Разработка коммутационной аппаратуры для импульсной техники и энергетики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

Лавринович Валерий Александрович

Разработка коммутационной аппаратуры для импульсной техники и энергетики

01.04.13 — электрофизика, электрофизические установки

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Томск — 2005

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН и в ФГНУ НИИ высоких напряжений

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Лопатин Владимир Васильевич (ФГНУ НИИ высоких напряжений, г. Томск)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корреспондент РАН Вершинин Юрий Николаевич (Институт электрофизики УрО РАН, г Екатеринбург)

доктор технических наук, профессор Овсянников Александр Георгиевич (Новосибирский государственный технический университет, г Новосибирск)

доктор технических наук, профессор Халилов Ферудин Халилович (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г Санкт-Петербург)

Ведущая организация:

НИИ электрофизической аппаратуры им. Д В Ефремова (г, Санкт-Петербург)

Защита состоится " ¿¿¿¿'¿¿¿с 2005 г. в сов на заседании дис-сертационног совета Д004.024.01 в Институте электрофизики УрО РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики УрО РАН

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, прошу присылать по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106, ИЭФ УрО РАН

Автореферат разослан " 3 " МО- ^ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д. ф.-м. н.,

Н Н СЮТКИН

Содержание

Общая характеристика работы.................................................................. 4

1. Тригатронные сильноточные наносекундные

коммутаторы мегавольтного диапазона................................................... 7

1 1 Экспериментальное оборудование

созданное для проведения исследований ... ... 8

1 2 Пробой в резконеоднородном поле при наносекундных

временах воздействия напряжения .... 8

1 3 Принцип работы мегавольтных тригатронов

с искажением поля . . ................11

1 4 Влияние состава газовой среды коммутатора на

его коммутационную способность .12

1 5 Реализация предложенного принципа работы

управления тригатронным разрядником.......................12

1 6 Выводы .......................................14

2. Вакуумные разрядники отпаянной конструкции.....................................15

2 1 Проблемы создания вакуумных разрядников отпаянной конструкции ..16

2.2 Конструкции вакуумных разрядников.....................................17

2 3. Временные характеристики разрядника....................22

2 4. Результаты разработки ..................................................................23

2 5. Предельные характеристики разрядника по току.........................24

2 6 Формирование килоамперных импульсов тока

регулируемой длительности...................................... 25

2.7 Оптимизация конструкции электродной системы разрядника...........26

2 8. Разрядники низкого давления .................................................27

2 9. Технология изготовления вакуумных разрядников ....................29

2.10. Выводы .......................................................................31

3. Вакуумные выключатели............................................................................31

3.1. Приводы вакуумных выключателей.....................33

3.2 Выключатели с электромагнитным приводом ................................34

3 3 Выключатели с пружинными приводами ......................................37

3 4 Вакуумный выключатель высокой коммутационной способности 39

3.5 Малогабаритный вакуумный выключатель типа ВБСК-10-20 .........42

3 6. Вакуумные выключатели на номинальное напряжение 20 и 35 кВ ... 44 3 7 Выключатель для магистральных электровозов и электропоездов... 47 3 8 Исследование перенапряжений, возникающих в сети

при работе вакуумных выключателей ..................................48

3 9 Сравнение разработанных выключателей с существующими..........52

3 10 Выводы ............. ...............................53

Заключение....................................................................................................54

Список опубликованных работ по теме диссертации............................56

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА |

>| III «.|М11-Ш1»

Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации

В современных электрофизических и энергетических устройствах используются коммутирующие аппараты, работающие от единиц вольт до мегавольт, при токах от единиц ампер до мегаампер и длительности от стационарных, измеряемых годами, до наносекунд

В качестве рабочей среды в коммутационных аппаратах применяются практически все средьг вакуум, газ, жидкие и твердые диэлектрики, полупроводники, жидкие металлы.

Для управления используют как механические (перемещение контактов, разрушение изолирующей среды), так и электрофизические способы (управление электрическим или магнитным полем, искрой, плазмой, лазерным лучом, ультрафиолетовым излучением).

Исследователи и разработчики импульсной техники, электрофизических установок, силового энергетического оборудования сталкиваются с проблемой создания коммутирующих аппаратов, которые во многом определяют основные технические характеристики, ресурс и надежность всего комплекса энергетического оборудования В этой связи актуальны разработки новых оптимизированных коммутирующих устройств для различных научных и технических целей, открывающих перспективы дальнейшего развития электрофизических и электротехнических аппаратов.

Следует отметить, что в настоящее время как емкостные, так и индуктивные накопители заряжаются от первичных источников энергии за время порядка 1 мкс Увеличение мощности первичных накопителей и последующих ступеней компрессии энергии, как правило, происходит за счет параллельной работы нескольких синхронно работающих модулей В современных мощных установках требуется наносекундная стабильность работы отдельных модулей при напряжениях порядка нескольких мегавольт Следовательно актуально создание мощных коммутирующих устройств с высокой стабильностью срабатывания.

Реализация достижений науки в промышленности требует создания установок с серийно выпускаемыми элементами: конденсаторами, разрядниками, выключателями и др , таким образом, актуальной задачей является разработка коммутирующих аппаратов, которые можно выпускать серийно для различного вида потребителей и для различных целей.

Цель диссертационной работы:

1. Создание высоковольтной коммутационной аппаратуры для импульсной техники и энергетики.

Задачи, требующие решения для достижения поставленной цели:

1 Создание мегавольтных газовых коммутаторов на предельные параметры по стабильности срабатывания

2 Разработка технологии серийного производства вакуумных управляемых разрядников отпаянной конструкции с пропускаемым количеством электричества за срабатывание до 100 Кл

3 Разработка технологии серийного производства псевдоискровых разрядников

4 Создание конструкций вакуумных выключателей на номинальные напряжения 6 + 35 кВ для серийного производства

5 Исследование коммутационных перенапряжений при работе вакуумных выключателей в электросетях, разработка мер и средств защиты от опасных уровней возникающих коммутационных перенапряжений

Новизна:

1. Обнаружен немонотонный ход зависимости времени запаздывания и напряжения пробоя от давления электроотрицательных газов в наносекундном диапазоне, неоднородных полях и положительной полярности напряжения.

2. Созданы мегавольтные многоискровые, по числу поджигающих узлов, газовые коммутаторы с наносекундной стабильностью срабатывания.

3 Разработана технология и конструкции серийно выпускаемых сильноточных управляемых вакуумных отпаянных разрядников, пропускающих до 100 Кл за одно срабатывание в классе напряжения до 50 кВ.

4. Разработаны вакуумная технология производства разрядников низкого давления на рабочее напряжение 15 кВ, ток до 6 кА, ресурс 106 импульсов при частоте повторения до 50 с-1 и стабильности срабатывания ±1 не

5 Создан ряд серийно выпускаемых вакуумных выключателей на номинальные напряжения 6 ^ 10 кВ, номинальный ток от 630 до 3150 А и номинальный ток отключения от 10 до 40 кА

6 В реальных сетях энергетики с печными трансформаторами и мощными электродвигателями получены характеристики коммутационных перенапряжений, возникающих при работе вакуумных выключателей, и разработаны рекомендации по их ограничению

Личный вклад автора:

Автор являлся руководителем большинства представленных исследований и разработок, лично ставил задачи исследований, разрабатывал методики проведения

экспериментов и анализа полученных результатов, принимал непосредственное участие в экспериментах по получению данных и их обработке Возглавлял конструкторс-ко-технологические работы по созданию макетов, опытных образцов, серийных изделий и технологий их производства Фамилии соавторов, принимавших участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации В большинстве основных работ, выполненных с соавторами, вклад автора был определяющим Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично

За комплекс работ по исследованию, созданию и освоению серийного производства вакуумных выключателей высокого напряжения Лавринович В А в составе авторского коллектива удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники в 2002 г.

