УДК 621.316.542-186.2.621.3.064.42
ВАКУУМНЫЕ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ С ВЫСОКИМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ
В. А. ВОЗДВИЖЕНСКИЙ
ВЭИ им. В. И. Ленина, канд. техн. наук
Известно, что вакуумные дугогасительные камеры (ВДК), благодаря малому ходу контактов и их небольшой массе, позволяют достигнуть высокого быстродействия в коммутационных аппаратах, построенных на их основе. Лучшие типы вакуумных выключателей имеют собственное время отключения и время размыкания контактов порядка 0,01 с. Однако в ряде случаев, например, при создании синхронных выключателей или быстром отключении постоянного тока, требуется быстродействие еще на порядок выше: собственное время отключения менее 0,5-10_3 с и время движения контактов меньше 1-10— 3 с. Успехи, достигнутые в разработке быстродействующих индукционнодинамических приводов, позволяют получить требуемое быстродействие, но сама традиционная конструкция ВДК препятствует этому в силу малой механической
прочности подвижного контакта. Из серийно выпускаемых в СССР ВДК только на камере типа КДВ-21 с вольфрамовыми контактами удается достигнуть полного времени отключения 1,3—1,5 мс в целях с напряжением 6—10 кВ без разрушения подвижного контакта, однако ее предельно отключаемый ток, равный 2 кА, и длительно пропускаемый 320 А слишком малы для применения в мощных выключателях. Более сильноточные камеры типа КДВ10-1600/20 [1] имеют сложную контактную систему, которая начинает разрушаться при времени отключения менее 4—5 мс.
Общим недостатком всех выпускаемых в настоящее время ВДК с точки зрения повышения быстродействия является то, что подвижный контакт перемещается вместе с токоподводом, изготовленным из мягкой отожженной меди, причем длина подвижного токоподвода определяется габаритами камеры, сильфонного узла и необходимостью подсоединения внешнего токосъема, а его сечение зависит от длительно пропускаемого тока. Расчеты показывают, что в такой конструкции ВДК быстродействие не может быть увеличено сверх (1—5) -10 3 с. Наиболее подходящей с точки зрения получения высоких скоростей отключения является мостиковая конструкция контактов, когда перемычка замыкает два неподвижных токоподвода. В этом случае длина перемычки может быть сравнима с длиной вакуумного промежутка, составляющего 5—10 мм, что значительно меньше длины токоподводов, равной 150—200 мм. На перемычку можно непосредственно воздействовать магнитным полем ИДП, или перемещать ее с помощью тяги, которая не выполняет функций токоподвода, а потому может изготавливаться из легких и прочных конструкционных материалов. Нами были опробованы оба направления.
На рис. 1 схематически показана конструкция контактного узла ВДК с подвижной перемычкой, на которую непосредственно воздействует магнитное поле индуктора ИДП (2]. Дисковая перемычка 1 замыкает два розеточных неподвижных токоподвода — внутренний 2 и внешний 3, между которыми она зажата за счет упругости нажимных пружин 4. Под дисковой перемычкой расположен индуктор ИДП-5, помещенный в изоляцию 6.
Рис 1. Конструкция контактного узла ВДК с дисковой перемычкой
При разряде конденсатора на выводы индуктора дисковая перемычка перемещается вверх в положение 7, обеспечивая разрыв цепи.
Рассмотрим несколько подробнее особенности теплового режима подвижной перемычки. В данной конструкции перемычка нагревается тепловыми потоками от двух розеточных контактов и активными потерями в самой перемычке. Тепло от нее передается только через контакты в токоподводы, так как конвективные потери в вакууме отсутствуют, а тепловое излучение чистых металлов также невелико и им можно пренебречь.
На основании сказанного можно составить тепловой баланс перемычки в вакууме
(1)
где RK — переходное контактное сопротивление; R„ — сопротивление перемычки; RT — тепловое контактное сопротивление; Тп, Τт — температура перемычки и токоподводов.
По аналогии между тепловым и электрическим контактными сопротивлениями, предложенной Р. Хольмом [3], где λ — теплопроводность; q — удельное электросопротивление.
Из (1) и (2) получим допустимое сопротивление перемычки
(3)
где
Из (3) видно, что при заданных значениях температур и тока данное соотношение удовлетворяется лишь при RK< √а. Таким образом, как и в случае обычного контакта, нагрев перемычки в вакууме определяется в основном переходным сопротивлением RK и дополнительным условием (3).
Авторами применялись перемычка с сопротивлением Rп=4-10_в Ом и соотношение (3), при ΔТ=30°, ρλ=6,6·10~6 Ом-Вт/°С RK= 10-5 Ом выполнялось при токе 1680 А, что соответствует мощным коммутационным аппаратам. При этом масса перемычки составляла 20 г, что на два порядка меньше массы подвижного контакта в традиционных контактных системах. Отсюда и скорости отключения при тех же энергозатратах возрастают в десятки раз. На рис. 2 приведена кривая перемещения перемычки при отключении, полученная по результатам скоростной киносъемки. Эксперименты проводились в разборной ВДК при разряжении 10-3—10-4 Па.
Из рис. 2 видно, что при питающем конденсаторе энергоемкостью 450 Дж скорость перемычки в конце ускорения достигает 83 м/с и расстояние 10 мм перемычка проходит за 170 мкс с момента включения конденсатора на индуктор.
