Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Вакуумная дугогасительная камера, принципы ее работы, конструкция и технология производства 16
1.1. ВДК и основные особенности ее работы в составе коммутируемой цепи 18
1.2. Вакуумная дуга и ее реализация в ВДК 21
1.3. Процессы в ВДК при размыкании цепи 26
1.4. Сравнение физических процессов в ВДК и приборах электронной техники при работе в ключевом режиме 30
1.5 Конструкция и технологические решения в ВДК .33
1.6 Специфика технологии тренировки ВДК 41
1.7 Выводы 47
Глава вторая. Условия работы ВДК в качестве коммутирующего элемента электрической цепи 50
2.1 Качественный анализ состояний ВДК в коммутируемой цепи .51
2.2. Анализ возвратного напряжения, действующего в ВДК при отключении нагрузки 55
2.3. Возвратное напряжение в ВДК при цепи с «длинной линией» 67
2.4. Сопротивление ВДК при замкнутых контактах 71
2.4. Выводы 77
Глава третья. Эрозия контактов ВДК и ее коммутационный ресурс 80
3.1. Эрозионные процессы в контактах ВДК 81
3.2. Анализ состояния контактов ВДК, прошедших ресурсные испытания 83
3.2.1. Состояние контактов ВДК после испытания при большом числе циклов коммутации тока короткого замыкания 85
Состояние контактов ВДК после испытания при большом числе циклов коммутации номинального тока .90
3.2.2. Состояние контактов ВДК испытания при малом числе циклов коммутации тока короткого замыкания .92
3.2.4. Обсуждение результатов ресурсных испытаний ВДК 95
3.3. Развитие эрозионных процессов в ВДК, приводящих к ограничению коммутационного ресурса 96
3.4. Эрозионные процессы в контактах ВДК и в электродах импульсных электронных приборов 100
3.5. Износ контактов ВДК 104
3.6. Выводы 108
Глава четвертая. Магнитное поле в ВДК и ее коммутационный ресурс 112
4.1. Формирование магнитного поля в ВДК 113
4.2. Влияние магнитного поля в ВДК на состояние вакуумной дуги 115
4.3. Фокусирующее действие аксиального магнитного поля на дугу в ВДК 119
4.4. Условия, обеспечивающие перемещение столба сжатой дуги в межконтактном пространстве ВДК ПМП 124
4.5. Особенности действия магнитного поля в ВДК АПМ со сферическими контактами 132
4.6. Коммутационный ресурс ВДК при использовании контактного узла, формирующего аксиальное и поперечное магнитные поля 135
4.7. Выводы 137
Глава пятая. Анализ влияния поперечного магнитного поля на работу ВДК при слаботочной диффузной дуге 141
5.1. Особенности анализа влияния поперечного магнитного поля на работу ВДК при слаботочной диффузной дуге 141
5.2. Влияние неоднородности поперечного магнитного поля на траектории электронов между контактами ВДК 146
5.3. Траектории электронов в ВДК при неизменном расстоянии между контактами 155
5.4. Траектории электронов в ВДК при изменении расстояния между контактами 161
5.5. Выводы 169
Глава шестая. Применение ВДК в высоковольтных выключателях 172
6.1. Проблемы проектирования высоковольтных выключителей на ВДК .173
6.2. Определение распределения напряжения между ВДК при их последовательном соединении в составе полюса высоко-вольного выключателя 177
6.3. Конструкция полюса высоковольтного выключателя, использующего ВДК 187
6.4. Разработка выключателя на напряжение 110 кВ, использующего ВДК 190
6.5. Вопросы разработки ВДК на напряжение 110 кВ 196
6.6. Вопросы конструирования выключателя на напряжение 220 кВ, использующего последовательное соединение ВДК 199
6.7. Выводы 202
Заключение 206
Литература
- Сравнение физических процессов в ВДК и приборах электронной техники при работе в ключевом режиме
- Возвратное напряжение в ВДК при цепи с «длинной линией»
- Состояние контактов ВДК испытания при малом числе циклов коммутации тока короткого замыкания
- Условия, обеспечивающие перемещение столба сжатой дуги в межконтактном пространстве ВДК ПМП
Сравнение физических процессов в ВДК и приборах электронной техники при работе в ключевом режиме
ВДК является исполнительным элементом коммутационной аппаратуры в электрических цепях высокого напряжения. В связи с ее применением считается, что она является электротехническим изделием. Однако средой, в которой происходит замыкание и размыкание контактов, является вакуум, что уже дает основание отнести ВДК к числу изделий электровакуумной техники, о чем свидетельствует история практической реализации идеи коммутации электрической цепи с помощью вакуумной дуги.