На защиту выносятся

1. Объяснение обнаруженной немонотонной зависимости времени запаздывания и напряжения пробоя от давления газа, за счет существования максимумов сечения прилипания электронов к молекулам электроотрицательных газов от энергии электронов.

2. Разработанный потенциальный (полевой) принцип управления газовыми коммутаторами с оптимизированной геометрией электродов и составом газовой среды, реализованный в конструкциях мегавольтных газонаполненных разрядников тригатрон-ного типа с наносекундной стабильностью срабатывания.

3. Разработанные конструкции и технология серийно выпускаемых отпаянных управляемых вакуумных разрядников, позволяющих многократно (до 104 раз) коммутировать более 100 Кл электричества за одно срабатывание при напряжении до 50 кВ со скоростью нарастания тока до 1011 А/с.

4. Результаты конструкторских и технологических исследований, позволившие создать конструкции вакуумных выключателей на номинальные напряжения 6, 10 и 35 кВ, номинальные токи отключения 10,12,5, 20, 31,5 и 40 кА, номинальные токи 630, 1000, 1600,2000,2500 и 3150 А с ресурсом по номинальному току отключения 50 циклов "включено-отключено" и по номинальному току — 50 тысяч циклов "включено-отключено".

5. Установленные опасные для изоляции режимы коммутации мощных электродвигателей и печных трансформаторов вакуумными выключателями, разработанные меры по ограничению коммутационных перенапряжений в этих режимах, найденные параметры резистивно-емкостных ограничителей перенапряжений, обеспечивающих защиту от них двигателей и трансформаторов в сетях 6 + 10 кВ.

Практическая ценность и реализация результатов

1 Созданы коммутаторы для ускорительного комплекса "Ангара-5", который использовался в эксперментах по управляемому термоядерному синтезу в Институте атомной энергии им И В Курчатова, и для установки "Модуль", которая используется для исследования плотной высокотемпературной плазмы в Институте сильноточной электроники СО РАН

2 Созданы и серийно выпускаются управляемые вакуумные разрядники отпаянной конструкции на номинальные напряжения от 10 до 50 кВ стоком коммутации до 400 кА, количеством пропускаемого электричества за одно срабатывание до 100 Кл, со стабильностью срабатывания 50 не Разрядники используются в различных отраслях промышленности, в частности, в установках магнитно-импульсной штамповки, электрогидравлической обработки, электроискровой обработки, при различных электрофизических исследованиях Серийный выпуск вакуумных разрядников на ОАО "ЭНЭ-КО" составил порядка 10000 штук за период с 1991 по 2002 г

3 Изготовлены опытные образцы по серийной технологии разрядников низкого давления на параметры рабочее напряжение до 15 кВ, ток до 6 кА, частота следования импульсов 50 с"1, ресурс ~106 импульсов Разрядники низкого давления были использованы в экспериментах по созданию эксимерных лазеров

4 Разработаны и серийно выпускаются на нескольких электроаппаратных заводах России ряд вакуумных выключателей на класс напряжения 6 -10 кВ Например, ОАО "Электрокомплекс" выпущено порядка 50 тысяч вакуумных выключателей, которые используются практически во всех энергосистемах РАО "ЕЭС России" и на ряде подстанций крупных предприятий, таких как Братский лесоперерабатывающий комплекс, Ачинский глиноземный комбинат, Норильская горная компания, Волжский автозавод, Камский автозавод и т д Кроме этого освоено серийное производство вакуумных выключателей на ОАО "Свободненский электроаппаратный завод", ОАО "ЭНЭ-КО", ОАО "Уфимский электроаппаратный завод"

Апробация работы и публикации

1 На 13 и 16 Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах, на 13 Международном симпозиуме по сильноточной электронике, на Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике, на Всесоюзных конференциях "Импульсные источники энергии", на Второй Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (23-25 июня 1981, Ленинград), на VII Симпозиуме "Электротехника 2010" (Москва, 2003)

2 По материалам диссертации получено 7 авторских свидетельств и патент

3 Материалы диссертации опубликованы в 53 научных работах, список которых приведен в конце доклада

1. Тригатронные сильноточные наносекундные коммутаторы ме-гавольтного диапазона

Развитее техники генерирования сильноточных наносекундных импульсов связано с практическими потребностями таких областей научных исследований, как инициирование термоядерной реакции, возбуждение мощных колебаний СВЧ диапазона, получение высокоинтенсивных потоков рентгеновского излучения, инициирование объемных разрядов и накачка мощных газовых лазеров Одним из наиболее важных элементов сильноточных генераторов является коммутатор, который определяет как стабильность срабатывания импульсного устройства, так и скорость нарастания мощности на нагрузке.

Скорость роста тока 1013 А/с и выше при напряжении порядка 106 В и более в настоящее время могут обеспечивать искровые разрядники с использованием высокопрочных диэлектриков. Дальнейшим перспективным направлением увеличения мощности на нагрузке является создание генераторов с большим числом параллельных модулей Для параллельной работы модулей требуются коммутаторы с наносекунд-ной стабильностью срабатывания.

Выяснение условий наносекундной стабильности срабатывания мегавольтных тригатронов, а также определение параметров тригатрона, позволяющих достигнуть этого, являлось перспективной задачей, результаты решения которой могут найти применение при создании сильноточных генераторов мощностью 1014 Вт

1.1. Экспериментальное оборудование, созданное для проведения исследований

Для проведения этой работы было создано экспериментальное оборудование для исследования характеристик коммутаторов в диапазоне напряжения 0,2—3,0 МВ, тока 50—500 кА при характерном времени роста напряжения ~1 мкс

Для регистрации параметров исследуемых коммутаторов решена задача регистрации напряжения в линиях с высоким значением диэлектрической постоянной, где традиционные конструкции делителей напряжения не применимы. Разработана конструкция делителя напряжения на сосредоточенных элементах (конденсаторы типа СГМ-4Б). Такие делители конструктивно просты, не искажают электрическое поле в линии, позволяют измерять зарядное напряжение (время заряда ~10_6 с) и сформированный коммутатором импульс (характерное время 10"8 — 10"7 с)

Все измерения проводились с применением предварительной калибровки дат-

чиков тока и напряжения совместно с используемым осциллографом по специально разработанным методикам В результате полученные результаты соответствуют доверительному интервалу 6 - 7% с доверительной вероятностью 95%

1.2. Пробой в резконеоднородном поле при наносекундных временах воздействия напряжения

Отсутствие данных о пробое газов при высоком давлении в резко и слабо неоднородных полях при наносекундных временах воздействия напряжения стимулировало исследование разрядных и коммутационных характеристик газов, применяемых в разрядниках' азота и его смесей с кислородом, элегаза и его смесей с азотом Эти результаты важны для понимания механизма работы тригатронов с наносекундными запаздываниями.

