустимой температуры Тдоп.
Полученное значение отключающей способности РВУ при пропуске шести полупериодов тока составило 12 кА. 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 rf- 900 Результаты экспериментального исследования отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой
Проверка отключающей способности этих разрядников производилась на стенде «ТИ-12». Сначала производились испытания РВУ-10 по схеме, приведенной на рисунке 2.7, при этом в качестве Pi был установлен макетный образец РВУ с дисковой электродной системой, а в качестве Р2 -РВУ-47. На каждый из разрядников подавалось по шесть управляющих импульсов.