Початок arrow Архів arrow Повторные пробои вакуумных дугогасительных камер

Повторные пробои вакуумных дугогасительных камер

Перцев А.А., Рыльская Л.А.

Повторным пробоям (далее - пробоям) вакуумных дугогасительных камер (далее - камер) посвящены публикации и др. В них приведены результаты исследований физической природы и закономерностей возникновения пробоев. Показано, что пробои инициируются частицами субмиллиметровых размеров - макрочастицами, образующимися в результате эрозии контактов.
Процесс инициации согласно [4] состоит в том, что при подлете положительно заряженной макрочастицы к контакту, находящемуся под отрицательным потенциалом, между ними возникает искровой разряд, переходящий в пробой всего межконтактного промежутка при достаточной в нем напряженности электрического поля. Закономерности возникновения пробоев изучены при работе камер в электрических цепях промышленной частоты, однако камеры находят применение также для коммутации цепей постоянного тока.
Отключение камерой постоянного тока, превышающего ток среза, оказывается возможным при принудительном переводе его через нулевое значение наложением импульсов вспомогательного тока противоположного направления. После отключения тока на камере восстанавливается напряжение постоянного тока, и в случае достаточного его значения также могут возникнуть пробои. Отрицательные последствия их возникновения могут быть более опасными, нежели при пробоях при напряжении переменного тока. Если пробой камеры в цепи переменного тока приведет в худшем случае к протеканию в течение полупериода тока промышленной частоты, который прерывается пробившейся камерой при первом же естественном переходе тока через нулевое значение, то при пробое в цепи постоянного тока для прерывания последнего необходимо осуществить искусственный перевод его через нулевое значение. Задержка с прерыванием тока может привести к полному отказу камеры и развитию аварийных процессов в коммутируемой цепи.

Публикации, посвященные сопоставлению числа пробоев камер при восстанавливающихся напряжениях постоянного и переменного тока до настоящего времени не известны, хотя они были бы полезны в связи с расширением области применения вакуумных выключателей. Восполнение этого пробела и является основной целью статьи.
Эксперименты были выполнены с выпускаемыми промышленностью камерами на напряжение 35 кВ [5]. Их контакты изготовлены из металлокерамики на основе хрома и меди. Межконтактный промежуток d в одних опытах составлял 7-8 мм, в других 14-15 мм. Число пробоев при напряжении постоянного тока определялось при работе камеры в LC-контуре с резонансной частотой 50 Гц, подобном описанному в [6]. Число пробоев за одну операцию отключения могло быть более единицы, поскольку протекание тока в результате пробоя приводило к перезаряду емкости контура со снижением напряжения не более чем на 10%. Часть опытов выполнена при напряжении промышленной частоты при действующем значении U=48-50 кВ. В этом случае камерой отключался ток в индуктивной цепи, питаемой от машинного генератора. Пробои фиксировались осциллографически в течение 0,3 с после прерывания тока. Помимо регистрации факта пробоя при напряжении переменного тока, определялась фаза его возникновения. Распределение по фазе 85 пробоев, произошедших в различные полупериоды, но отнесенных к одному, представлено на рис. 1. Здесь учтены пробои, возникшие не только в стадии нормальной работы камеры, когда получен основной материал для анализа, но и пробои в стадии приработки [7]. Из рис. 1 следует, что при d= 14 мм мгновенное значение пробивного напряжения ниже U =25 кВ не наблюдалось.

При этом значении напряжения напряженность электрического поля на поверхности контактов в местах наибольшей концентрации при коэффициенте неоднородности к, обусловленном формой контактов и равном 1,4, составляет Е =2,5 кВ/мм. Из рис. 1 также видно, что распределение пробоев по фазе несимметрично. В левых половинах полуперио- дов произошло 46 пробоев, в правых - 39. Некоторое уменьшение числа пробоев в правых половинах объясняется экспоненциальным уменьшением с постоянной порядка 0,1 с числа макрочастиц в межконтактном промежутке, образовавшихся в результате очередной операции отключения [1].
Результаты испытаний приведены в таблице.
Сопоставление данных для 50 кВ указывает на существенное превышение числа пробоев при напряжении постоянного тока над их числом при напряжении переменного тока. И это при равенстве действующих значений напряжения ([/= 50 кВ), когда напряженность поля на контактах при напряжении переменного тока в л/2 раз больше, чем постоянного. Отношение среднего числа пробоев при переходе с переменного на постоянный ток растет с d. Если при <#=7-8 мм число пробоев возросло в 1,6 раза, то при d= 14-15 мм оно повысилось в 2,8 раза.