Сняты вольтсекундные характеристики для системы электродов острие-плоскость(О-П) при воздействии импульсов с фронтом 4 не и амплитудой до 40 кВ. Установлено, что эффект полярности проявляется и при наносекундных временах запаздывания разряда (рис. 1.1).

На зависимости пробивного напряжения ипр от давления элегаза Р, построенной при фиксированном времени

кВ

30

20

10

I I I I —

\\ -о, п

ч /

+о п

|

1„ НС

0 20 40 60 80 100 120 Рис 1 1 Вольтсекундные характеристики промежутка острие-плоскость (зазор 1 мм, радиус острия 5^10 мкм)

запаздывания пробоя 13 по вольтсекундным характеристикам, наблюдается явно выраженный максимум (рис 1 2, а) На зависимости пробивного напряжения ипр от давления Р технического азота (95 объемных % Л',) при времени воздействия напряжения

и„ 1.В

а)

б)

Рис 1 2. а — участок зависимости пробивного напряжения от давления элегаза в системе электродов острие-плоскость при разных временах запаздывания пробоя (зазор 0,5 мм, радиус острия 5 мкм). 1 —

¡з-Юнс, 2 — 13 = 15 нс \ б — участок зависимости пробивного напряжения 11пр техни-

ческого азота (95 объемных % Л/2) от давления газа (13= 80 не, длина зазора 10 мм) 1 — радиус острия 0,5 мм, 2 — радиус острия 0,06 мм

(у 80 не при двух значениях радиуса острия положительной полярности 0,5 мм и 0,06 мм также прослеживается максимум при давлении газа =10 ат (рис 1 2, б)

При напряжениях до 300 кВ и фронте импульса около 20 не определены зависимости пробивного напряжения ипр и времени запаздывания пробоя 13 от давления газа при положительной полярности острия для технического азота (95 объемных % Лу и чистого азота (99 объемных % На зависимости времени запаздывания (3 от

давления газа Р (см -рис 1 3) есть один или два максимума в зависимости от условий эксперимента На графике пробивного напряжения ипр технического азота от давления Р имеется максимум при некотором давлении, которое для данных экспериментальных условий составило =10 ат. При импульсном воздействии напряжения, согласно данных Дж Мика и Дж Крэгса, пробивное напряжение в зависимости от давления газа в системе электродов острие-плоскость при положительной полярности острия может быть значительно меньше, чем при отрицательной полярности острия Это объясняется различным влиянием формирующихся объемных зарядов при развитии разряда и прилипанием электронов к молекулам электроотрицательных газов, таких как 02, С12, и т- Д Предложено объяснение существования одного или двух локальных максимумов на зависимости пробивного напряжения от давления на основе изменения сечения прилипания электронов к молекулам электроотрицательного газа от их энергии, которого, например, в техническом азоте может быть до 4% по объему

Оценки электростатической напряженности поля показывают, что в наших условиях ее значения у острия Р=0,06 мм достигает Е=1,2 107 В/см, что соответствует Е/РИ600 В/см мм рт ст и у острия Я=0,5 мм — Е=2Ю6 В/см, что соответствует Е/Р=280 В/см мм ртст При этом энергия электронов может достигать 5-40 эВ Для кислорода на зависимости сечения прилипания (при диссоциативном захвате) от энергии электронов согласно данных Э Д Лозанского и О Б Фирсова имеется максимум при Ее=6,4 эВ и Ее=30 эВ При разряде в азоте и воздухе в полях близких к однородному средняя энергия электронов составляет 2-3 эВ при значениях Е/Р=20-40 В/см мм рт ст, соответствующих пробивным значениям напряжения Поэтому в полях, близких к однородному, сечение прилипания электронов в кислороде имеет небольшое

—10 —

и, не

Рис 1 3 Участок зависимости времени запаздывания пробоя от давления газа (зазор 10 мм, радиус острия 0,5 мм).

значение (малая вероятность образования отрицательных ионов) и на зависимости илр(Р) аномалий не наблюдается В резко неоднородных полях типа острие-плоскость при высоких Е/Р при положительной полярности острия и вблизи него возможно существование электронов с энергией близкой к 6,4 эВ, при которой наблюдается максимум сечения прилипания Это вызывает образование отрицательных ионов и замедление развития разрядных процессов, что выражается в увеличении времени запаздывания пробоя 13 от давления газа или пробивного напряжения ипр при одинаковом времени запаздывания пробоя ^ Благодаря высоким значениям Е/РИ600 В/см мм рт ст энергия электронов при развитии разрядных процессов может достигать даже 30+40 эВ, что соответствует второму, меньшему максимуму на кривой сечения прилипания электронов в кислороде Следовательно, и на кривой времени запаздывания пробоя от давления газа ^(Р) должен наблюдаться второй меньший максимум при меньшем давлении Это зарегистрировано при соответствующих условиях эксперимента В особо чистом азоте, где кислорода меньше 1%, наблюдается лишь незначительный максимум на зависимости времени запаздывания пробоя оглавления газа уР).

1.3. Принцип работы мегавопьтных тригатронов с искажением поля

Немонотонная зависимость пробивного напряжения от давления газа ипр(Р) в резко неоднородном поле позволяет использовать этот эффект при управлении разрядниками, у которых электрическое поле однородно между основными электродами и резко неоднородно между пусковым и одним из основных электродов, например, для разрядников тригатронного типа (рис 14 а)

Предложен способ поджига разрядника, в котором использован эффект немонотонной зависимости пробивного напряжения от давления газа ипр(Р). На рис 14 6

приведены зависимости пробивного напряжения между основными электродами 1-2 тригатронного разрядника и между поджигающим и противоположным основным 1-3, причем в этом случае имеется минимум на зависимости пробивного напряжения от давления.

Согласно полученных результатов это происходит при применении электроотрицатель-

Эл ектроды 1 2

Электроды 1-3

Давление газа

а) б)

Рис 1 4. а) схематическое изображение разрядника тригатронного типа, б) пробивные напряжения между соответствующими электродами при использовании электроотрицательных газов

ных газов или их смесей и положительной полярности поджигающего электрода. В отсутствие поджигающего импульса зарядное напряжение приложено к электродам 1-2 и разрядник выдерживает это напряжение При подаче поджигающего импульса на электрод 3 можно организовать условия, соответствующие точке Ркр, что соответствует минимальному пробивному напряжению и, следовательно, наименьшему, по сравнению с другими давлениями, времени срабатывания разрядника.

Исследована возможность запуска мегавольтных тригатронов, основанная на эффекте искажения поля в промежутке меиеду основными электродами при подаче поджигающего импульса. Показано, что усиление электрического поля у поджигающего электрода 3 (рис. 1 4) при подаче пускового импульса напряжения полярности противоположной полярности противолежащего основного электрода 1, может обеспечить наносекундную стабильность пробоя промежутка поджигающий электрод - противоположный основной электрод 1-3. После перехода потенциала основного электрода 1 на пусковой электрод 3 пробивается промежуток пусковой электрод - прилегающий к нему основной электрод 2-3. Экспериментальными исследованиями найдены условия, позволяющие реализовать указанный механизм в тригатронных разрядниках, заполняемых газами, содержащими примеси электроотрицательных газов, таких как кислород или элегаз.

