Рыльская Л.А.
Исследована электрическая прочность секций ВДК после выработки электрического ресурса. Показано, что в определенных случаях происходит снижение электрической прочности секций, причиной которого является
появление более низковольтных пробоев, названных медленными из-за почти на порядок большего времени спада напряжения при пробое до нуля (несколько микросекунд против долей микросекунды при пробоях новой камеры). Рассмотрены условия возникновения медленных пробоев.
Как известно, в ВДК при отключении тока возникает горение вакуумной дуги, при котором происходит испарение контактного материала. Эти пары в последующем осаждаются на различных поверхностях ВДК и в том числе могут осаждаться на поверхности изоляторов секций ее корпуса. В результате часть поверхности изоляторов, недостаточно закрытая экранами, покрывается осажденным металлическим паром с возрастающей толщиной металлического слоя по мере увеличения числа произведенных отключений тока [1, 2]. Этот металлизированный участок поверхности изолятора может повлиять на электрическую прочность секций в сторону ее снижения, что и послужило основанием для продолжения исследования электрической прочности секций ВДК и избрания в качестве цели настоящей работы выявления влияния этого фактора на электрическую прочность секций ВДК.
Испытания проводились на том же стенде ГИН 500 и при таких же, как в [3] схемах измерений и методике испытаний. Для того чтобы получить представление о влиянии на электрическую прочность различных случаев металлизации изоляторов секций и иметь возможность для сравнения полученных результатов с исходной ситуацией при незаметаллизированном изоляторе, как это имеет место в начале эксплуатации камер, в качестве объектов испытаний выбрано три различных макета.
* Автор благодарит А.А. Перцева за помощь и участие в проведении настоящих испытаний и за критические замечания по тексту статьи.
Рис. 1. Осциллограммы пробоев секции I (макет 1) после выработки ею электрического ресурса.
Макет 1. В качестве первого объекта избран макет ВДК, на котором ранее проведены исследования [3]. После испытаний, описанных в [3], этим макетом в составе лабораторного выключателя произведено на стенде генератора ударных токов ТИ-12 ВЭИ в общей сложности около 20 отключений токов от 2 до 20 кА и на лабораторном стенде ресурсных испытаний около 50 тыс. отключений тока 1 000 А промышленной частоты, что даже несколько превышало требования по электрическому ресурсу для серийных камер с такой же, как у настоящего макета, контактной системой. Затем макет подвергнут испытаниям, полностью аналогичным [3]. Отметим, что у средних (II и III) секций ни вид осциллограмм пробоев, ни значения пробивных напряжений практически не изменились, поэтому здесь осциллограмм пробоев этих секций не приводим. Новый вид осциллограмм пробоев появился лишь у крайних (I и IV) секций.
Результаты испытаний секции I представлены на рис. 1: А - эскиз секции (расположение элементов конструкции секции по вертикали соответствует их расположению при испытаниях); Б - схема соединений при испытаниях и осциллограммы напряжения при импульсах ГИН отрицательной полярности, U - пробивное напряжение, определенное по описанной в [3] методике; В - то же, что и 5, но при импульсах положительной полярности. На осциллограммах цифрами обозначены максимальные значения напряжения импульсов по показаниям пик- вольтметра. Буквы рядом с указанными цифрами обозначают, соответственно, либо отсутствие пробоя (в- волна), либо пробой внутри ВДК - вн, либо пробой наружный - нар. Варианты видов спада напряжения при пробоях обозначены©,®,®,®. При отрицательной полярности импульсов ГИН (рис. 1,5) осциллограммы пробоев и по виду, и по значению пробивных напряжений по существу остались такими же, как и у новой камеры [3]. Некоторая разница значений пробивных напряжений U не выходит за пределы точности измерений для принятой методики испытаний. Можно лишь отметить, что при этих испытаниях произошло относительное увеличение числа пробоев вида® по сравнению с их числом при испытаниях новой камеры. С учетом описанных в [3] отличий мест пробоев® и (в) вполне логично, что некоторые происшедшие изменения сделали пробои вида® более вероятными, чем вида®.
