Электрическая прочность новой вакуумной дугогасительной камеры

Рыльская Л.А.

На основании экспериментального определения пробивных напряжений и осциллографирования пробоев показано, что можно прогнозировать и возможность пробоя секций вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в вакууме и определять место пробоев. Для этого необходимо знать значения электростатических макронапряженностей в потенциальных местах инициирования пробоев в секциях ВДК при прикладываемых значениях напряжения и значения пробивных макронапряженностей для этих мест. Показано, что местом пробоев секций ВДК является место их «комбинированных» пробоев, а пробивные значения макронапряженностей в месте их инициирования равны 9-12,9 кВ/мм.
Изоляционный корпус высоковольтных (на напряжение более 10 кВ промышленной частоты) вакуумных дугогасительных камер (ВДК) с целью достижения его большей электрической прочности, как правило, делают секционированным. Секции ВДК относятся к электродным системам с экранированным изолятором. Изучению условий и закономерностей возникновения пробоев последних посвящен ряд работ, из которых наиболее близкими применительно к секциям ВДК являются [1,2]. Однако в ВДК у пробоев секций могут быть свои особенности. Кроме того, в результате эксплуатации ВДК электрическая прочность секций может претерпеть изменения [3]. При этом, чтобы лучше понять суть происшедших изменений, необходимо иметь возможно более полное представление об электрической прочности секций ВДК в ее исходном состоянии. Все это и послужило основанием для выбора в качестве цели настоящей работы исследования электрической прочности секций у новой ВДК до выработки ею электрического ресурса.
Объект испытаний. Испытания выполнены на макете новой, т.е. сразу после изготовления, четырехсекционной ВДК на напряжение 35 кВ, 20 кА, 1250 А (рис. 1). Макет имел размеры контактной системы и изоляторов секций корпуса, свойственные серийным камерам на эти параметры разработки ВЭИ, и экспериментальные экраны. Отметим, что наружная изоляция исследуемого макета ВДК усилена, поскольку предварительными испытаниями и на серийных камерах на 35 кВ, и на макете установлено, что при ее отсутствии пробои всех секций подобных камер происходили в основном снаружи.

Исследовательская установка и схема измерений. В качестве испытательного напряжения избран стандартный грозовой импульс. Исходили из того, что для ВДК требования по электрической прочности при напряжении стандартного грозового импульса являются наиболее высокими.

Рис. 1. Компьютерная модель исследуемого макета ВДК:
I-IV- нумерация секций; 1 -токоподвод и неподвижный контакт; 2 -токоподвод и подвижный контакт; 3 - центральный экран; 4, 5 - промежуточные экраны; 6, 7 - торцевые экраны; 8 - изоляторы из керамики АЦОг Штрихи на поверхностях элементов конструкции ВДК соответствуют расположению точек, в которых определяются напряженности электростатического поля. Материал экранов 3-7 бескислородная медь. Размеры указаны в миллиметрах.
Испытания выполнены на установке «Генератор импульсных напряжений (ГИН) 500» фирмы TUR. Параметры импульса ГИН (максимальное значение, форма волны напряжения и временные параметры пробоя) определялись с помощью входящих в состав установки делителя напряжения, цифрового пик-вольтметра MU9/MUT9 и двухлучевого осциллографа ОВ-1. В отдельных случаях, кроме напряжения с помощью шунта производилось также осциллографирование тока.
Для испытания на электрическую прочность избранной секции (рис. 2,3) все другие секции, за исключением испытуемой, закорачивались через наружные выводы экранов, а выводы экранов испытуемой секции соединялись один с заземленным торцом ВДК, а другой с присоединенным к ГИН. В результате напряжение прикладывалось к незакороченной секции и к меж- контактному промежутку ВДК, контакты которой при этом разведены на номинальное для данной камеры расстояние, при котором пробивное напряжение между ними превышало 200 кВ. Последнее обеспечивало право относить все происходящие при этой схеме соединений пробои исключительно к пробоям испытуемой секции. Возникновение пробоя во всех случаях фиксировалось показаниями осциллографа. В тех случаях, когда пробои секции происходили снаружи, их определяли и по звуку, который был существенно более громким по сравнению с тем, когда пробой происходил в вакууме, и визуально по свечению канала разряда, сопровождавшему наружное перекрытие. При этом наружные пробои только по виду осциллограмм в первом приближении были не отличимы от пробоев, происходивших в вакууме. Поэтому при испытаниях всегда велось наблюдение за возникновением наружных пробоев, и на фотографиях по номеру кадра всегда наружные пробои можно было отделить от тех, которые происходили в вакууме.