Способность тригатронных разрядников работать с наносекундной стабильностью в широком диапазоне рабочих напряжений (до 50% от напряжения самопробоя) открыла возможность многоканальной, по числу поджигающих узлов, коммутации в одном разрядном промежутке без дополнительной развязки между искрами Получена устойчивая восьмиканальная коммутация в одном разрядном промежутке при тригат-ронном способе поджига в диапазоне (60 — 100%)1)пр. Установлено, что при многоискровом инициировании время запаздывания срабатывания Ц уменьшается по сравнению с одноискровым режимом при одинаковых прочих условиях. Исследовано влияние числа каналов и уровня напряжения на разряднике на его коммутационную характеристику. Показано, что при 8-канальном разряде амплитуда коммутируемого тока возрастает более чем в 2 раза по сравнению с одноискровым разрядом в низкоомных линиях с волновым сопротивлением менее 3 Ом с характерными временами после начала коммутации порядка 20 не.

1.4. Влияние состава газовой среды коммутатора на его коммутационную способность

Проведена работа по поиску смеси газов для улучшения параллельной работы большого числа искровых каналов и достижения максимальных скоростей спада напряжения на коммутаторе после инициирования пробоя. Результаты исследования

показывают, что добавки аргона в высокопрочные газы азот и элегаз уменьшают и стабилизируют время запаздывания пробоя промежутка, однако увеличивают падение напряжения на коммутаторе Найден компромиссный состав смеси газов 80%М2+Ю%5Р6+10%Аг для получения многоканальной коммутации, который обеспечивает максимальные скорости спада напряжения на коммутаторе при минимальных времени запаздывания и его разбросе

1.5. Реализация предложенного принципа работы управления тригатрон-ным разрядником

По результатам, полученным при исследовании тригатронных коммутаторов, работающих с наносекунд ной стабильностью, разработаны коммутаторы для установки "Ангара-5" (зарядное напряжение 2,3 МВ, время заряда 1 мкс, волновое сопротивление ДФ/11,4 Ом). Конструктивная схема коммутатора для установки "Ангара-5" приведена на рис. 1.5.

В условиях ограниченных поперечных размеров камеры коммутатора необходимо было скоординировать изоляцию конструкции так, чтобы срабатывание коммутатора не приводило к перекрытию по поверхности камеры Для исследований пусковых характеристик оказались перспективны две конструкции коммутатора: однозазорный со сплошной диэлектрической камерой (рис. 1.5, а) и двухзазорный со средним электродом, разделяющим конструкцию на две последовательные камеры (рис. 1.5, б). Испытания на стенде с напряжением 3 МВ показали примерно одинаковую электрическую прочность, достигающую 2,4 МВ Средний разброс времени срабатывания для всех случаев работы однозазорного коммутатора с тригатронным поджигом составил ±3 не,

а) б)

Рис. 1.5. Конструктивная схема и общий вид коммутаторов установки "Ангара-5", а) однозазорный коммутатор, б) двухзазорный коммутатор.

■У/////. " ......-■■- у////////.

б) и 5 6 / 7 / Г~

Рис 1.6. Варианты конструкций коммутаторов установки "Модуль", а) электроды коммутатора расположены в шести отверстиях полиэтиленовой диафрагмы диаметром 2 м, 6) коммутатор выполнен в виде шести отдельных модулей. 1,3 — электроды разрядника, 2 — стягивающая диэлектрическая шпилька, 4 — поджигающий электрод, 5 — изолятор, 6 — прослойка воды, 7 —диэлектрический корпус.

а для двухзазорного с поджигом искажением электрического поля, примерно, в 2 раза больше. Диапазон управления (60 — 100%)ипр.

Испытания этих коммутаторов непосредственно на модуле ускорительного комплекса "Ангара-5" показали примерно одинаковые результаты по параметрам выходного импульса.

Разработаны коммутаторы для установки "Модуль" (зарядное напряжение 2,4 МВ, время заряда 1,2 мкс, волновое сопротивление ФЛ 4,6 Ом), которая должна обеспечивать получение импульсов тока длительностью ~10"7 с аплитудой порядка 106 А и выше. Достижение проектных параметров "Модуля", как показывают расчеты, возможно только при параллельной работе не менее 6-ти коммутаторов.

Разработано два варианта конструкции коммутаторов: расположение всех 6-ти коммутаторов в одном общем полиэтиленовом изоляторе диаметром 2 м (рис. 1 6, а) и шесть автономных конструкций в корпусе из оргстекла с прослойкой воды вдоль камеры коммутатора с наружной стороны для равномерного распределения напряжения вдоль поверхности изолятора (рис 1 6, б).

Испытания на электрическую прочность, проведенные на стенде с напряжением 3 МВ показали, что в конструкции первого варианта часто происходили перекрытия в газе при напряжении более 1,2 МВ Вторая конструкция позволила получить пробивное напряжение на 30% больше Рис. 1.7. Общий вид по сравнению с первой и исключить перекрытия за счет бо-

коммутатора установки лее равномерного распределения напряжения вдоль повер-"Модуль" (вариант 2).

хности изолятора, достигаемое введением прослойки воды При давлении элегаза в коммутаторе 6 ат и межэлектродном зазоре 40 мм пробивное напряжение второй конструкции составило 1,7 МВ при длине коммутатора 250 мм, наружном диаметре 300 мм

Общий вид используемого коммутатора для установки "Модуль" приведен на

рис. 1 7 1.6. Выводы

1 Созданы испытательные стенды с необходимым комплексом вспомогательной и измерительной аппаратуры для исследования характеристик сильноточных коммутаторов в диапазоне напряжения от 40 кВ до 3 МВ, тока до 500 кА с временным разрешением до 1 не.

2 Результаты исследований пробивных характеристики азота, элегаза и их смесей в системе электродов острие-плоскость при временах воздействия напряжения 5 + 200 не показали, что эффект полярности при пробое в резко неоднородном поле существует вплоть до единиц наносекунд. Обнаружено, что зависимости пробивного напряжения от давления газа имеют немонотонный характер при наносекундных временах воздействия напряжения, когда полярность острия положительна, если в газе имеются примеси электроотрицательных газов — кислорода или элегаза

3. Объяснено существование одного или двух максимумов на зависимости пробивного напряжения и времени запаздывания от давления газа в системе электродов острие-плоскость. Предложен способ поджига тригатронного разрядника, основанный на эффекте этой немонотонной зависимости.

4. Установлены условия многоканальной — по числу поджигающих узлов — работы тригатронных коммутаторов без развязки между каналами. Показано, что для получения времени запаздывания 10"8 с и менее необходимо, чтобы пробой происходил за счет усиления электрического поля на поджигающем электроде.

5. Найдена газовая смесь 10%8Р6+80%^+10%Аг, которая позволяет получать максимальную скорости нарастания тока через коммутатор при наносекундной стабильности срабатывания.

6. Получена восьмиканальная коммутация — по числу поджигающих узлов — в одном разрядном промежутке при тригатронном способе управления и времени приложения напряжения -1 мкс.