Совсем другая картина получена при импульсах ГИН положительной полярности (рис. 1,5). В этом случае появился совсем иной новый вид спада напряжения при пробоях. На рис. 1,5 он обозначен индексом © и назван нами медленным. Из осциллограмм с медленными пробоями наглядно видно, что этот вид спада напряжения отличается от прежних его видов (а), ©и (в) (рис. 1,5) существенно большим временем от начала спада напряжения до его первого перехода через нулевое значение. В представленных на рис.
- ,5 случаях это время достигало 6 мкс и более против долей микросекунды при пробоях видов @ и @ и менее 2 мкс при®. Также видно, что спад напряжения при медленных пробоях имеет колебательный характер с нерегулярной частотой и амплитудой колебаний. Обратим внимание, что при перенапряжениях пробои этой секции вместо медленных вакуумных пробоев стали, как и у новой камеры, наружными и с тем же значением пробивных напряжений [3]. Кроме того, особо отметим, что медленные пробои наблюдались лишь при одной полярности напряжения, при другой же, как это видно из рис. 1,5, пробоев этого вида не было.
У секции IV медленные пробои наблюдались лишь при отрицательной полярности напряжения. При положительной полярности медленных пробоев не было. По виду пробоев и по значению пробивных напряжений изменений по сравнению с новой камерой в этом случае тоже не произошло. Но и при отрицательной полярности напряжения у этой секции нет изменений значения U по сравнению с новой камерой. Однако отметим, что минимальное значение пробивного напряжения медленного пробоя у секции IV (108 кВ) существенно выше, чем у секции I (67 кВ), т.е. у секции IV медленный пробой является более высоковольтным, чем у секции I; и кроме того, полярность напряжения, при которой наблюдались медленные пробои у секции I, противоположна той, при которой медленный пробой происходит у секции IV. Сразу заметим, что у секций I и IV экраны имеют зеркально одинаковые размеры и конфигурацию. Таким образом, у обеих секций медленные пробои происходили тогда, когда экраны одинаковой конфигурации имели одну и ту же полярность, в данном случае, когда экраны у фланцев камеры были катодами.
Итак, после выработки электрического ресурса у исследованного макета ВДК снижение значений пробивных напряжений секций произошло только у двух крайних секций и не произошло у средних. Возникло оно лишь при одной полярности напряжения и не произошло при другой. Причиной снижения электрической прочности было возникновение более низковольтных медленных пробоев.
В настоящем макете ВДК конфигурации экранов крайних (I и IV) и средних (II и III) секций различаются: у средних вся поверхность изолятора закрыта от прямого попадания на нее паров металла без просвета, а у крайних есть часть поверхности изолятора, совсем не закрытая экранами.
Секции же I и IV одна от другой отличаются не конфигурацией экранов, которые, как уже отмечалось, зеркально являются одинаковыми, а тем, что на стороне секции IV находится сильфон, которого нет на стороне секции I. Сильфон несомненно может брать на себя часть потока паров металла. В результате при одинаковом исходном потоке паров металла на эти секции его плотность, приходящаяся на поверхность изолятора, в секции I должна быть больше, чем в секции IV. За счет этого результирующая степень металлизации секции IV могла быть меньше, чем у секции I. В итоге снижение электрической прочности при менее металлизированном изоляторе у секции IV оказалось меньше, чем у секции I, предполагаемая металлизация поверхности изолятора которой ожидалась большей. Однако не вполне ясной остается при этом причина обнаруженного эффекта полярности при возникновении медленных пробоев.
На наш взгляд, возможной причиной названного эффекта в настоящем случае может служить связанная с асимметрией конфигурации экранов неравномерность металлизации поверхности изолятора. За счет этого интенсивность металлизации со стороны одного экрана может быть больше или иметь другой вид, чем со стороны другого экрана.
Так как по ряду причин этот макет не мог быть вскрыт для обследования и определения степени и вида металлизации всех секций, для этих целей использован другой макет, которым, в свою очередь, был выработан электрический ресурс.
Отметим, что описанное явление медленных пробоев и наличие при этом эффекта полярности наблюдалось нами на всех без исключения выработавших электрический ресурс камерах как отечественного, так и иностранного производства.