Действительно, первые обнадеживающие результаты применения ВДК при коммутации электрической цепи были получены Соренсом в начале 20-х годов прошлого столетия. Однако им же был «сделан вывод о невозможности использования вакуума в качестве дугогасительной среды из-за высокой стоимости и сильной зависимости размыкающей способности от качества вакуума» [18]. Такое заключение было сделано, поскольку в то время отсутствовали необходимые вакуумные технологии, а также необходимые материалы [19].
Активная разработка и промышленный выпуск ВДК были начаты только в 50-х годах [2]. К этому времени, как отмечается в [18], был достигнут существенный прогресс в области электровакуумной технологии и электровакуумных материалов, который был обусловлен потребностями электронного приборостроения. Были получены вакуумно-плотные материалы и вакуумно-плотные спаи металла с керамикой, отработаны технологии пайки различных металлов, откачки и тренировки, создано необходимое технологическое оборудование, т.е. все то, что необходимо для производства в первую очередь СВЧ электронных приборов высокого уровня мощности.
По данному вопросу в [20] также говорится, что «для производства ВДК необходимо наличие оборудования, технологических процессов и особенно применения материалов, свойственных только электронной промышленности».
Обоснованием подхода к ВДК как к изделию электровакуумной техники могут служить проведенные в [17] аналогии в решении конструктивных и технологических вопросов между ВДК и электровакуумными приборами, в частности, СВЧ электронными приборами высокого уровня мощности. Это связано с аналогией многих технических задач, которые должны решаться при разработке и производстве изделий электровакуумной техники [21, 22]. К числу таких задач относится, например, снижение интенсивности эрозионных процессов и обеспечение вакуума в условиях высоких термических нагрузок на электроды. В процессе выполнения операций «включение» и «отключение», когда в ВДК замыкаются и размыкаются контакты, между ними горит вакуумная дуга, которая представляет собой «плазменный электрический разряд, горящий в парах металла, образующихся в результате эрозии поверхности контактов» [5]. В отличие от традиционных приборов плазменной электроники плазма между контактами в ВДК формируется не в стационар ных режимах работы, а в переходных режимах. Однако основные физические процессы, происходящие в ВДК, связаны с существованием в ее вакуумной полости плазмы. Именно существование плазмы определяет главные эксплуатационные показатели ВДК, к числу которых относятся коммутационная способность и коммутационный ресурс. Это дает основание рассматривать ВДК не только как изделие электровакуумной техники, но и как изделие плазменной электроники.
В начале первой главы приводятся краткие сведения о ВДК и характерных особенностях вакуумной дуги, а также об условиях ее существования в ВДК. Проводится сравнение основных физических процессов, определяющих работу ВДК и приборов электронной техники, а также величин параметров, характеризующих их работу. Эти сведения будут востребованы при обсуждении результатов выполненных исследований, которые представлены в последующих главах. Во второй части главы кратко изложены вопросы конструкции, технологии и производства ВДК. Основное внимание уделено рассмотрению отличия их решений от решения тех же вопросов СВЧ электронных приборов, в том числе высокого уровня мощности [23-25].
Возвратное напряжение в ВДК при цепи с «длинной линией»
Контакты ВДК типа КДВА5-10-20/1600 имеют сферическую форму поверхности в области их соприкосновения. Внешний диаметр выпуклого контакта 44 мм, вогнутого – 46 мм. Применение сферической формы контактов позволяет не только уменьшить удельные термические нагрузки контактов за счет увеличения их рабочей поверхности при неизменном диаметре, но и уменьшить величину дополнительного поджатия, поскольку уменьшается осевая компонента силы электродинамического отброса контактов в связи с появлением ее радиальной компоненты [71, 72].
В ВДК типа КДВА2-10-31,5/1600 также используется аксиальное магнитное поле, но индуктор выполнен в виде трех параллельно соединенных сегментов. Контакты плоские, диаметром 85 мм.
В ВДК типа КДВХ4-10-20/1600 индукторы, как отдельные элементы конструкции контактов, отсутствуют. Ими являются Г-образные участки контактов, с помощью которых формируется поперечное магнитное поле (см. четвертую главу). Контакты ВДК типа КДВХ4-10-20/1600 плоские с диаметром в области соприкосновения – 40 мм.
