Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока

Рыльская Л.А., Перцев А.А.

Вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) находят все большее применение в коммутационных аппаратах из-за своих преимуществ перед другими типами дугогасящих устройств. Они обладают минимальной материалоемкостью, максимальным ресурсом, не требуют ухода за контактами в течение всего срока эксплуатации, бесшумны, экологически чисты, имеют самое короткое время восстановления электрической прочности после прерывания тока, благодаря чему могут коммутировать ток повышенной частоты. Однако при использовании ВДК следует считаться с возможностью возникновения пробоя через несколько периодов после отключения тока [1]. Пробой завершается развитием дугового разряда, продолжительность которого определяется параметрами электрической цепи и может быть в пределах от сотни микросекунд до десятка миллисекунд. В подавляющем большинстве случаев после пробоя электрическая прочность ВДК повышается и пробой не отражается на состоянии электрической цепи, отключенной вакуумным выключателем.
В [2] показано, что к пробою ВДК могут приводить металлические частицы, образующиеся в процессе эксплуатации ВДК, причем частицы приводят к снижению электрической прочности не только межконтактного, но и межэкранных промежутков. В [3] отмечалось, что риск возникновения стимулированных частицами пробоев межконтактного промежутка максимален в первые десятки миллисекунд после отключения.
Цель работы состояла в экспериментальном исследовании распределения времени возникновения пробоев межконтактного промежутка непосредственно после отключения и в выявлении характера движения крупных металлических частиц, инициирующих эти пробои.
Исследования выполнены на ВДК, подобной описанной в [2], с контактами на основе хрома. Давление в ВДК не превышало 10'4 Па. Машинный генератор обеспечивал протекание через контакты ВДК тока промышленной частоты от 1,4 до 12 кА. Напряжение генератора было примерно вдвое больше номинального для данного типа камеры, что диктовалось необходимостью получения достаточного для статистической обработки количества пробоев. Кроме того, удвоение напряжения на камере против номинального может иметь место в некоторых режимах работы выключателя, например, в режиме противофазы, возникающем при отключении одного генератора от другого. Ток через ВДК регулировался путем изменения индуктивности в контуре тока. Фаза размыкания контактов определялась по появлению напряжения на дуге, которое осциллографировалось.

Рис. 1. Ток через контакты ВДК и напряжения на контактах (а), зависимость длины межконтактного промежутка от времени (б) при отключении и плотность распределения времени возникновения пробоев (в).
Для записи тока и напряжения на ВДК использовался многолучевой электронный осциллограф с механической разверткой. Запись напряжения продолжалась примерно 0,3 с после размыкания контактов. Этого времени было достаточно для регистрации практически всех пробоев. По осциллограммам определялись число пробоев, время их возникновения, полярность приложенного к ВДК в момент пробоя напряжения и его мгновенное значение.
Каждый из опытов содержал операции: смыкание контактов ВДК в отсутствии на ней напряжения; включение в момент Т, (рис. 1, а) тока I через ВДК; в момент Т2 начиналось разведение контактов со средней скоростью примерно 1,5 м/с. Момент Т2 устанавливался так, чтобы длительность горения дуги между расходящимися контактами до первого перехода тока через нуль была равна 8-10 мс. Как правило, при первом переходе тока через нуль дуга в меж- контактном промежутке погасала и на ВДК восстанавливалось напряжение U (рис. 1,а). По истечении 0,3 с напряжение с ВДК снималось. При проведении последующих опытов все операции повторялись. Известно [3], что пробои могут сопровождаться протеканием тока промышленной частоты. В опытах учитывались оба вида пробоев - с протеканием тока и без него. При статистической обработке результатов не учитывались пробои, возникшие в первой после прерывания тока четверти периода, поскольку она сильно отличается формой и амплитудой от остальной части воздействующего на ВДК напряжения (рис. 1,а). В связи с этим при обработке результатов время до возникновения пробоя отсчитывалось от первого после прерывания тока перехода напряжения через нуль. При этом соблюдается тождественность условий в отношении формы напряжения, при котором происходят пробои.
Таблица 1
Число пробоев ВДК в различные интервалы времени после отключения тока и статистический ряд времени возникновения пробоев