Макет 2. Второй макет представлял собой четырехсекционную ВДК (рис. 2) с контактной системой, размерами изоляторов такими же, как у макета 1, и экранной системой крайних, прилегающих к фланцам секций, такой же, как у некоторых серийных ВДК, но с отсутствующим центральным экраном, обычно располагаемым вокруг межконтактного промежутка. За счет этого часть поверхности изоляторов непосредственно вокруг межконтактного промежутка у двух секций, расположенных в середине корпуса камеры, совсем не была закрыта экранами. В результате эта камера стала как бы трехсекционной с удвоенной длиной изолятора у средней секции. При этом у этой средней секции ожидалась металлизация части поверхности ее изоляторов до степени металлического КЗ, а у крайних секций I и IV предполагалось, что металлизация будет подобна металлизации крайних секций, как у макета 1.
Рис. 2. Эскиз макета 2 ВДК:
I-IV - нумерация секций; 1 -токоподвод и неподвижный контакт; 2 -токоподвод и подвижный контакт; 3 и 4 - промежуточные экраны; 5 и 6 - торцевые экраны; 7 - изоляторы из керамики А1,0. (буквой М помечены места металлизации на поверхности изоляторов секций; наклон линий границ показывает направление снижения интенсивности металлизации).
Рис. 3. Секция I (макет 2 после выработки электрического ресурса).
Перед испытаниями для избавления от наружных пробоев этот макет, как и макет 1, был покрыт слоем полиэтилена методом высокотемпературного напыления толщиной около 1,5 мм. При испытаниях этого макета в части опытов производилось осциллографирование не только напряжения, но и тока. До начала испытаний этой камерой выполнено 10 отключений тока от 20 до 30 кА и около 22 тыс. отключений тока 1250 А, что соответствует полной выработке электрического ресурса для использованной в этом макете контактной системы.
Как и ожидалось, и в этом макете у секции I и IV были медленные пробои, наблюдавшиеся только при одной полярности импульсов ГИН и отсутствовавшие при другой. У секции I они были при отрицательной полярности напряжения, а у секции IV при положительной. Минимальное напряжение возникновения медленных пробоев у секции
- (без сильфона) было 34 кВ (рис. 3), а у секции IV (с сильфоном) - 45 кВ (рис.
Рис. 4. Осциллограммы пробоев секции IV ВДК (макет 2) после выработки ею электрического ресурса:
А - эскиз секции (расположение элементов конструкции секции по вертикали соответствует их расположению при испытаниях); Б-схема соединений при испытаниях и осциллограммы напряжения U и тока / при импульсах ГИН положительной полярности; R - шунт; ШР - шаровой разрядник
4). Обозначения на рис. 3 и 4 соответствуют обозначениям на рис. 1. Подъем напряжения продолжался до тех пор, пока пробой не начинал происходить на фронте импульса. Это видно из последнего кадра на рис. 3, где сфотографированы осциллограммы двух импульсов ГИН с одинаковой амплитудой, один из которых был при отсоединенной камере и соответствовал, естественно, волне напряжения.
Последовательность осциллограмм показывает, что при увеличении амплитуды импульса ГИН при превышении некоторого ее значения изменяется вид спада напряжения при пробое и его время. Пробои вместо медленных, которые как бы прекращаются, в данном случае, становились наружными. В других случаях (рис. 1) пробои могли стать вакуумными, но обычного их вида ® или ®. В случае макета 2 замена медленных пробоев наружными происходила при напряжениях более 75 кВ (рис. 3, 4). При этом следует отметить, что наружные пробои, возникающие при наименьших напряжениях импульса ГИН, вместо обычных их признаков (какими эти пробои отличались у новых камер и какими они опять становились с увеличением прикладываемого напряжения) приобрели несколько иные признаки. Канал разряда наружного пробоя секций новых камер перекрывал изолятор от одного его торца к другому на некотором удалении от его поверхности, имел яркий желтовато-белый цвет и четкий громкий звук. Наружный пробой макета 2 отличался другим звуком - потрескивающим, приближенностью канала разряда вплотную к поверхности изолятора и тусклым красноватым цветом. На осциллограмме этот наружный пробой секций более похож на вид © вакуумных пробоев, чем на вид (а) наружных (рис. 4, осциллограмма при U =11 кВ).