Рис. 1. Распределение повторных пробоев по фазе восстанавливающегося напряжения при длине межконтактного промежутка d= 14 мм: 1 -распределение повторных пробоев, общее число пробоев 85; 2 - полупериод восстанавливающегося напряжения, амплитуда 68 кВ.


Рис. 2. Движение сферической частицы в электрическом поле плоскопараллельного промежутка (U=44 кВ, 50 Гц; d=15 мм; диаметр макрочастицы 0,1 мм; плотность 8000 кг/м3; коэффициент отражения скорости при ударе 0,4; Н=0 - позиция нижнего электрода; Н=15 - позиция верхнего электрода; g - направление силы тяжести):
1 - изменение во времени потенциала нижнего электрода; 2 - график движения макрочастицы; стрелками указаны подлеты макрочастицы к отрицательному электроду, чреватые пробоем промежутка; фаза первого старта 10 град, эл.; начальника скорость 0,3 м/с.

Показать физическую природу и дать количественную оценку роста среднего числа пробоев при переходе с переменного на постоянный ток можно на следующем примере. Возникновение пробоя при переменном токе возможно при выполнении следующих условий: первое - подлет макрочастицы к контакту, находящемуся под отрицательным потенциалом; второе - мгновенное значение напряжения на промежутке равно или больше U (рис. 1); третье

  1. заряд макрочастиц не должен быть существенно отрицательным.

На рис. 2 приведен результат моделирования графика движения одной из макрочастиц в однородном электрическом поле при значениях d и U, близких к имеющим место в эксперименте. Из 20 полетов макрочастицы лишь четыре удовлетворяли перечисленным условиям (полеты 2, 7, 10 и 18). Они могли бы завершиться пробоем промежутка. В 16 же случаях полеты были «неудачными», так как завершились при U<U или на положительном электроде, или, как в полетах 8 и 15, макрочастица несла отрицательный заряд, поскольку ее старт перед этими полетами произошел с отрицательного электрода при существенной разности потенциалов на промежутке. В итоге макрочастицей в среднем инициировался бы один пробой за пять полетов. Подобным образом будут происходить «удачные» и «неудачные» полеты и других макрочастиц.
График движения макрочастиц в поле постоянного тока значительно более прост, чем представленный на рис. 2. Если при переменном токе ускорение частицы может быть как положительным, так и отрицательным, и макрочастица не всегда достигает противоположного электрода, то при постоянном токе она движется равноускоренно, изменяя направление движения на противоположное лишь после удара об электрод. Пробой с вероятностью, близкой к единице, возникает при перелете макрочастицы с положительного на отрицательный электрод при том непременном условии, что напряжение на промежутке превышает по крайней мере на несколько процентов значение Umm [8]. Перелет макрочастицы в противоположном направлении не ведет к пробою даже при существенно большем напряжении.

Таким образом, при постоянном токе при многократных перелетах макрочастицы происходит один пробой за каждую пару перелетов вместо одного пробоя за пять полетов при переменном токе. Следовательно, можно ожидать, что переход с переменного на постоянный ток в данном случае (d= 14 мм, £7=50 кВ) приведет к росту числа пробоев в 2,5 раза. В эксперименте (таблица) рост составил 2,8 раза, что соответствует расчетной оценке. Отметим, что она не претерпевает существенных изменений, если учесть, что в межконтактном промежутке камеры каждая из макрочастиц совершает не десятки, а лишь несколько полетов, поскольку либо вылетает за пределы промежутка, либо приваривается к контакту [9]. Итак, отсутствие на постоянном токе фазовых ограничений для «благоприятных» старта и финиша макрочастиц приводит к существенному возрастанию числа пробоев по сравнению с переменным током.