Контакты ВДК в ходе отключения тока разводились на 15 мм, однако, как видно из рис. 1, б, это расстояние устанавливалось после нескольких колебаний подвижного контакта, при которых оно изменялось от 23 до 10 мм. Колебания длины межконтактного промежутка, как показано ниже, сказываются на частоте возникновения пробоев. ВДК на приводе занимала вертикальное положение, подвижный контакт был сверху.
Выполнены 65 опытов отключения тока 8-12 кА и 35 опытов отключения тока 1,4-1,9 кА. Статистическая обработка результатов каждой из этих групп опытов показала, что с изменением тока от 1,4 до 12 кА частость возникновения пробоев изменяется несущественно. Не замечено также различия в распределении времени возникновения пробоев. Гистограммы времени возникновения пробоев при токах 1,4-1,9 кА и 8- 12 кА с учетом доверительных границ также практически совпадают. Самые «запоздалые» пробои зарегистрированы в 27 и 28 полупериодах при токах 1,4- 1,9 и 8-12 кА соответственно. Перечисленное дало ос-нование объединить результаты этих двух групп опытов.
Движение частиц в межконтактном промежутке моделировалось на ЭВМ движением металлических шариков под действием напряжения промышленной частоты в плоскопараллельной системе электродов.
Было выполнено N= 100 опытов, сопровождающихся пробоями. Распределение числа пробоев и, по интервалам времени А/, их частость p=njN, а также статистическая плотность j(t)=p/At, которая характеризует интенсивность возникновения пробоев в различных интервалах времени, приведены в табл. 1. По этим данным на рис. 1,в построена гистограмма интервалов времени возникновения пробоев. Из нее следует, что риск возникновения пробоев с течением времени уменьшается. Через 0,3 с после прерывания тока пробои практически не возникают. Среднее арифметическое значение времени Т до пробоя составляет примерно 0,1 с. Гистограмма может быть аппроксимирована экспоненциальным законом
(о
если в качестве постоянной Т подставить найденное из эксперимента значение Т= 0,1 с. На рис. 1,в штриховой линией нанесена кривая Д/), которая достаточно хорошо сглаживает гистограмму. Некоторое несоответствие между ними на участке t < 0,03 с объясняется упоминавшимися колебаниями длины межконтактного промежутка. Аппроксимация позволяет оценить число пробоев, возникающих позже 0,3 с. Оно не превышает 5% общего числа пробоев.
Сравнение числа пробоев ВДК, происшедших в положительные и отрицательные полупериоды напряжения, показывает, что существует систематическое превышение одних над другими, которое достигало примерно 1,4. Укажем на две возможные причины такой асимметрии: во-первых, это сила тяжести, за счет которой число частиц, ударяющихся о нижний электрод, оказывается больше, чем о верхний; во-вторых, с подвижного контакта из- за динамических воздействий при его движении может стартовать большее число частиц, чем с неподвижного. Для разделения вклада каждого из этих факторов требуются дополнительные опыты по определению числа пробоев при различных положениях контактов.
Напряжение в момент пробоев колебалось в пределах 25-65 кВ. Его среднее арифметическое значение равно U = 55 кВ, стандартное отклонение 0 = 1 кВ. Связи этих показателей с полярностью напряжения при пробое не обнаружено. Зная межконтактное расстояние d и коэффициент неоднородности поля между контактами К , можно оценить среднее арифметическое значение напряженности поля при пробое у поверхности контактов, кВ/мм:
Столь малая напряженность характерна для пробоев, провоцируемых крупными (размером более 0,1 мм) частицами [4]. Отметим, что вскрытие ВДК после экспериментов подтвердило наличие в ней свободных частиц различных форм с размерами до 1 мм.
Частицы различных форм и размеров образуются в ВДК в результате эрозии контактов при их токовых и бестоковых смыканиях и размыканиях, а также из-за горения дуги. Подвергаясь воздействию электрического поля, эти частицы при достаточной напряженности начинают двигаться в меж- контактном промежутке. Началу движения способствуют динамические воздействия от вибраций контактов и корпуса ВДК. Характер движения частиц может быть показан на примере движения металлического шарика в плоскопараллельном промежутке, в котором действует переменное электрическое поле. В общем виде уравнение движения металлического шарика с учетом начальной скорости v0 и ускорения силы тяжести g имеет следующий вид:
(2)
Здесь х и t - соответственно путь и время; d - межэлектродное состояние; Q и m - заряд и масса шарика; (Ут, со - амплитуда и угловая частота переменного напряжения; \|/ - фаза напряжения в момент начала движения шарика. Уравнение (2) решалось на ЭВМ. Расчет выполнен при следующих допущениях: после соударения с электродом направление движения шарика меняется на противоположное;
начальная скорость при отражении меньше скорости при ударе vk и характеризуется коэффициентом отражения К: v = v К, К < I;