Величина переходного сопротивления определяется как разность между измеренной величиной сопротивления камеры при замкнутых контактах и расчетной величиной суммарного сопротивления элементов ее конструкции, составляющих цепь, по которой протекает ток. В эту цепь в общем случае входят стержень, индуктор, контакт токовывода, стержень, индуктор, контакт и фланец токоввода. При расчете сопротивления индукторов каждый из них представлялся в виде параллельно включенных проводников в количестве, длиной и сечением как у реального элемента. Для оценки погрешности такого подхода в таблице 2.1 проводится сравнение измеренных и расчетных величин сопротивлений каждого элемента конструкции ВДК типа КДВА5-10-20/1600.
В таблице 2.2 приведены данные статистики измеренных значений сопротивлений исследуемых типов ВДК при замкнутых контактах в процессе производства, а также результаты расчета величин суммарного сопротивления элементов токопровода ВДК и переходного сопротивления их контактов. Таблица 2.2 - Данные измерений сопротивления ВДК, расчета величин сопротивления их токопровода и переходного сопротивления
Конструкция ВДК, а также технология изготовления деталей и их пайки в производственных условиях обеспечивают весьма малые разбросы значений как суммарного сопротивления камер при замкнутых контактах, так и сопротивления их элементов. Следовательно, имеющийся разброс величин сопротивления камер с замкнутыми контактами, приведенных в таблице 2.2, обусловлен разбросом значений переходного сопротивления, который объясняется в том числе различием площади фактического соприкосновения контактов из-за наличия локальных неоднородностей на их поверхностях [2]. Следовательно, величина переходного сопротивления контактов может достигать половины и более сопротивления ВДК при замкнутых контактах.
Согласно [2], сопряжение двух контактов происходит по площади, значительно меньшей площади рабочей поверхности самих контактов. Суммарная фактическая площадь соприкосновения увеличивается при увеличении силы поджатия и уменьшается при увеличении микротвердости материала.
Проведенный набор статистики показал, что для получения одного и того же относительного уменьшения переходного сопротивления требуется в случае ВДК типа КДВХ4-10-20/1600 двухкратное относительное увеличение усилия поджатия по сравнению с ВДК типа КДВА5-10-20/1600, а в случае ВДК типа КДВА2-10-31,5/1600 - в 3,5 раза. При этом во всех трех типах ВДК использовались идентичные материалы контактов (ХД-70). Полученный результат позволяет заключить, что величина переходного сопротивления плоских контактов в большей степени изменяется при дополнительном под-жатии, чем в случае сферических контактов. Это является свидетельством, что при сферических контактах эффективная площадь соприкосновения значительно больше, чем при плоских контактах с тем же усилием поджатия.
Данное обстоятельство может быть объяснено следующим. При плоских контактах эффективная площадь соприкосновения определяется шероховатостью поверхности и плоскостностью контактов, а также их взаимной параллельностью. При таких контактах сила поджатия перпендикулярна к их поверхности, вследствие чего имеет место незначительная пластическая деформация ее неровностей. При сферических контактах обеспечивается гарантированное их соприкосновение по внешнему краю сфер. Поскольку в этих условиях сила поджатия направлена под углом к поверхности контакта, давление в зоне соприкосновения больше усилия поджатия, что приводит к боковому сдвигу неровностей. В результате увеличивается их пластическая деформация, а, следовательно, фактическая площадь соприкосновения.
Действие других факторов, приводящих к разбросу в значениях переходного сопротивления, для плоских и сферических контактов одинаково. Это позволяет заключить, что при равных условиях в камерах со сферическими контактами после выбора оптимальных допусков на радиусы сфер можно ожидать получения меньших величин переходного сопротивления, чем в камерах с плоскими контактами.
Результаты выполненных исследований, приведенные в таблице 2.2, являются подтверждением того, что наличие индукторов в конструкции контактов увеличивает сопротивление ВДК. Действительно, по своим электрическим показателям ВДК типа КДВА5-10-20/1600 с индукторами в контактах и ВДК типа КДВХ4-10-20/1600 без индукторов одинаковы. Однако сопротивление первой из них в 1,5 раза больше сопротивления второй.
Состояние контактов ВДК испытания при малом числе циклов коммутации тока короткого замыкания
Движение электронов в пространстве между контактами ВДК с поперечным магнитным полем происходит под действием скрещенных электрического и магнитного полей, т.е. при оговоренных выше условиях аналогично тому, как в приборах магнетронного типа [21, 22]. Границу прикатодного слоя вблизи контакта ВДК, находящегося под отрицательным потенциалом, можно рассматривать в качестве «виртуального катода», а анодом является контакт, находящийся под положительным потенциалом.