При проведении настоящих опытов несколько раз после импульсов напряжения, при которых пробои становились наружными, т. е. значительно более высоковольтными, чем медленные пробои, производилось снижение значения импульса ГИН до начального уровня медленных пробоев. При этом пробои опять становились медленными, т.е. прекращение медленных пробоев с увеличением прикладываемого напряжения в этом случае не связано с известным возрастанием пробивных напряжений в результате тренировки, а имеет иную причину. На наш взгляд, указанное явление связано с тем, что спад напряжения при медленных пробоях, особенно в начале процесса, происходит столь медленно, что не препятствует ни подъему напряжения на фронте импульса, ни возникновению и развитию более высоковольтных пробоев, свойственных новой камере (иногда явно видно, что последние происходят тогда, когда медленный пробой уже начался).
Из осциллограмм тока при медленных пробоях (рис. 4) видно, что начало повторного повышения значения тока (после первого всплеска тока на фронте импульса напряжения) совпадает с соответствующим ему началом медленного спада напряжения. Ток имеет колебательный характер с нерегулярной частотой и амплитудой колебаний. Следующее затем через некоторое время согласно осциллограммам резкое снижение значения тока обусловлено схемой его измерений. Было предусмотрено, чтобы при увеличении тока свыше значения, при котором напряжение, подаваемое с шунта, превосходит допустимое для осциллографа, срабатывал установленный параллельно шунту разрядник напряжения, шунт на некоторое время закорачивался и ток начинал протекать по параллельной ветви. Напряжение срабатывания разрядника было около 3 кВ. Когда разрядный ток снижался до нескольких ампер, разрядник, разрывая параллельную ветвь, погасал, ток опять начинал проходить через шунт и записываться на экране осциллографа, как это наблюдается на заключительных участках осциллограмм тока. Совсем другая картина тока наблюдается при отсутствии медленных пробоев. Тогда в промежуток времени между первоначальным всплеском тока на фронте волны импульса напряжения и началом крутого спада напряжения ток практически отсутствует и возникает лишь с указанным началом (из- за ограничения размеров статьи эти осциллограммы не представлены).
Отметим тот факт, что полярность напряжения, при которой наблюдались медленные пробои на этом макете, была иной, т. е. противоположной той, при которой медленные пробои были у макета 1. Однако, как это видно из рис.
- -3, конфигурация прифланцевых экранов в этих макетах существенно различается. Вероятнее всего, это и явилось причиной несовпадения полярности напряжения, при которой наблюдались медленные пробои у 1-го и 2-го макетов.
Для секций II и III (средние секции, между которыми нет экрана и которые электрически представляют собой как бы одну секцию с удвоенной против крайних секций длиной изолятора) можно отметить значительную разницу в наружной электрической прочности при импульсах различной полярности: при импульсах отрицательной полярности наружные пробои наблюдались, начиная с напряжения 60 кВ, а при положительной - пробои даже до вдвое большего напряжения (119 кВ) были только вакуумными. Осциллограммы пробоев этих секций, как не являющиеся по виду принципиально иными, не приводим.
У этой сдвоенной по длине изолятора секции медленные пробои наблюдались лишь при одной положительной полярности напряжения при напряжениях от 46 до 55-60 кВ. При больших значениях напряжения пробои стали вакуумными видов(в)и®. При отрицательной полярности напряжения медленных пробоев не было. Возможно, что наличие медленных пробоев лишь при одной полярности напряжения и в этом случае явилось результатом эффекта полярности. Однако, учитывая что минимальные значения напряжения возникновения медленных пробоев, как было указано выше, могут иметь существенно отличающиеся значения, возможно, что в этом случае никакого эффекта полярности на самом деле не было. Причиной же отсутствия медленных пробоев при импульсах отрицательной полярности было просто столь низкое значение пробивных напряжений при наружных пробоях (всего 60 кВ) и вызванное фактическим удвоением длины изолятора столь относительно высокое минимальное значение напряжения возникновения медленных пробоев, что более быстродействующие наружные пробои в этом случае происходили быстрее, чем успевал до конца развиться и, следовательно, осуществиться медленный пробой. Обратим внимание, что при положительной полярности импульсов медленные пробои наблюдались лишь до напряжений менее 60 кВ, при больших значениях напряжения их сменили более быстрые вакуумные пробои.