7 На основании проведенных исследований и анализа полученных данных при участии автора разработаны конструкции коммутаторов дпя ускорительного комплекса "Ангара-5" (зарядное напряжение 2,3 МВ, время заряда 1 мкс, волновое сопротивление ДФЛ 1,4 Ом) и установки "Модуль" (зарядное напряжение 2,4 МВ, время заряда 1,2 мкс, вопновое сопротивление ФЛ 4,6 Ом)

2. Вакуумные разрядники отпаянной конструкции

Для коммутации токов 50-500 кА при напряжении от единиц киловольт до 100 кВ с большой пропускной способностью по количеству пропускаемого электричества за одно срабатывание (до 300 Кл) наиболее перспективны вакуумные разрядники (давление остаточных газов порядка Ю-4 Па и менее) Включение таких разрядников осуществляется подачей на пусковой электрод импульса напряжения амплитудой напряжения 4-5 кВ, что вызывает пробой по поверхности диэлектрической вставки в узле поджига и инициирование искрового разряда Этот разряд генерирует сильно ионизованную плазму, которая распространяется в вакуумный зазор Когда плазма заполняет зазор между основными электродами разрядника, происходит развитие дугового разряда между основными электродами. Разрядник включается

Дуга в парах металла способна пропустить большие токи между основными электродами, не вызывая их значительной эрозии При этом падение напряжения на дуге сравнительно невелико и составляет от десятков до сотни вольт Вакуумная дуга самоподдерживается до тех пор, пока ток не снизится до некоторого критического значения, близкого к единицам ампер, которое зависит от материала электродов. В результате быстрой деонизации плазмы и сорбции металлического пара на электродах и стенках камеры разрядника вакуумный промежуток имеет высокую скоростью восстановления электрической прочности.

Вакуумные коммутирующие устройства по сравнению с газовыми разрядниками имеют значительно меньший межэлектродный зазор, что позволяет существенно уменьшить индуктивность коммутирующего устройства Специальной геометрией электродов разрядника можно добиться квазиобъемного характера дуги, это позволяет еще больше снизить индуктивность коммутирующего устройства.

Можно выделить следующие преимущества вакуумных разрядников по сравнению с другими коммутирующими устройствами:

— по сравнению с газоразрядными устройствами вакуумные разрядники имеют более широкий диапазон управления (от 0,1 до 1,0 ипр), причем без изменения времени запаздывания срабатывания,

— по сравнению с игнитронными разрядниками вакуумные разрядники не требуют термостабилизации в диапазоне от минус 60°С до плюс60°С, и не чувствительны к механическим вибрациям, могут работать в произвольном положении в пространстве, экологически безопасны как при эксплуатации, так и при утилизации,

— по сравнению с тиратронами они не требуют накала и имеют 100% готовность к работе независимо от условий окружающей среды,

— по сравнению с полупроводниковыми импульсными коммутирующими при-

борами вакуумные разрядники превосходят их по пропускной способности количества электричества на единицу рабочего объема, значительно дешевле, не чувствительны к температуре.

Все эти предпосылки легли в основу создания управляемых вакуумных разрядников отпаянной конструкции Работы по созданию сильноточных вакуумных разрядников были начаты во Всероссийском электротехническом институте им. В И Ленина под руководством Воздвиженского В А с участием Алферова Д Ф и Сидорова В А , продолжены нами с целью создания серийного производства

2.1. Проблемы создания вакуумных разрядников отпаянной конструкции

Требовалось исследовать конструкции электродной системы разрядника из разных материалов, чтобы определить конструкцию и материал электродов приемлемых как по технологии вакуумного производства, так и по эрозионным свойствам, экспериментально подобрать материалы диэлектриков пригодных для серийной технологии и обеспечивающих соответствующую работоспособность разрядников, разработать технологию серийного производства с учетом имеющихся действующих вакуумных технологий и обеспечивающих требуемые параметры разрядников.

Задачи, которые потребовали решения в процессе исследований вакуумных разрядников: запыление продуктами эрозии изоляционного промежутка узла поджига и изоляции диэлектрика оболочки (корпуса) разрядника, отшелушевание продуктов эрозии от металлических поверхностей, в частности от экранов, которые закрывают корпус разрядника, эрозия анода при горении дуги.

2.2. Конструкции вакуумных разрядников

2.2.1. Исследование влияния материалов электродов на работу вакуумных разрядников отпаянной конструкции

В основу конструкции вакуумного разрядника были положены элементы вакуумных дугогасительных камер, которые могут выпускаться серийно по специальной вакуумной технологии для нужд энергетики Первоочередная задача при создании конструкции разрядника — выбора материала для основных электродов разрядника, потому что, с одной стороны, известно большое количество композиций, которые способны выдерживать пропускание токов большой амплитуды и длительности, с другой стороны, необходим материал который не просто эрозионно стойкий, а доступный в промышленном применении и способный работать в электровакуумных приборах отпаянной конструкции при глубоком вакууме.

В настоящее время известны различные эрозионно стойкие материалы, используемые в аппаратах, в которых, как неотвратимый атрибут, возникает электричес-

кая дуга, вызывающая эрозию электродов К таким высоковольтным аппаратам относятся разъединители, короткозамыкатели и выключатели На выбор материала электродов, подвергаемых воздействию дуги, влияют как тип аппарата, так и вид дугогася-щей среды, используемой в аппарате

Вакуумные разрядники отпаянной конструкции среди коммутационных аппаратов занимают отдельное место, т к в них происходят процессы, сходные с процессами в вакуумных дугогасительных камерах, используемых для вакуумных выключателей, —до процесса коммутации в рабочем объеме глубокий вакуум, горит дуга, происходит интенсивная эрозия электродов, остывание и осаждение продуктов эрозии на всех поверхностях, погасание или обрыв дуги, быстрое восстановление первоначальной электрической прочности всех внутренних изоляционных промежутков В тоже время в процессе работы не происходит непосредственного соприкосновения между электродами разрядника, дуга управляемая, горение дуги происходит более интенсивно, перегрев рабочих поверхностей более сильный и локализованный Наличие управляющего электрода и его изоляции от одного из основных электродов, накладывает дополнительные трудности на работу вакуумного разрядника отпаянной конструкции: необходимо надежно инициировать пробой высокопрочного вакуумного промежутка в зоне горения дуги основного разряда, с одной стороны, и в тоже время защитить поджигающий промежуток от продуктов эрозии В связи с этим стояла задача подобрать оптимальный материал для электродов вакуумного разрядника отпаянной конструкции из серийно выпускаемых композиций, пригодных для работы в высоком —до 10"4 Па — вакууме и способный удовлетворить приведенные выше требования

Теплофизические аспекты эрозии материалов вакуумных коммутаторов связаны прежде всего с количеством и составом примесей в материале и, в частности, с составом и количеством газообразующих примесей типа Н, О, N. СО. В литературе известны данные, которые показывают, что даже незначительное содержание примесей (газообразующих) ведет к резкому снижению температуры перегрева металла, а значит к увеличению эрозии. Например, для чистого материала температура перегрева до плавления и, соответственно, до кипения может быть выше на 300°С по сравнению с подобными характеристиками газосодержащего металла. Это, в свою очередь, приводит к более раннему испарению металла из расплава и выбросу капель, поскольку, как известно, кипение жидких металлов имеет взрывной характер.