Однако функционирование ВДК обеспечивается при соотношении между величинами напряжения, приложенного к ее контактами магнитной индукции и расстояния между контактами, существенно отличающемся от соответствующего соотношения в случае приборов магнетронного типа. В этих приборах эмитируемые с катода электроны достигают анода только при наличии ВЧ электрического поля. В ВДК перенос электронов между контактами осуществляется только за счет приложенного к ним напряжения. Это отличие можно проиллюстрировать при использовании «параболы критического режима», характеризующй прохождение тока между электродами магнетрона в отсутствии ВЧ колебаний [21,22]. Ее вид для магнетрона с плоскими электродами, определенный с использованием соотношения: показан на рисунке 5.1. Uaкр – анодное напряжение в критическом режиме; В – магнитная индукция; d – расстояние катод-анод; е и m – заряд и масса электрона. В критическом режиме траектория электрона, покидающего катод с нулевой скоростью, касается анода. В области значений анодного напряжения и магнитной индукции, расположенной выше «параболы критического режима», обеспечивается работа ВДК. В области, расположенной ниже параболы, работают приборы магнетронного типа. При определении траекторий электронов в ВДК с поперечным магнитным полем при слаботочной диффузной дуге, проводимом на базе решения уравнений движения, используются следующие исходные положения:
В работе [119] при определении траекторий электронов между контактами ВДК, кроме этих исходных положений, распределение магнитного поля между ними также считалось однородным. Кроме того, полагалось, что время пролета электронов в пространстве между контактами ВДК несравненно меньше периода переменного напряжения промышленной частоты, подводимого к контактам. Все это позволяло свести задачу определения траектории электрона в пространстве между контактами ВДК к аналогичной задаче для плоского магнетрона со сплошным анодом в статическом режиме [21].
144 Однако распределение между контактами магнитного поля, которое в ВДК формируется током, протекающим по индукторам, не является однородным. Так, у поверхности контактов поперечная компонента магнитной индукции максимальна, а в середине расстояния между ними – минимальна, как показано на рисунке 5.2,а.
Расчет проведен с
использованием уравнений работы [120] для продольного сечения, проходящего через середины индукторов, как показано на рисунке 5.2,б. В этом сечении изменение поперечной компоненты магнитной индукции максимально. При расчете также полагалось, что ширина индукторов равна 8 мм, а расстояние между ними равно 15 мм.
Проведенные расчеты также показали, что характер распределения поперечного магнитного поля между контактами ВДК не зависит от расстояния между ними. От этого расстояния зависит лишь отношение максимальной величины поперечной компоненты магнитной индукции (вблизи контактов) к ее минимальной величине (в середине расстояния между контактами). Данная зависимость приведена на рисунке 5.3.
Зависимость отношения максимальной величины поперечной компоненты магнитной индукции к ее минимальной величине от расстояния между контактами ВДК с поперечным магнитным полем
Исследование влияния неоднородности поперечного магнитного поля на траектории электронов между контактами ВДК проведено в работе [121]. Такое исследование предполагает использование численных методов решения уравнений их движения. С их использованием, например, проведен расчет траекторий электронов между контактами ВДК в работах [122,123]. Применение численных методов расчета одновременно позволяет обосновать возможность пренебрежения временем пролета электронами пространства между контактами (т.е. использования статического приближения) при определении траекторий электронов между контактами ВДК при диффузной форме дуги.
Условия, обеспечивающие перемещение столба сжатой дуги в межконтактном пространстве ВДК ПМП
В блоке полюса ВДК (5 на рисунке 6.10) расположены так, что сверху находятся фланцы неподвижного контакта, к которому подведены шины (3) для подключения коммутируемой цепи. Фланцы подвижных контактов ВДК блока через гибкий токопровод (6) соединены шиной (7), обеспечивающей их последовательное включение [137, 138]. Механическую прочность конструкции блока обеспечивает цилиндр (2) из стеклоэпоксифенола (ГОСТ 12496-88), к которому крепятся ВДК и шины. Пространство между ВДК и этим цилиндром для дополнительной изоляции заполняется виниполом марки В5-3 (4). Винипол представляет собой густую жидкость, которая в отличие от твердых диэлектриков имеет свойство восстанавливать электрическую прочность после пробоя. Шток механизма переключения проходит через отверстие в шине (7), соединяющей две ВДК полюса. Внешняя изоляция блока (1) изготовлена методом литья из специальной силиконовой резины. Внутренняя изоляция блока выполнена аналогичным образом.