Осмотр состояния керамики макета 2 после его вскрытия показал, что поверхности изоляторов двух центральных (II и III) секций металлизированы по кольцу, которое по ширине в основном соответствует той их части, которая не была закрыта экранами (рис.2). Края кольца металлизации с обеих сторон имеют сравнительно размытые границы со снижающейся согласно цвету интенсивностью металлизации, начиная от участков поверхности изоляторов, противолежащих краям экранов, и по мере распространения ее внутрь зазоров между экранами и поверхностью изоляторов. Внутрь указанного зазора металлизация распространяется не до конца, т.е. не до места соединения изолятора и экрана, а на глубину, составляющую примерно трехкратную ширину зазора. Остальная часть поверхности изолятора вплоть до места его соединения с экранами осталась не металлизированной. Металлизация открытой части поверхности изоляторов показала металлическое КЗ. Интенсивность металлизации и соответствующее ей электрическое сопротивление уменьшаются с углублением от краев экранов внутрь указанных зазоров.
У секции I поверхность изолятора металлизирована по кольцу. Ширина кольца металлизации геометрически соответствует части его поверхности, не закрытой экранами. Однако границы этого кольца по разным его краям имеют неодинаковый вид. Со стороны фланца неподвижного контакта граница между металлизированной и свободной от металлизации частями поверхности изолятора визуально является очень четкой. По одну сторону линии этой границы поверхность изолятора металлизирована, а по другую - нет. С другого края кольца металлизации столь четкая линия границы отсутствует. От центра кольца металлизации к этому его краю визуально интенсивность ее уменьшается, в итоге сходя на нет, т.е. с этой стороны граница металлизации является размытой. По показаниям мегомметра с напряжением 1 кВ металлизация в этом случае даже в месте ее наибольшей интенсивности показывает «бесконечное» сопротивление. Следовательно, в данном случае пленка металлизации является достаточно тонкой и не создает заметной электрической проводимости.
У секции IV, расположенной со стороны фланца подвижного контакта, металлизация поверхности изолятора относительно соответствующего ей фланца камеры и расположения экранов зеркально является точно такой же, как у секции I, с той лишь разницей, что металлизация имеет меньшую интенсивность.
Из сопоставления представленного выше описания металлизации поверхности изоляторов секций I и IV макета 2 и осциллограмм пробоев этих секций следует, что у этого макета медленные пробои возникали тогда, когда воздействующее напряжение имело полярность, при которой экраны, прилегающие к фланцам камеры (со стороны которых пленка металлизации имеет четко очерченную границу), оказываются анодами. Когда же экраны, со стороны которых металлизация имела четко очерченную границу, были катодами, медленных пробоев не было. При этом интенсивность пленки металлизации не столь велика, чтобы создать заметную электрическую проводимость. В то же время меньшее минимальное значение пробивных напряжений медленных пробоев было у той секции (в нашем случае у секции I), у которой пленка металлизации визуально интенсивнее.
У средних секций, где оба края кольца металлизации были размытыми, медленные пробои, как это отмечено выше, наблюдались лишь при одной полярности напряжения. Однако следует учесть, что в данном конкретном случае отсутствие медленных пробоев при другой полярности, как было отмечено выше, вполне могло быть связано не с наличием эффекта полярности, а с особенно низкими в этом случае значениями пробивных напряжений наружных пробоев. Поэтому, если бы при этой полярности напряжения наружная электрическая прочность этих секций была выше, возможно, что медленные пробои были бы обнаружены и в этом случае.
В принципе, открытым остался вопрос о причастности к медленным пробоям металлизации с металлической проводимостью, которая имела место на части поверхности изоляторов у средних секций макета 2.
Макет 3. Чтобы убедиться окончательно, что для возникновения медленных пробоев не требуется металлизации части поверхности изолятора до уровня металлической проводимости, испытаны макеты 3, представляющие собой цилиндрический изолятор с вакуумно-плотно припаянными к его торцам дискообразными фланцами. У одного из этих макетов часть внутренней поверхности изолятора в его середине была металлизирована с четкой линией границ с сопротивлением, соответствующим металлическому КЗ; у другого макета внутренняя поверхность изолятора таким же слоем металлизации была покрыта со стороны одного из фланцев. При проведении испытаний для избежания наружных перекрытий эти макеты погружались в сосуд с трансформаторным маслом.