Методика испытаний. Испытания проводились в следующей последовательности. Напряжение к испытуемой секции прикладывалось ступенями от первоначального сравнительно низкого уровня, при котором не ожидалось пробоев. Напряжение текущей ступени считалось выдерживаемым, если 7 импульсов подряд сразу или после тренировки, но не более чем 21 импульсом этой ступени, были без пробоев. Если после 21 импульса пробои возникали, напряжение этой ступени принималось за пробивное. Фотографировались пробои при минимальном пробивном напряжении и при повышаемых ступенями напряжениях. Испытания проводились при импульсах напряжения обеих полярностей.
Результаты испытаний. В качестве примера на рис. 2 представлены осциллограммы пробоев секции I. На рис. 2,а показаны:

1. эскиз секции I, а также места, обозначенные цифрами 1-6, которые в электродных системах с экранированным изолятором являются потенциальными местами инициирования пробоев [2], и места пробоев, обозначенные буквами Б и В, соответствующие осциллограммам пробоев с такими же индексами на рис. 2,6.

На рис. 2,б,в представлены:

1. схема соединений при испытаниях и полярность испытательного импульса напряжения от ГИН;
2. макронапряженности электростатического поля Е в местах 1-6 рис. 2,а при напряжении между экранами 100 кВ (знак при значениях напряженностей Et соответствует полярности при испытаниях экрана, на котором эти места расположены; знак минус соответствует случаю, когда указанный экран оказывается катодом, а плюс - случаю, когда такой экран оказывается анодом);
3. значение пробивного напряжения секции £/ , определенное по описанной в статье методике;
4. осциллограммы напряжения при различных значениях испытательного напряжения, при схеме соединений настоящего испытательного стенда отклонение луча осциллографа на осциллограммах при плюсовой полярности импульсов ГИН происходит вниз, а при импульсах минусовой полярности - вверх).

На осциллограммах приведены максимальные значения напряжения импульсов по показаниям пик-вольтметра. Буквы рядом с ними обозначают, соответственно, либо отсутствие пробоя (в - волна), либо что пробой произошел внутри ВДК (вн), либо что он наружный (нар). На рис. 2,6 буквами А, Б и В обозначены выделенные нами в качестве примера варианты видов спада напряжения при пробоях, с которыми в дальнейшем сопоставлялись все другие случаи пробоев.
Расчет электростатического поля ВДК для определения напряженностей Е' производился по программе AXIAL

[4]. Экранам секций присваивался потенциал того контакта, к выводам которого согласно представленной на рис. 2 схеме соединений они были присоединены. Выбор напряжения 100 кВ в качестве базового значения напряжения на ВДК и тем самым на испытуемой секции для представления абсолютных значений напряженностей в потенциальных местах инициирования пробоев позволяет легко подсчитывать значения напряженностей в этих же местах при пробивных напряжениях простым умножением расчетного значения напряженности на коэффициент к= U /100.

Итак, из рис. 2,6 видно, что форма спада напряжения при пробоях не одинакова и в данном случае имеет 3 вида:

1. один (А), отличается резким (с изломом) изменением кривой напряжения в начале его спада, продолжением этого спада с равномерной скоростью без изломов до первого перехода напряжения через нулевое значение и последующими затухающими колебаниями с относительно большой их первоначальной амплитудой;
2. другой (Б), отличается от первого только плавным началом спада напряжения;
3. третий (В), характеризуется плавным началом спада напряжения, наличием изменений в скорости спада напряжения до первого перехода напряжения через нулевое значение и заметно меньшей амплитудой последующих колебаний, которая тем меньше, чем при меньшем напряжении начинается заключительный с равномерной скоростью спада участок кривой спада напряжения; момент начала заключительного участка при пробоях вида В похоже явно не связан с определенным значением напряжения.