Для создания электродных систем с низкой эрозионной способностью обычно применяют карбидизацию металлов Но для вакуумных разрядников отпаянной конструкции такое решение не приемлемо, потому что наличие даже незначительного количества газообразующих элементов в металле может свести на нет эффект карбидиза-ции Углерод, взаимодействуя с газами в металлах, образует газовые облака, преиму-

Рис 2 1. Электрическая схема испытательной установки для исследования ресурсных характеристик вакуумных разрядников отпаянной конструкции С — накопительная емкость (С=4,7 мФ), Р1, Р2, РЗ — вакуумные разрядники отпаянной конструкции, 1.1 (1-1=1,5 мкГн), 12 (12=3,5 мкГн) — индуктивности для задания параметров тока, (41 (141=100 Ом), (42 ((42=0,3 Ом) — резисторы делителя напряжения, ТТ1, ТТ2 — трансформаторы тока для регистрации тока через разрядники Р2 и РЗ

щественно состоящие из СН, СО, С1М, которые, в свою очередь, вызывают значительные приповерхостные напряжения, увеличивающие в итоге эрозию материалов.

Исходя из этих соображений были исследованы на эрозионную стойкость такие широко используемые в промышленном производстве вакуумных дугогасительных камер материалы, как медь обескислороженная, медь электронно-лучевой плавки и композиции медь-хром с различным процентным соотношением компонентов, а также сталь нержавеющая марки 12Х18Н10Т, сталь углеродистая марки У13Л, сплав медь-железо-ниобий марки ЖМНб

Исследования проводились на специально созданном генераторе импульсных токов, схема которого приведена на рис 2 1

Накопительная емкость С1 через разрядник Р1, индуктивности 11 (1.1=1,5 мкГн) и 12 (12=3,5 мкГн) разряжалась на активное сопротивление (41, (42 (141=100 Ом, (42=0,3 Ом) При включении разрядника РЗ в контуре С1-Р1-1.1-1-2-РЗ возникал колебательный процесс, в момент максимума тока срабатывал разрядник Р2 Амплитуда тока в исследуемом разряднике составляла 65 кА при длительности 2,0 мс по уровню 0,1 Достоинство этой схемы заключается в том, что одновременно испытывалось два разрядника, работающих в разных режимах: один в режиме замыкающего ключа, другой в режиме кроубара Измерения напряжения на дуге вакуумного разрядника осуществлялось активным делителем (41, (42. Осциллограммы тока через разрядник РЗ и

кроубар Р2, полученные с трансформаторов тока, приведены на рис. 2 2.

Полученные данные позволили сделать однозначный вывод, что наиболее эрозионностойким материалом является композиция медь-хром (50% меди и 50% хрома по массе), однако

а) б)

Рис. 2 2 Осциллограммы тока через разрядники РЗ и Р2 (рис 2 1). Масштаб по оси времени 200 мкс/дел., по оси ординат — а) 16 кА/дел , б) 13 кА/дел

дальнейшая конструктивная проработка разрядника и экономические соображения вынудила отказаться от этой композиции и перейти к обескислороженной меди или меди, получаемой электронно-лучевой плавкой Такое решение обусловлено отсутствием приемлемой технологии получения заготовок нужного размера из композиции медь-хром

2.2.2. Исследование влияния конструкции электродной системы разрядника на его характеристики

Эрозия электродов зависит не только от материала электродов, но и от их формы, которая определяет конфигурацию магнитного поля между электродами разрядника в зоне горения дуги Перемещение дуги по электродам разрядника может существенно снизить эрозию электродов за счет сокращения времени локального взаимодействия дуги с материалом электрода Создание квазиобъемного разряда также способствует существенному снижению эрозии электродов Влияние конструкции электродных узлов (рис 2 3) на их эрозионную стойкость, в которых заложены эти два принципа, было исследовано в идентичных условиях Конструкция разрядника с электродами простой торцевой формы использовалась для сопоставления результатов измерений.

Известно, что для токов до 10 кА дуга имеет диффузный характер за счет соответствующего количества катодных пятен Дуга более 10 кА, если не принимать специальных мер, начинает контрагироваться, вызывая существенную эрозию электродов Чтобы уменьшить локальную эрозию, необходимо применять такую конфигурацию электродов, которая заставляла бы перемещаться дугу по поверхности электродов или поддерживать дугу в диффузном состоянии

Применение "лепесткового контакта" (рис 2 3, б) позволяет после инициирования дуги в центре, под действием собственного магнитного поля, перемещать дугу в

Рис 2.3 конструк-

ции испытанных электродов; а) простой торцевой, б) лепесткового типа, в) чашеобразный, г) чашеобразный с накладкой, д) с продольным магнитным полем, е) стержневого типа

радиальном направлении Прорези в диске контакта выполнены в виде спирали, чтобы увеличить длину пути, по которому движется дуга Форма прорезей такова, что ток создает магнитное поле, которое перемещает дугу в направлении вдоль "лепестка"

При использовании чашеобразного электрода (рис 2 3, в), за счет наклонных прорезей, создается такое магнитное поле, которое перемещает контрагированную дугу по окружности Для улучшения условий горения и перемещения дуги на торце припаивается кольцевая накладка (рис 2 3, г) Накладка из дугостойкого материала типа медь-хром позволяет существенно повысить эрозионную стойкость электродов

Значительно меньшая эрозия электродов наблюдается, если в зоне развития дуги организовать продоль-Рис 2 4 ное магнитное поле Принцип получения продольного маг-

Электроды для нитного поля за счет собственного тока приведен на получения про- 24 дольного магнитного поля Продольное магнитное поле в зоне горения дуги

препятствует контрагированию дуги до токов порядка 50 кА Схема конструктивного решения электродов вакуумного разрядника с продольным магнитным полем приведена на рис. 2 3, д. Электрод-накладка, на поверхности которого горит дуга, имеет прорези, препятствующие протеканию круговых токов.

Предложена конструкция, приведенная на рис. 2.3, е, которая защищена двумя авторскими свидетельствами и по результатам проведенных исследований имеет наименьшую эрозию электродов. Эта конструкция позволяет иметь диффузный разряд между стержневыми электродами до токов порядка 100 кА и более.

Сравнительные испытания всех приведенных выше конструкций электродных узлов проводились в одинаковых условиях По серийной технологии, которая будет описана ниже, были изготовлены макетные образцы вакуумных разрядников в керамических корпусах наружным диаметром 50 мм Импульс коммутируемого тока имел форму затухающей синусоиды с периодом 640 мкс, декрементом затухания 1,8 амплитудой 55 кА при зарядном напряжении 6,6 кВ. Разрядники запускались от блока управления, состоящего из конденсатора емкостью 1,5 мкФ, который заряжался до амплитуды 7 кВ и разряжался на узел поджига Для обеспечения симметрии магнитного поля испытуемый разрядник помещался в коаксиальную систему токолодвода. Для обеспечения идентичности результатов все разрядники испытывались по одной методике: перед циклом испытаний измерялось сопротивление между основными электродами и между электродами узла поджига, проводились высоковольтные испытания до и после цикла испытаний, проводились коммутационные испытания до отказа срабатывания разрядника Результаты анализа эрозии электродов различной конструкции приведены в таблице 2 1

Таблица 2 1 Результаты испытания разрядников с различной конфигурацией электродов.