Результаты испытаний показали, что у них медленных пробоев ни при одной полярности напряжения не было. Из этого следует, что частичная металлизация поверхности изолятора с четкой линией границ до уровня металлической проводимости не приводит к появлению медленных пробоев. Такая металлизация вызывает лишь определенное снижение пробивного напряжения. Испытание макетов, выработавших номинальный электрический ресурс, показало следующее:
- В случае экранирования изоляторов секций от металлизации парами контактного материала без просвета электрическая прочность секций ВДК после выработки номинального электрического ресурса не претерпела заметных изменений.
- Если поверхность изолятора была экранирована только частично и имелись участки поверхности, не защищенные от прямого попадания паров металла, то электрическая прочность таких секций, в принципе, оказывается сниженной.
- В исследованных случаях снижение электрической прочности происходило лишь при одной полярности импульсов ГИН, при другой же электрическая прочность относительно исходной не изменялась.
- Снижение электрической прочности обусловлено появлением пробоев, названных нами медленными. Наибольшее снижение пробивного напряжения из-за медленных пробоев было почти трехкратным (34 кВ при медленном пробое и около 80 кВ при наружном).
Из сопоставления случаев наблюдения медленных пробоев и осмотра поверхности металлизированных изоляторов можно сделать вывод, что:
- при однозначном наличии эффекта полярности при возникновении медленных пробоев один из краев кольца металлизации имел размытую границу, а с другого его края граница между металлизированным и неметаллизированным участками поверхности изолятора была четкой;
- медленные пробои наблюдались тогда, когда край кольца металлизации с размытой границей находился со стороны катода; соответственно, его край с четкой границей противолежал экрану - аноду;
- пробивные напряжения медленных пробоев с увеличением толщины пленки снижаются;
-у пленок, при которых наблюдались медленные пробои, не было металлической проводимости;
- в то же время металлизация с металлической проводимостью, резко очерченными границами между чистой и металлизированной частями поверхности изолятора при незаэкранированном изоляторе (опыты на макетах 3) не привела к появлению медленных пробоев, хотя пробивные напряжения при этом были сниженными по сравнению с незаметаллизированным изолятором.
Таким образом, в ВДК недостаточное экранирование поверхности изоляторов от металлизации чревато снижением электрической прочности секций по мере выработки электрического ресурса.
Описанные условия возникновения медленных пробоев, судя по всему, имели место у секций I и IV макетов 1 и 2. Поэтому причина, обусловившая различную полярность напряжения этих макетов, при которой наблюдались медленные пробои, очевидно, связана с тем, что у них стороны колец металлизации с четким и размытым видом относительно экранов, прилегающих к фланцам камеры, были расположены противоположно. Соответственно, у них и оказались различными полярности напряжения, при которых наблюдались медленные пробои. Тот или иной вид указанных границ явно обусловлен конфигурацией обоих противоположных экранов, которые у этих макетов в секциях I и IV, как на это уже указывалось, действительно, были существенно различны.
Если принять, что металлизация, не приводящая к появлению металлической проводимости, не вызывает заметного изменения распределения напряженностей электростатического поля, то минимальным напряжениям возникновения медленных пробоев (34 кВ) отвечают такие низкие значения напряженностей во всех известных потенциальных местах инициирования пробоев, что о связи медленных пробоев с явлениями, приводящими к пробоям при неметаллизированном изоляторе, говорить вряд ли возможно. Нам не известны работы, где были бы описаны медленные пробои и, тем более, были высказаны идеи об их механизме. Для этого, на наш взгляд, нужны специальные эксперименты. На основании же представленных экспериментальных результатов можно лишь утверждать достаточно определенно, что медленные пробои возникают в электродных системах с экранированным изолятором и вызываются металлизацией части поверхности изолятора, проводимость которой не является металлической, т.е. пленка металлизации на поверхности изолятора тонкая.
Список литературы
- Fink Н., Geentsch D., Heimbach М. Investigations on condensed metal vapour on the surface of alumina ceramics within vacuum interrupters after switching // XlX-th ISDEIV. Xi’an, China, 2000. P. 102-107.
- Schellekens H., Battandier J. Metal vapour deposition on ceramic insulators and vacuum interrupter lifetime prediction // XlX-th ISDEIV. Xi’an, China, 2000. P.I 119-122.
- Рыльская Л.А. Электрическая прочность новой вакуумной дугогасительной камеры (до выработки ресурса) // Электротехника, 2002, № 5.