Отметим, что вид А формы спада напряжения соответствовал наружным пробоям этой секции, которые, как указано ранее, отмечались отдельно. На рис. 2,6 ему соответствует и самое высокое значение пробивного напряжения. Виды Б и В спада напряжения соответствуют внутренним пробоям секции, т.е. пробоям в вакууме.
На рис. 2,в представлены осциллограммы пробоев той же секции, но при другой плюсовой полярности импульсов ГИН, при которой экраны поменяли первоначальную полярность. Характер спада напряжения при наружных пробоях и при этой полярности соответствует виду, обозначенному нами А, т.е. остался таким же, как и при минусовой полярности, а вид вакуумного пробоя соответствует виду, обозначенному Б. В этом случае после тренировки пробивное напряжение на стороне вакуума стало выше, чем напряжение наружного перекрытия. Поэтому напряжение t/ , указанное на рис. 2, является напряжением наружных, а не вакуумных пробоев этой секции.
Еще один характерный пример осциллограмм пробоев секций представлен на рис. 3. В этом случае пробои при напряжениях, соответствующих пробивным (согласно принятой методике испытаний), при обеих полярностях импульсов ГИН были исключительно вакуумными. При этом значения пробивных напряжений при импульсах различных полярностей оказались отличающимися более, чем на 30% (99 кВ при минусовой полярности импульсов ГИН и 131 кВ при плюсовой полярности). При минусовой полярности импульсов вакуумные пробои были исключительно вида В. При плюсовой полярности напряжения вакуумные пробои были обоих видов Б и В. Наружные пробои опять были только вида А. Причины этого рассмотрены далее.

Таблица 1
Пробивные напряжения секций исследованного макета ВДК

Осциллограммы пробоев остальных (II и IV) секций по виду подобны приведенным на рис. 2, 3. Они отличались от указанных или соотношением количества пробоев секций в вакууме вида Б и В, или значением напряжений наружных пробоев секций.
Результаты испытаний всех четырех секций по значениям их пробивных напряжений, определенных по принятой методике испытаний, и места их пробоев при этом [снаружи (Нар) или в вакууме (Вак)] представлены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что не во всех случаях удалось добиться превышения наружной электрической прочности секций над ее значением на стороне вакуума. Из табл. 1 видно, что пробивные напряжения секций в вакууме имеют заметный разброс значений.
Совместное рассмотрение осциллограмм пробоев всех секций исследованной ВДК показало, что наружные пробои секций, которые при настоящей методике испытаний идентифицировались однозначно, стабильно имели один и тот же вид А спада напряжения. Осциллограмм со спадом напряжения другого вида при наружных пробоях в настоящих опытах не было. Точно так же и внутренние вакуумные пробои секций стабильно имели спад напряжения вида либо Б, либо В, и вакуумных пробоев вида А в настоящих опытах не было. При этом различному виду спада напряжения при пробоях соответствует и различный вид осциллограмм разрядного тока (из-за ограничения размеров статьи эти осциллограммы не представлены). Это, на наш взгляд, позволяет предположить, что осциллограммам с одинаковым видом спада напряжения при пробоях соответствуют принципиально одни и те же места пробоя (например снаружи), а осциллограммам с различным их видом соответствуют различные места пробоев (снаружи или в вакууме, в одном месте электродной системы или в другом), т.е. вид спада напряжения при пробое, в принципе, может служить указателем места пробоя.
Если это так, то два вида осциллограмм пробоев в вакууме свидетельствуют о двух вариантах мест пробоя. И действительно [2], в вакууме в электродных системах с экранированным изолятором, к которым относятся электродные системы секций ВДК, потенциально пробои могут происходить либо по кратчайшему вакуумному зазору между электродами-экранами, либо вдоль всей поверхности изолятора, либо как «комбинированные» пробои (места пробоев Б и В на рис. 2,а), при которых канал разряда проходит частично по одному или двум вакуумным зазорам между электродами-экранами и изолятором и частично вдоль поверхности изолятора. Каждое из этих мест пробоя имеет свое, расположенное на экране-катоде, место инициирования и свойственную только ему пробивную напряженность.