Тип электродов по рис. 2.5 Количество срабатываний без отказов, шт. Пропущенное количество электричества до отказа, Кп Состояние электродов при осмотре после вскрытия

а) 5-8 143-229 Глубокие следы эрозии на катоде и аноде Сильное запыление узла поджига

б) 15-18 429-515 Глубокие следы эрозии на катоде и аноде. Сильное запыление узла поджига

в) 80-88 2 288-2 517 Расплавление выступов, заплавление пазов Запылен узел поджига.

г) 130-140 3 720-4 000 Накладка имеет плавные возвышенности, глубоких следов эрозии нет. Запылен узел поджига.

Д) 170-180 4 860-5 150 Заплавление прорезей на торцевых накладках. Запылен узел поджига.

е) 4500 145 000 Незначительная эрозия "стержней". Запылен узел поджига.

Все типы приведенных конструкций электродов, кроме конструкции рис 2 3, е), были испытаны также в режиме с амплитудой тока 10 кА Разрядники выдержали по 5 103 срабатываний. Запыление узла поджига у всех типов разрядников было незначительное, основные электроды не имели глубоких следов эрозии, структура поверхности имела небольшую шероховатость матового цвета Это свидетельствует о диффузном характере разряда при токах до 10 кА независимо от конфигурации электродов и магнитного поля в зоне горения разряда.

На основании этих данных за основу дальнейшей разработки принята конструкция рис 2 3, е со стержневыми электродами, которая дополнительно исследовалась.

2.3. Временные характеристики разрядника

Время запаздывания срабатывания разрядника, опредепялось по обычной методике — измерение времени от начала импульса тока через узел управления до

30

20

10

£100%

начала прохождения тока через основные электроды Как правило, измерения повторялись не менее 20 раз и подвергались статистической обработке Полярность напряжения в цепи управления не оказывала значимого влияния на время запаздывания срабатывания

На рис 2 5 приведена гистограмма распределения времени запаздывания срабатывания 70 разрядников выбранных из партии 500 шт при напряжении на основных электродах разрядников +4 кВ

Среднее время запаздывания срабатывания составляет 1,0 мкс со среднеквадратичным разбросом 0,2 мкс, максимальное значение времени запаздывания не превышает 2,0 мкс Зависимость времени запаздывания срабатывания разрядника от энергии управления приведена на рис. 2.6.

Разрядник успешно управляется при энергии запуска порядка нескольких десятков миллиджоулей и при этом время запаздывания не превышает 1,2 16 2,0 2,0 мкс. Это позволяет использовать разрядники от-Гистограмма рас- паянной конструкции при работе в генераторах ин-

0,4 0,8 Рис 2 5

пределения времени запаздыва- версионного типа, где требуется низкая энергия уп-ния для 70 разрядников, изготовленных по серийной технологии Равпения-

(„ мкс

/, мкс

Ц,„п= 2.7 кВ

а)

2 4 6 8 10 12 14 и^пр, кВ ■ ■ н—.—,—■

20 30 40

0,1 0,5 1,01,8 У^т.Ок Рис 2 6 Зависимость времени запаздывания вакуумных разрядников от напряжения управления (напряжения поджига) а) и напряжения между основными электродами б).

2.4. Результаты разработки

По результатам проведенных исследований разработана конструкция разрядника, которая была поставлена на серийное производство (рис 2 7) в соответствии с ТУ 16-88ИНЛЯ.674421.001 ТУ.

Базовая конструкция разрядника рис 2.7 испытана по обширной программе на соответствие всех параметров, требуемых по ТУ 16-88ИНЛЯ 674421 001ТУ, и в результате испытаний подтверждены следующие технические характеристики:

Разрядник по ТУ 16-88ИНЛЯ.674421.001 ТУ выпускается серийно с 1986 г. на Минусинском электротехническом комплексе Всего выпущено более 10 тысяч разрядников этой конструкции.

2.5. Предельные характеристики разрядника по току

Для определения предельных параметров разрядника базовой конструкции (электроды из меди) по току были проведены испытания нескольких разрядников отпаянной конструкции при токе амплитудой 200 кА с периодом 600 мкс и напряжении заряда конденсаторной батареи 5 кВ. Ток разряда имел вид затухающей синусоиды с количеством полупериодов 7-8 Количество электричества через разрядник за одно срабатывание составляло -100 Кл. Разрядник работал с периодичностью один раз в 3 мин, при этом через несколько десятков срабатываний разрядник нагревался примерно до 70°С После 1000 срабатываний происходило закорачивание узла поджига

с

Рис 2.7. Базовая конструкция серийного разрядника со стержневыми электродами, а) конструктивная схема, б) общий вид

Номинальное рабочее напряжение промышленной частоты Выдерживаемое (испытательное) напряжение промышленной частоты (действующее значение) Номинальный ток (действующее значение) Время запаздывания срабатывания

45 кВ 63 кА 1 мкс ±50 не.

20 кВ

Рис 2 8. Вид электродов разрядника после испытаний током 200 кА , 1000 срабатываний по 100 Кл за срабатывание.

продуктами эрозии и разрядник терял управление Напряжение, выдерживаемое разрядником между основными электродами в процессе испытаний периодически проверялось напряжением промышленной частоты и составило не менее 45 кВ (действующее значение). Вид электродов разрядника после испытаний приведен на рис 2 8

Эрозия основных электродов такова, что если бы не закорачивание узла под-жига продуктами эрозии, то разрядник мог бы еще работать длительное время. По этой причине для увеличения ресурса разрядника при токах порядка 200 кА и более разработана специальная конструкция узла поджига.

Модернизация узла поджига разрядника позволила повысить его ресурс и тем самым повысить общий ресурс разрядника Конструкция разрядника с модернизированным узлом поджига приведена на рис. 2.9.

Увеличение ресурса узла поджига достигнуто за счет конструктивного разделения узла на два последовательных промежутка. В узел поджига разрядника была введена дополнительная изоляционная втулка из керамики, благодаря которой инициирующий разряд последовательно проходит по поверхностям двух изоляционных втулок.

Такое конструктивное решение позволило поднять ресурс разрядника более, чем в два раза при лрочих равных условиях испытаний и достигнутых параметров (время запаздывания срабатывания, количество пропускаемого электричества, амплитуда пропускаемого тока, выдерживаемое испытательное напряжение)

Кроме этого были разработаны и выпускаются опытными партиями разрядники на более мощные параметры Это разрядник типа РБУ-400-20, у которого номинальное рабочее напряжение до 60 кВ, амплитуда пропускаемого тока до 400 кА, количество электри-Рис. 2 9. Конструктивная чества пропускаемое за одно срабатывание до 400 Кл, схема разрядника с модерни- ресурс — 1000 срабатываний при максимальной амплитуде тока.