отражение происходит мгновенно, т.е. фаза напряжения при ударе и отражении остается неизменной. Заряд шарика определяется напряжением в момент старта с электрода [5].
Выбор диаметров шариков сделан на основании анализа размеров реальных частиц, извлеченных из ВДК после выполнения всех опытов.
На рис. 2 приведены графики движения шариков диаметром 0,1 и 0,5 мм между электродами, расположенными на расстоянии 15 мм, к которым приложено напряжение U=44^2 кВ. Сила тяжести направлена сверху вниз, начальная скорость шарика vo= 0,3 м/с. Из графиков движения (рис. 2, а) следует, что первый полет характеризуется относительно малыми скоростями. В табл. 2 приведены расчетные значения средней скорости. Из табл. 1 видно, что при старте с нижнего электрода и различных \|/ скорость шарика диаметром 0,1 мм лежит в пределах (1,4-3,7) м/с, диаметром 0,5 мм - (0,6-1,4) м/с. Скорость полета шарика диаметром 1 мм не превышает 0,5 м/с. Из-за малой скорости шарики не всегда сразу могут перелететь на верхний электрод и делают несколько подскоков на нижнем электроде прежде, чем, набрав достаточную скорость, преодолеют весь промежуток и ударятся о верхний электрод. С верхнего электрода шарики диаметром примерно 1 мм под действием силы тяжести обычно сразу попадают на нижний электрод. Шарики меньших размеров (£)<0,5 мм) при старте с верхнего электрода и «неудачной» фазе вылета, когда сила тяжести оказывается меньше силы электрического воздействия, могут вернуться в конце первого полета на тот же электрод (рис. 2, а, кривая \|/ = 130°).

Из графиков движения (рис. 2, б) также следует, что от перелета к перелету скорость шариков нарастает и через 10-20 перелетов достигает некоторого в среднем установившегося значения.

Рис. 2. Движение частицы между контактами под действием переменного напряжения. Начальная скорость частицы 0,3 м/с, амплитуда напряжения 62 кВ, расстояние между контактами 15 мм:
а - графики первого движения частицы радиусом 250 мкм при старте против и в направлении действия ускорения силы тяжести при различных фазах напряжения в момент начала движения; б - графики 20 последовательных полетов частицы радиусом R=50 мкм при различных значениях коэффициента отражения (К) по скорости; фаза напряжения в момент начала движения равна 10°.

Колебания скорости около среднего значения обусловливаются случайным изменением фазы \|/ и связанными с этим вариациями заряда шарика и действующей на него силы. О наибольшей скорости vh6, до которой разгоняется шарик, можно судить по данным табл. 3, из которой видно, что шарики диаметром 0,1 мм разгоняются до скорости 6,7-10 м/с при изменении коэффициента отражения К в пределах 0,4-0,8; шарики диаметром 0,5 мм разгоняются до 2-3,3 м/с. Шарики диаметром 1 мм (К=0,8) за 0,3 с совершают примерно пять перелетов и набирают скорость до 1,1 м/с, однако на установившийся в среднем режим движения за это время не выходят.