сi, мм

Среднее число пробоев при одном отключении при восстанавливающемся напряжении постоянного и переменного тока., равном (кВ)

25 (=)

50  (=)

50(~)

7-8

0,8

1.1

0,7

 

(84)

(30)

(51)

14-15

1,1

0,4

 

 

(67)

(30)

Примечание. В скобках указано число отключений.
Из таблицы также видно принципиальное различие в изменении числа пробоев на переменном и постоянном токе при вариациях длины межконтактного промежутка, а следовательно, и напряженности электрического поля. Двукратное при неизменном U уменьшение d и соответственно увеличение Е в 1,6 раза (коэффициент неоднородности электрического поля к при этом уменьшился с 1,4 до 1,1) при переменном токе привело к росту среднего числа пробоев с 0,4 до 0,7 (таблица). При постоянном токе в аналогичной ситуации число пробоев не изменилось и осталось на уровне 1,1. Лишь при снижении Е в два раза за счет уменьшения напряжения с 50 до 25 кВ отмечено снижение числа пробоев с 1,1 до 0,8.
Графики зависимостей среднего числа пробоев т от напряженности поля на контактах в местах ее максимума представлены на рис. 3. При Е<Ехтп пробои не возникают, т=0. При постоянном токе и увеличении напряженности от Е до кЕ число пробоев растет от т—0 до т=то (участок АВ кривой 1). Рост m на участке Е <Е<кЕ  обусловлен увеличением активной площади контактов, на которой Е>Етт. Дальнейшее увеличение напряженности вплоть до Е=Е 1ч не изменяет среднего числа пробоев (участок ВС - «плато»), поскольку при этом существенно не меняются ни активная площадь, ни число макрочастиц, инициирующих пробои. Плато характеризует отмеченную при анализе таблицы независимость т от Е. При Е>Е активизируются более «высоковольтные» механизмы инициации пробоев и начинается крутой подъем функции т(Е) (участок CD). Для обследуемых камер Е = 10 кВ/мм [6].
При переменном токе, как отмечено выше, сохраняется пропорциональность между т и Е. Графически чисто качественно функция т(Е) может быть изображена кривой 2 на рис. 3. Участки АЕ и FG аналогичны соответствующим участкам кривой 1 и обусловлены теми же причинами. Принципиальное различие форм кривых состоит в отсутствии плато на графике 2 и обусловлено распределением подлетающих к отрицательному контакту макрочастиц по значениям поверхностной плотности зарядов o=Q/S (здесь Q - заряд, получаемый макрочастицей при старте; S - площадь ее поверхности).
В первом случае (кривая 1) макрочастицы, стартуя с положительного контакта, несут положительный заряд, причем поверхностная плотность заряда от макрочастицы к макрочастице изменяется в относительно узких пределах. Для сферических макрочастиц отношение плотностей не превышает к. Обычно на поверхности контактов &= 1,1-1,5. Если напряженность на активной части контактов в местах наибольшей концентрации поля достигла значения Е=кЕ , то каждая из макрочастиц размером более 0,1 мм при подлете к отрицательному контакту вызовет пробой промежутка, и дальнейшее увеличение Е выше кЕ , как уже отмечалось, не ведет к росту среднего числа пробоев.
В случае же переменного тока, как было показано выше, старт макрочастицы может произойти в любой фазе (за счет частичного сохранения скорости при отражении от контакта возможен полет даже незаряженной частицы). В результате к отрицательному в данном полупериоде контакту подлетают макрочастицы, несущие поверхностные заряды с непрерывным спектром плотностей от +Go до - Go (здесь Go - поверхностная плотность заряда макрочастицы, стартовавшей в момент максимума напряжения с участка контакта с наибольшей Е). Наклонный участок EF (рис. 3) отражает тот факт, что с ростом Е увеличивается число макрочастиц, способных к инициации пробоя. Если при Е=Етхп инициация пробоя могла произойти лишь за счет макрочастиц с плотностью заряда о—+Оо, то по мере увеличения Е все большее число макрочастиц, стартующих при мгновенном значении напряжения ниже амплитудного и с участков контакта со сниженной напряженностью поля, обретают способность инициировать пробой промежутка. Даже макрочастицы, не несущие избыточного заряда, могут вызвать пробой промежутка, но для этого необходимо увеличить напряженность до значения Е=2Етт [10]. При этом необходимая напряженность в зазоре между макрочастицей и контактом достигается за счет поляризации свободных зарядов макрочастицы. Если же макрочастица несет существенный отрицательный заряд, то увеличение напряженности на отрицательном контакте даже до значения Е=Етах не приведет к условиям, когда искровой разряд между макрочастицей и контактом инициирует пробой промежутка.