Предполагаем также, что основные закономерности пробоев и значения пробивных макронапряженностей и для чисто вакуумных пробоев между экранами, и для пробоев в вакууме вдоль всей поверхности изолятора или с участием поверхности изолятора являются такими же, как установлены для соответствующих простейших вакуумных промежутков [5-7]. Поэтому, если таковые известны, их допустимо использовать и в системах с экранированным изолятором. Из указанных возможных мест пробоя в итоге истинным становится то, для которого напряженность на экране-катоде в месте его инициирования при приложенном напряжении оказывается равной или превышающей свойственную ему минимальную пробивную напряженность. При этом за значения пробивных напряженностей для соответствующего потенциального места инициирования пробоев принимаются значения в нем электростатических макронапряженностей при пробивных напряжениях в условиях, когда это место соответствует истинному месту пробоев.
Итак, для определения истинного места пробоев необходимо знать, во- первых, значения макронапряженностей на экране-катоде в местах инициирования пробоев при пробивных напряжениях и, во-вторых, значения для них пробивных макронапряженностей. Первые определены по значениям пробивных напряжений, приведенным в табл. 1, и по результатам расчета электростатических полей в соответствии со схемами соединений при испытаниях данной секции. Результаты сведены в табл. 2.
Таблица 2
Напряжение Е . (кВ/мм) и (коэффициенты К .) на катоде при пробивных напряжениях в потенциальных местах инициирования пробоев

В табл. 2 у всех секций места инициирования пробоев, расположение которых определялось согласно [2], сгруппированы по единству присущих им мест пробоя. При этом во всех секциях места инициирования чисто вакуумных пробоев между экранами обозначены индексами 1 или 6, пробоев вдоль всей поверхности изолятора - 3 или 4, комбинированных пробоев - 2 или 5. В последней строке таблицы, из- за отсутствия более точных сведений, в качестве ориентировочных приведены определенные в [2] на основании экспериментальных данных диапазоны разброса значений пробивных макронапряженностей Е в местах инициирования пробоев, соответствующих указанным местам пробоев. Указанные в скобках коэффициенты Кк1 вычислялись следующим образом: К = Е /Е , где Е - указанное в табл. 2 значение напряженности; Е - приведенное в последней строке табл. 2 для соответствующего места i минимальное значение Е : для мест 1 и
6 равное 27 кВ/мм; для мест 2 и 5 -

1. кВ/мм; для мест 3 и 4 - 2,7 кВ/мм.

Из табл. 2 следует, что во всех случаях пробоев внутри ВДК только в местах инициирования комбинированных пробоев, обозначенных индексами 2 и 1 напряженность достигала значений, превышающих ориентировочное минимальное пробивное значение (около 9 кВ/мм), т.е. такие места могли быть местом пробоев секций в вакууме. В двух других потенциальных местах инициирования пробоев напряженности при пробивных значениях напряжения были меньше, чем ориентировочные минимальные пробивные значения для них, и имели при этом многократный разброс значений (в местах инициирования чисто вакуумных пробоев примерно от 8 до 19 кВ/мм; в местах инициирования пробоев вдоль всей поверхности изолятора примерно от 0,7 до 2,2 кВ/мм. Это служит основанием для исключения потенциальных мест пробоя, соответствующих таким напряженностям в месте их инициирования, из числа истинных мест пробоя. В случае наружных пробоев ни в одном из потенциальных мест инициирования вакуумных пробоев напряженность не достигала значений, равных их минимальным пробивным значениям, т. е. вакуумных пробоев согласно этому в этих случаях и не должно быть.