Из (3) и (4) получим:
Таблица 2
Приведенные данные о скорости v
относятся к определенным конкретным условиям. Связь наибольшей скорости с напряжением, геометрическими и другими факторами может быть выражена в более общей форме при воздействии постоянного напряжения. Скорость v ,
Таблица 3
Наибольшая скорость (vi6, м/с) шарика в первых двадцати полетах в межэлектродном промежутке при переменном напряжении 4Ф/2 кВ; максимальная скорость (v ) шарика при действии постоянного напряжения 62 кВ

* Неустановившийся режим.
Средняя скорость шариков (м/с) в первом полете при различных фазах старта \|/ с нижнего электрода. Амплитуда напряжения 62 кВ, частота 50 Гц, начальная скорость шариков 0,3 м/с, их плотность 8-103 кг/м3

* Шарик возвратился на нижний электрод.

приобретаемую шариком при воздействии постоянного напряжения, найдем из условия, что ее увеличение прекращается при равенстве работы поля по перемещению
шарика между электродами потерям энергии при ударах об электроды, т.е.
(4)

Заряд шарика связан с напряжением зависимостью [5]

(5)
Здесь R и р - радиус и плотность материала шарика.
Выражение (5) устанавливает связь между скоростью, до которой разгоняется шарик, перелетая с электрода на электрод, значением постоянного напряжения на электродах, межэлектродным расстоянием, размерами шарика и плотностью его материала, коэффициентом отражения при ударе об электрод. Разумеется, при воздействии переменного напряжения связь скорости шарика с перечисленными факторами остается качественно той же. Появление фактора \|/ должно привести к снижению скорости. В табл. 3 приведены результаты расчета по формуле (5) максимальной скорости шариков, приобретаемой ими при воздействии постоянного напряжения, равного амплитуде переменного, принятой при расчете vh6, а также выполнено сравнение скоростей уги v . Видно, что скорость шариков диаметром 0,1 мм при переменном напряжении составляет 80% скорости, развиваемой ими при постоянном напряжении, равном амплитуде переменного.
Таблица 4
Время (мс) 5 (10) полетов шариков различного диаметра (t/1 = 62 кВ, vo = 0,3 м/с, d = 15 мм, \|/ = 10 - 130°)

                                                            
Более крупные шарики (D = = 0,5 мм) разгоняются лишь до 60% скорости при постоянном напряжении. Это обусловлено тем, что мелкие шарики за счет большей скорости, покрывая межконтактное расстояние за 1,5-2 мс, успевают при напряжении, близком к амплитудному, совершить два-три перелета и набрать соответствующую скорость. На крупные шарики в силу их инерционности переменное напряжение действует неким усредненным образом, что и приводит к уменьшению отношения v Jv , до 0,5-0,6.