Рис. 3. Среднее число пробоев т за одно отключение в зависимости от напряженности Е на контактах в местах ее максимума: 1 - постоянный ток; 2 - переменный ток.
Таким образом, для части макрочастиц их финиш на отрицательном контакте закончится без инициации пробоя. Подчеркнем вытекающее из принципиального различия форм кривых 1 и 2 на рис. 3 важное положение о зависимости вида функции т(Е) от формы восстанавливающегося напряжения.
Из сопоставления кривых 1 и 2 на рис.

  1. можно сделать следующие выводы.
  2. Работа камеры при напряженности на контактах Е>Е чревата возникновением повторных пробоев. При постоянном токе число пробоев может быть в несколько раз больше, чем при переменном, причем отношение числа пробоев растет с расстоянием между контактами, то есть с уменьшением Е от Е до кЕ .
  3. Испытания камер на возникновение повторных пробоев целесообразно выполнять при восстанавливающемся напряжении постоянного тока. При этом более достоверные результаты достигаются не только благодаря получению большего объема статистического материала, чем при переменном токе, но также из-за отсутствия существенного влияния на число пробоев длины межконтактного промежутка и значения испытательного напряжения при условии, что напряженность на контактах не выходит за границы плато.
  4. Для исключения пробоев необходим режим работы камеры, когда напряженность на контактах под действием восстанавливающегося напряжения не превышает значения Е , что возможно при заданном напряжении на выключателе за счет увеличения межконтактного промежутка. При этом, однако, необходимо учитывать возможность снижения механической износостойкости камеры и ряд других обстоятельств.

Список литературы

  1. Перцев А. А., Гусева Л.Г., Рыльская Л. А. Вакуумные дугогасительные камеры для выключателей 35 и 100 кВ. - В кн.: Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. М.: Информэлектро, 1981, вып. 8.
  2. РыльскаяЛ.А., Перцев А.А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока. - Электротехника, 1985, № 1.
  3. Вегпаиег С., Kny Е., Rieder W. Restrikes in vacuum circuit-breakers within nine seconds after current interruption. - XIVISDEIV, Santa Fe, New Mexico, USA, Sept. 1990, pp. 512-516.
  4. Олендзская Н.Ф. Пробой вакуумного промежутка при переносе между электродами проводящих частиц. - Радиотехника и электроника, 1963, т. VIII.
  5. Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные Всесоюзным электротехническим институтом им. В.И. Ленина / Г.С. Белкин, И. А. Лукацкая, А.А. Перцев и др. - Электротехника, 1991,№ 12.
  6. Перцев А.А., Рыльская Л.А., Чулков В.В. Повторные пробои двух соединенных последовательно вакуумных дугогасительных камер. - Электричество, 1991, № 3.
  7. Перцев А.А., Рыльская Л.А. Частота повторных пробоев в начальной стадии эксплуатации вакуумных ду го гасительных камер. - Электротехника, 1991, № 7.
  8. Поьиехонов П.В., Погорельский М.М. Инициирование вакуумного пробоя металлическими частицами. - ЖТФ, 1969, т. XXXXIX, вып. 6.
  9. Пошехонов П.В., Соловьев В.И. Возникновение вакуумного пробоя на импульсном напряжении при отрыве макрочастицы от поверхности электрода. - Радиотехника и электроника, 1971, №9.
  10. Мартынов Е.П., Иванов В.А. Микроразряд проводящих частиц и пробой вакуумного промежутка. - Радиотехника и электроника, 1969, №11.
 
< О двухпараметричности критерия пробоев, инициируемых макрочастицами в вакууме   Пробой межэкранных промежутков вакуумных дугогасительных камер >