Таким образом, из табл. 2 следует, что местом пробоев в вакууме у всех секций было место их комбинированных пробоев. При этом в истинных местах инициирования пробоев коэффициенты Кк>\ (что подтверждает сказанное ранее), а в остальных потенциальных местах инициирования пробоев их значение всегда меньше единицы. Следовательно, истинное место инициирования пробоев в вакууме определяется, по существу, не по абсолютному значению напряженности, а по ее относительному значению, характеризуемому коэффициентами К . Таким местом может являться лишь то, у которого значение ^>1.
Покажем, что определенному таким способом месту инициирования вакуумных пробоев секций не противоречат ни предположение о двух его местах, ни вид осциллограмм их пробоев.
Во-первых, комбинированные пробои действительно имеют два подварианта. Например, для случая рис. 2,6 при одном подварианте (на рис. 2,а он обозначен индексом Б) канал разряда от точки 5 на экране-катоде идет через вакуумный промежуток к поверхности изолятора и затем к аноду только вдоль поверхности изолятора к точке 3 - месту соединения изолятора и анода, т.е. к месту инициирования при другой полярности напряжения пробоев вдоль всей поверхности изолятора. В этом же случае при другом подварианте места пробоя (на рис. 2,а он обозначен индексом В), и, соответственно, при том же месте его инициирования и при таком же, как при первом подварианте, начальном его участке канал разряда в последующем от некоторого промежуточного места N поверхности изолятора отходит от нее и идет к аноду опять через вакуумный промежуток, в этом случае к точке 2 на поверхности анода, т.е. опять к месту инициирования при другой полярности напряжения, но теперь комбинированных пробоев. Таким образом, эти два подварианта осуществления комбинированного пробоя при одном и том же месте их инициирования на самом деле отличаются и местами пробоя, и количеством вакуумных промежутков в их каналах разряда, т.е. одно место инициирования и два места пробоя в указанном случае вполне возможны.
Во-вторых, из единства места инициирования и двух подвариантов места пробоев следует возможность равенства значений пробивных напряжений и общность вида начальной части спада напряжения, которые свойственны вариантам Б и В вакуумных пробоев секций.
Таблица 3
Место пробоев и напряженности Еа. на аноде в возможных местах прихода канала разряда на анод (секция III)

В третьих, наличием перехода канала разряда от поверхности изолятора в вакуумный промежуток и вероятностным характером момента этого перехода при месте пробоев В (которые отсутствуют при месте пробоев Б) вполне объясняются:

1. появление дополнительных изменений скорости спада напряжения, которые наблюдаются при пробоях вида В и отсутствуют при виде Б;
2. наличие при пробоях вида В нерегулярных колебаний разрядного тока в начальной стадии его протекания;
3. отсутствие прямой связи между значением напряжения и моментом начала заключительного участка кривой спада напряжения при пробоях вида В;
4. соответствие преимущественного варианта места пробоев либо Б, либо

В,    как и ожидалось, тому из двух мест перехода канала разряда на анод, у которого меньше разница между абсолютными значениями пробивных напряженностей для этого места и электростатическими макронапряженностями, соответствующими полученному пробивному напряжению.
Последнюю связь подробнее проиллюстрируем с помощью табл. 3, составленной на основании табл. 1,2 и рис. 3.
В последней строке табл. 3 представлены коэффициенты К , являющиеся отношением напряженностей Exi на аноде в местах возможного прихода к нему канала разряда к минимальным значениям пробивных напряженностей для этих мест Е , которые взяты из последней строки табл. 2.
Из табл.З следует, что при минусовой полярности импульсов ГИН в обоих возможных местах прихода канала разряда на анод коэффициенты Kai были меньше единицы. Однако в месте 2 значение Кй2 было в 4 раза больше, чем Ка3 в месте 3. Как видим, в этом случае все пробои оказались соответствующими месту 2 (место пробоев В), и пробоев, соответствующих месту 3 (место пробоев Б), не было совсем. В свою очередь, когда оба значения К были больше единицы, как в местах 4 и 5 при плюсовой полярности импульсов ГИН, возможными оказались оба места пробоев, т.е. напряженность на аноде все же, в свою очередь, влияет на место пробоя, определяя место прихода канала разряда на него. Канал разряда идет или всегда к одному месту на аноде - тому, у которого многократно больше значение К , или (когда эти коэффициенты у каждого из этих мест имеют относительно близкие значения) то к одному, то к другому из них, но преимущественно к месту с большим значением К .