В состав штока механизма переключения, как видно из рисунка 6.10, входят тяга (9) из диэлектрического материала, обеспечивающего электрическую прочность при переменном напряжении 230 кВ, и узел поджатия (8). За счет этого узла при соприкосновении контактов ВДК при подстройке соответствующих элементов механизма переключения достигается дополнительное поджатие, равное 300 Н. Эта величина выбрана с учетом обеспечения требуемого переходного сопротивления камеры при износе контактов ВДК, равном 3 мм, который допускается при эксплуатации выключателя.
В полюсе используется ВДК типа КДВ-60-31,5/2000, разработанная ГУП «ВЭИ» (г. Москва) совместно с ОАО «НПП «Контакт» (г. Саратов).
Переход ное сопротивление при поджатии 2600 Н не превышает 23 мкОм (с учетом износа контактов 3 мм).
Особенность конструкции узла изоляционного корпуса ВДК состоит в том, что в нем используется четыре керамических втулки, между которыми впаяны держатели экранов. Таким образом, введены два дополнительных экрана (1 и 2 на рисунке 6.11). Такое решение направлено на увеличения надежности защиты поверхности керамики от напыления материала контактов.
Как отмечалось, конструкция узлов контактов ВДК КДВ-60-31,5/2000 камеры содержит индукторы, обеспечивающие создание аксиального магнитного поля. При таком поле в широком интервале значений токов дуга пребывает в диффузном состоянии. Поскольку интервалу токов соответствует пологий участок вольт-амперной характеристики вакуумной дуги, увеличивается вероятность получения идентичности режимов последовательно включенных камер при отключении токов короткого замыкания, что важно для увеличения ресурса полюса при коммутации таких токов.
Следует отметить, что в [128] также отдается предпочтению ВДК с аксиальным магнитным полем при создании выключателей с двумя разрывами.
Общий вид разработанного ОАО «НПП «Контакт» первого отечественного вакуумного трехфазного двухразрывного выключателя ВБП-110 111 УХЛ1 наружней установки на напряжение 110 кВ, в котором используется последовательное соединение двух ВДК, представлен на рисунке 6.13 [137,138]. Схема конструкции выключателя с указанием его основных габаритов приведена на рисунке 6.14. На эту конструкцию получен патент на полезную модель [139].
Основными составляющими выключателя являются три полюса, в состав каждого из которых входят две ВДК, механизм переключения, с помощью которого осуществляется замыкание и размыкание контактов всех ВДК, и пружинный привод. Механизм переключения является передающим звеном между приводом и подвижными контактами шести ВДК выключателя. Полюса (1 на рисунке 6.14) установлены на корпусе механизма
191 переключения (2), под которым установлен шкаф привода (3). Несущей частью выключателя является корпус механизма переключения, который, как видно из рисунка 6.13, установлен на опорах. В этом корпусе также размещены плата управления и счетчик числа операций, подогревательные устройства, в том числе и антиконденсантное.
Действие приводного механизма переключения происходит следующим образом. При подаче на выключатель напряжения происходит автоматический завод приводного механизма, а при подаче после этого команды на включение этот механизм за счет энергии, запасенной пружинами при заводе, через тяговые изоляторы осуществляет замыкание контактов ВДК. Одновременно происходит сжатие пружин поджатия, находящихся в каждом тяговом изоляторе, а также пружин выключения механизма переключения, которые запасают энергию для выполнения операции выключения. Когда подается команда на отключение, за счет энергии пружин поджатия тяговых изоляторов и пружин отключения механизма переключения происходит размыкание контактов ВДК. Демпферы механизма поглощают избыточную кинетическую энергию движущихся элементов в конце их хода.
Как видно из рисунков 6.13 и 6.14, в выключателе полюс состоит из двух блоков, каждый из которых содержит ВДК и тяговый изолятор. Блоки установлены вертикально. Такое расположение блоков имеет ряд преиму ществ перед горизонтальным расположением, когда блоки полюса крепятся к одному опорному изолятору. При горизонтальном расположении блоков в полюсе штоки, посредством которых осуществляется перемещение подвижных контактов ВДК, также расположены горизонтально. В результате создается консольная система, при которой может нарушаться параллельность соприкосновения рабочих поверхностей контактов при их замыкании, а тем самым может увеличиться величина сопротивления ВДК в таком состоянии. Для исключения этого эффекта должны применяться специальные конструктивные меры. Выбор вертикального варианта конструкции определялся тем, что при таком решении штоки в полюсе не создают консоль, а, следовательно, не нарушается параллельность рабочих поверхностей контактов ВДК, поскольку направление силы поджима нормально к этим поверхностям