Рис. 2. Динамические характеристики контактной системы ВДК с дисковой перемычкой при отключении:
1 — перемещение дисковой перемычки; 2 — скорость перемещения; 3 — ток в индукторе ИДП
Рис. 3. Осциллограмма роста электрической прочности при отключении без тока, т1= 50 мкс/дел.:
1 — ток в индукторе ИДП; т1= 3 кА/дел.; 2 — электрическая прочность mu= 10 кВ/дел.
В ходе дальнейших экспериментов было, однако, выяснено, что скорость набора электрической прочности этой контактной системой при отключении не соответствует высокой скорости перемещения перемычки.
Осциллограмма роста электрической прочности контактной системы во время отключения, снятая путем приложения задержанных импульсов высокого напряжения, приведена на рис. 3, откуда видно, что в течение первых 170 мкс электрическая прочность равна нулю, хотя из рис. 2 следует, что к этому моменту перемычка вышла из контактов минимум на 2 мм. Затем, несмотря на быстрый рост промежутка, он продолжает хаотически пробиваться иа всем протяжении съемки, длившейся 500 мкс, что делает данную контактную систему непригодной для использования в быстродействующем коммутационном аппарате. Такой результат был объяснен двумя основными причинами.
Во-первых, наличием сильного магнитного поля от индуктора ИДП в коммутируемом вакуумном промежутке. По оценкам магнитное поле достигает 5— 6 Тл, что приводит к сильному замагничиванию электронов, значительному удлинению их траекторий и соответствующему увеличению ионизирующей способности. Этот эффект был проверен прямыми опытами, путем подачи тока в индуктор при отключенной перемычке и постоянно приложенном напряжении 10 кВ. При этом возникал пробой вакуумного промежутка при давлении 10~2 Па или вспышка несамостоятельного разряда при более глубоком разряжении.
Второй причиной, сильно снижающей электрическую прочность, является присутствие значительного количества мелких металлических частиц в вакуумном промежутке, появляющихся при высокоскоростном трении перемычки о ламели розеточного контакта во время отключения.
Появление металлических частиц размером 10_1 — 10-4 см с острыми краями приводит к хаотическим пробоям контактной системы даже спустя значительное время после окончания движения перемычки. Этот эффект, кроме того, резко усиливается при токовой нагрузке, превышающей несколько килоампер. Возможно, что в случае применения другой изолирующей среды — сжатого воздуха или элегаза, оба эти эффекта не смогли бы проявиться, но для вакуума пришлось внести значительные изменения в конструкцию контактной системы.
Рис. 4. Конструкция контактного узла ВДК С конусной перемычкой и тягой от ИДП
На рис. 4 приведена другая конструкция контактной системы 5, в которой были устранены перечисленные причины снижения электрической прочности: индуктор ИДП вынесен за пределы вакуумного объема, а скользящие розеточные контакты заменены торцевыми с целью исключения трения в вакууме. Контактная система представляла собой два токоподвода 1 и 2, замкнутых подвижной перемычкой 3. Перемещение перемычки вдоль оси токоподводов происходит под действием тяги 4, с которой связан якорь ИДП. Токоподводы имеют возможность незначительно перемещаться вдоль оси с целью обеспечения их надежного замыкания подвижной перемычкой. Обработка контактов и разряжение были те же, что и для первой контактной системы. Перемычка изготавливалась из сплава на основе меди, тяга и якорь ИДП — из дюралюминия Д16Т, вакуумное уплотнение подвижных частей осуществлялось сильфоном из нержавеющей стали. Суммарная масса подвижных деталей составляла 70—80 г, что значительно превышало массу подвижных деталей в конструкции на рис. 1, но все же позволяло получить довольно высокие скорости отключения.
Рис. 5. Осциллограмма движения и роста электрической прочности контактной системы ВДК с конусной перемычкой при отключении без тока, т, = 30 мкс/дел.:
1— ток в индукторе ИДП, т— 2,3 кА/дел.; 2 — изменение зазора между перемычкой 3 и контактом 1 (рис. 4), тх = 1 мм/дел.; 3 — электрическая прочность, тu— 10 кВ/дел
На кривой перемещения заметны колебания, которые, по-видимому, связаны с волновыми процессами в тяге.
В этой конструкции удалось получить очень быстрое нарастание электрической прочности во время отключения. На рис. 5 показан рост электрической прочности при отключении, из которого следует, что собственное время отключения составляет около 60 мкс, после чего электрическая прочность достигает 30 кВ за 50—100 мкс без повторных пробоев. Такая характеристика делает данную конструкцию перспективной для быстрого отключения высоковольтных цепей.
Мы не будем останавливаться на многочисленных конструктивных проблемах, связанных с торможением, остановкой и обеспечением требуемого контактного нажатия подвижных деталей, перемещающихся с высокой скоростью. Отметим лишь специфическую для ВДК особенность — необходимость вакуумного уплотнения быстроперемещающихся деталей. Эта задача пока не может считаться решенной из-за отсутствия специальных скоростных сильфонов. Некоторые аспекты этой проблемы рассмотрены в приложении.
ВЫВОДЫ
- Возможно создание механических высоковольтных коммутационных аппаратов напряжением 10— 30 кВ с номинальными токами до нескольких килоампер, имеющих собственное время отключения 50—70 мкс и время набора электрической прочности 50—100 мкс.
- В быстродействующих контактных системах, работающих при разряжении 10-3—10-2 Па, необходимо исключить воздействие сильных магнитных полей на вакуумный промежуток.
- Трение в вакууме, особенно при токовой нагрузке трущихся деталей, приводит к появлению большого количества металлических частиц, которые, попадая в вакуумный промежуток, вызывают его пробой.