Таким образом, осциллограммам пробоев видов Б и В вполне может соответствовать одно место их инициирования и два места пробоев, а их внешнее отличие и преимущество в количестве одного или другого вида осциллограмм полностью корреспондируются с необходимыми условиями возникновения пробоев, присущими тому или иному из этих мест. Не только место инициирования пробоя на катоде, но и место прихода канала разряда на анод (т.е. соответственно начало и конец канала разряда) являются зависящими от напряженностей в потенциальных местах инициирования пробоев, но не непосредственно от абсолютных значений этой величины, а от определяемых ею коэффициентов. Эти коэффициенты представляют собой отношение значения электростатической напряженности при приложенном (пробивном) значении напряжения в каждом таком (особом) месте к минимальному значению пробивной напряженности для этого места. При этом канал разряда будет иметь начало в том из особых мест на катоде, у которого значение этого коэффициента равно единице или превышает ее, а его конец будет преимущественно в том особом месте на аноде, у которого аналогичный коэффициент имеет большее значение по сравнению с другими особыми местами.

Выводы

1. Прогнозировать возможность вакуумных пробоев секций и определять их место можно по значению электростатической макронапряженности в потенциальных местах инициирования вакуумных пробоев, соответствующих значениям прикладываемых напряжений, и при известности значений пробивных напряженностей для этих мест.
2. Местом вакуумных пробоев всех секций исследованного макета ВДК были места так называемых комбинированных пробоев, при которых канал разряда проходит по участкам с различными изоляционными средами, которыми являются один или два вакуумных пространства между экранами и изолятором и часть поверхности изолятора. При этом расчетные пробивные значения макронапряженностей в месте их инициирования составляли от 9,3 до 12,9 кВ/мм. При напряженностях в этих местах меньше 8 кВ/мм в настоящих опытах вакуумные пробои секций не наблюдались.
3. Значения пробивных макронапряженностей в месте инициирования комбинированных пробоев, полученные в настоящей работе в условиях, полностью соответствующих реальным, могут представлять несомненный практический интерес, поскольку конфигурация экранной системы секций исследованного макета ВДК принципиально не отличается от таковых в большинстве выпускаемых различными фирмами серийных ВДК.
4. Установлена корреляция между видом осциллограмм спада напряжения при пробоях и местом пробоя, что позволяет по виду осциллограмм, как минимум, судить о наличии нескольких мест пробоя и, как максимум, даже о  самих местах пробоев. В работе определены качественные признаки спада напряжения, соответствующие наружным пробоям и двум разновидностям
   комбинированных пробоев.

Список литературы

1. Takahashi Н., Shioiri Т., Matsumoto К. Effekt of dielectric materials on surface breakdown in vacuum and analysis by electron trajectory simulation // IEEE Trans. El. 1985. Vol. 20, № 4. P. 527-531.
2. Рыльская Л.Л. Определение места пробоя в электродных системах с экранированным изолятором в вакууме//Электротехника, 2001, №3. С. 7-12.
3. Лукацкая И.А. Влияние конструкции экранов на характеристики вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 1971, № 8. С. 47-50.
4. Филиппов А.А. Программа расчета электрических полей Axial. 2000.
5. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972.
6. Anderson R.A., Brainard J.P. Mechanism of pulsed surface flashover involving electron- stimulated desorption//J. Appl. Phys. 1980. Vol. 51,№ 3. P. 1414-1421.
7. Wetzer J.M. Vacuum insulator flashover. Mechanismus, diagnostics and design implications // XYII-th ISDEIV. Berkley, 1996. P. 449-458.