Естественно предположить, что при движении в межконтактном промежутке ВДК частиц произвольной формы связь между vmax, U, d, с качественно соответствует (5).
В контактной системе ВДК из-за ограниченности ее диаметра, неровностей на поверхностях контактов и отличия формы свободных частиц от сферической последние через несколько перелетов с контакта на контакт оказываются за пределами межконтактного промежутка. При этом они перестают играть роль фактора, провоцирующего пробой промежутка, но поскольку скорости частиц достигают нескольких метров в секунду, они после вылета из межконтактного промежутка могут оказаться практически в любой точке объема ВДК, в том числе в межэкранных промежутках, снижая их прочность.
Из фактов практически полного отсутствия пробоев ВДК через 0,3 с и наличия в межконтактном промежутке частиц размером примерно 1 мм, а также данных табл. 4 о времени 5-9 полетов крупных (D > 0,5 мм) шариков следует, что в данной контактной системе за 0,3 с крупные частицы могли совершить по 5-10 полетов, после которых они оказывались вне межконтактного промежутка, иначе наблюдались бы пробои за пределами интервала времени 0,3 с.
Естественно принять, что для выхода из межконтактного промежутка мелких частиц требуются те же 5-10 полетов. Принимая во внимание данные табл. 4 для шариков диаметром 0,1 мм, можно сделать вывод о том, что освобождение промежутка от мелких частиц происходит примерно за 15 -110 мс. Следовательно, в межконтактном промежутке дольше других задерживаются крупные частицы. Число их с течением времени убывает. Если предположить, что частицы по направлениям движения и скоростям распре- делены случайным образом, то уменьшение их числа в межконтактном промежутке будет происходить по экспоненциальному закону, подобно уменьшению числа молекул газа в некотором объеме при его откачке с постоянной скоростью. При этом допущении постоянная Т экспоненты, в соответствии с которой убывает число частиц в межконтактном промежутке, обусловливается их скоростью, а также формой и размерами промежутка. В первом приближении она равна
(6)
где W - объем межконтактного промежутка; S - поверхность, через которую частицы покидают промежуток, в том числе зазоры и щели в контактах; v - средняя арифметическая скорость частиц.
В практически реализуемых контактных системах значение Т находится в пределах от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды. Оценка по формуле (6) показывает, что постоянная времени убыли крупных частиц в межконтактном промежутке испытанной ВДК с учетом их скорости (примерно 1 м/с) и размеров межконтактного пространства (диаметр контактов 80 мм, межконтактное расстояние 15 мм) близка к постоянной 7М),1 с распределения (1), характеризующего плотность распределения времени возникновения пробоев. Близость значений постоянных времени процессов освобождения промежутка от частиц и уменьшения риска возникновения пробоев является еще одним доказательством преобладающей роли частиц в провоцировании пробоев в первые периоды после отключения.
Мелкие частицы могут стимулировать пробои в течение первой сотни миллисекунд. Но в особенности они опасны во время действия переходного восстанавливающегося напряжения, когда напряженность электрического поля в межконтактном промежутке увеличивается на 20-60%.
Далеко не каждая из частиц может привести к возникновению пробоя. Чтобы пробой произошел, необходимо выполнение ряда условий, в том числе: частица должна подлетать к отрицательному контакту; место подлета частицы не должно оказаться «потенциальной ямой»; напряжение между контактами в момент подлета должно быть достаточным для пробоя; фаза подлета частицы к контакту за вычетом целого числа периодов должна существенно отличаться от фазы в момент ее последнего старта. Вероятность одновременного выполнения этих условий много меньше единицы. Поэтому даже при наличии в межконтактном промежутке свободно перемещающихся частиц его пробой не является неизбежным.

Список литературы

1. Merai У, Toy а Н., Nitta Т. Statistical Property of the breakdown of breakers and its influence on the surge generation in capacitive and reactive current interruption. - IEEE Transactions, 1979, vol. PAS - 98, № 1.
2. Вакуумная дугогасительная камера для выключателей высокого напряжения t АЛ. Перцев, В.Б. Козлов, Л.Г. Гусева и др. - В кн.: Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. М.: Инфор- мэлектро, 1980, вып. 3.
3. Перцев А.А., Гусева Л.Г., Рыльская Л.А. Вакуумные дугогасительные камеры для выключателей 35 и 110 кВ. - В кн.: Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. М.: Информэлектро, 1981, вып. 8.
4. Олендзская Н.Ф. Пробой вакуумного промежутка при переносе между электродами проводящих частиц. - Радиотехника и электроника, 1963, №3.
5. Лебедев Н.Н., Скальская И.П. Сила, действующая на проводящий шарик, помещенный в поле плоского конденсатора. - ЖТФ, 1962, т. 32, вып. 3.