— 25 —

зированным узлом поджига

Для технологических целей и вспомогательных цепей были разработаны разрядники в меньших габаритах на номинальное рабочее напряжение 20 кВ

2.6. Формирование килоамперных импульсов тока регулируемой длительности

Для получения униполярных импульсов тока через нагрузку индуктивного характера, как правило, используются схемы с кроубаром, например, аналогичные приведенной на рис 2 1 При работе созданных вакуумных разрядников в колебательном контуре при скоростях подхода тока через разрядник к нулю менее~108 А/с наблюдается обрыв тока, т е разрядник пропускает только одну полуволну тока Это позволяет использовать вакуумный разрядник в режиме кроубара и регулировать длительность тока в нагрузке Предварительные исследования показали, что вакуумный разрядник устойчиво запускается при напряжении 1 кВ, когда управление производится с анода (разрядник Р3 на рис 2 1), и при напряжении 0,1 кВ, когда управление производится с катода (разрядник Р2 после перезаряда емкости С на рис 2 1) Эксперименты проводились на установке по схеме рис 21с параметрами- С=800 мкФ (4 конденсатора ИС-5-200), Ц=1,5 мкГн, 1-2=4,5 мкГн. Разрядник Р2 мог включаться только при временах больше ±15 мкс от максимума тока (при меньших временах напряжение на разряднике меньше напряжения зажигания разряда в вакуумном разряднике, т е меньше 0,1 кВ) В диапазоне времени от ±15 мкс до ±30 мкс от максимума тока при включение разрядника Р2 ток в ветви этого разрядника (кроубара) не переходит через нуль, поэтому ток в ветви разрядника Р3 плавно спадает до нуля. Эта ситуация приведена на рис. 2.10.

При подключении разрядника в диапазоне времени более ± 30 мкс ток в ветви кроубара переходит через нуль (конденсатор перезаряжается до значимого напряжения). В этой ситуации возможно прерывание тока в разряднике Р2 при выполнении 2-х условий: скорость подхода тока к нулю меньше 10е А/с, отсутствие тока поджига в момент подхода основного тока к нулю. После обрыва тока в разряднике Р2 ток через

разрядник Р3 прерывается при тех же условиях, что и в разряднике Р2. Если ток поджига через разрядник Р2 не прекращается при переходе основного тока через нуль, то ток в ветви кроубара не прерывается и длится до следующего перехода через нуль. Таким образом, ток в индуктивной нагрузке можно регулировать применением двух вакуумных разрядников в диапазоне от одного полупериода до пяти и более полупериодов (в зависимости от добротности контура, включающего индуктивность нагрузки и два вакуумных разрядника Р2 и

Рэ>-

Рис. 2.10. Осциллограммы тока в ветви разрядника Р2 (нижняя осциллограмма) и Р3 (верхняя осциллограмма).

Показана возможность управляемых вакуумных разрядников РБУ-63-20 отключать токи амплитудой до 80 кА при подходе их к нулю тока со скоростью ~108 А/с Эта способность управляемых вакуумных разрядников использована для формирования импульсов тока амплитудой до 80 кА регулируемой длительности от 150 мксдо 1 мсв индуктивности в простом колебательном контуре без дополнительных элементов

2.7. Оптимизация конструкции электродной системы серийных разрядников

При постановке разрядников отпаянной конструкции на серийное производство встал вопрос об упрощении конструкции элементов разрядника для снижения трудоемкости Для этих целей были разработаны конструкции разрядников с упрощенной формой основных электродов, которые были подвергнуты испытаниям. В результате проведенных испытаний были отобраны конструкции, которые приведены на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Разновидности разработанных и серийно выпускаемых управляемых вакуумных разрядников отпаянной конструкции; а) конструкция с упрощенной системой основных электродов; б) модернизированная конструкция с уменьшенным объемом и массой по отношению к базовому варианту.

2.8. Разрядники низкого давления

В процессе разработки и постаноки на производство управляемых вакуумных разрядников отпаянной конструкции возникла потребность создания частотных разрядников на параметры: амплитуда коммутируемых токов 30-50 кА при напряжении 10-50 кВ, длительность импульсов тока до 100 не, частота следования импульсов до 1 кГц, ресурс до 106-108 срабатываний. Одним из возможных путей решения такой задачи является создание разрядников низкого давления (РНД). В связи с этим совместно с Институтом сильноточной электроники СО РАН проведена разработка конструкции РНД под технологию серийного производства Конструкция узлов и технология производства корректировались по результатам стендовых испытаний в ИСЭ СО РАН. В результате был создан РНД в металлокерамическом исполнении с возможностью его серийного производства

Основные трудности, которые возникли в процессе разработки были связаны с нестабильностью срабатывания разрядника от образца к образцу Исследования позволили выявить причину, которая заключалась в нестабильности пробоя поджигающего промежутка из-за наличия зазоров между поджигающим электродом и керамической втулкой, по которой происходил пробой и инициировал разряд между основными электродами разрядника.

Для устранения этого недостатка была разработана специальная технология, которая позволяла уменьшить поджигающий промежуток до 0,25±0,1 мм и обеспечивала плотное прилегание электродов в узле поджига к керамике После сборки каждый узел поджига проходил настройку и испытание на стабильность срабатывания импульсным напряжением 6 кВ с временем нарастания 20 не по уровням 0,1-0,9 Напряжение пробоя каждого узла при этих условиях не превышало 1 кВ, а время пробоя составляло 15±1,5 не Это позволило создать разрядник, который обеспечивал стабильность срабатывания ±5 не.

Конструктивная схема РНД приведена на рис 2 12.

Разрядник испытан в диапазоне давлений азота (1+8)-10"2Торр в режиме внешней откачки и натекания газа Полученное время запаздывания срабатывания разрядника от давления азота при напряжении поджига 7,5 кВ приведено на рис. 2.13.

Для давления 6 10~2 Topp максимальное рабочее напряжение разрядника состав-

»102

Рис.2.12. Конструктивная схема разрядника низкого давления 1 — керамический корпус; 2, 3 — основные электроды; 4—узел поджига; 5 — штен-гель для откачки остаточных газов.

4 6 8 р, 10"2 Topp

Рис 2.13. Зависимость времени запаздывания срабатывания разрядника низкого давления от давления азота при напряжении поджига 7,5 кВ.

ляет 12 kB, а для (3+4) 10 2 Topp оно достигает 20 кВ Важно, что время запаздывания срабатывания разрядника слабо зависит от напряжения на аноде, при изменении напряжения от 5 кВ до 15 кВ время запаздывания срабатывания уменьшается не более чем на 10 не Причем стабильность срабатывания разрядника для каждого анодного напряжения не хуже ±1 не

Стабильное срабатывание разрядников и отсутствие зависимости времени запаздывания срабатывания от анодного напряжения позволяют использовать разрядник низкого давления для параллельной коммутации тока на общую нагрузку Проведены эксперименты по коммутации емкости 282 нФ по низкоиндуктивной цепи через шесть параллельно работающих разрядников. Типичные режимы коммутации соответствовали анодному напряжению 15 кВ, максимальному току через один разрядник 6 кА, давлению газа (3^4) 10"2 Topp и частоте следования импульсов 10с1. При одновременной работе шести разрядников изменение максимального тока через каждый разрядник от импульса к импульсу не превышало 20%. Данные опыты показывают перспективность использования разрядников низкого давления для параллельной коммутации в низкоиндуктивных цепях на общую нагрузку, в качестве которой может служить, например, активная среда эксимерных лазеров.

Кроме этого можно утверждать, что показана принципиальная возможность создания разрядников низкого давления отпаянной конструкции по серийной электровакуумной технологии.

2.9. Технология изготовления вакуумных разрядников

В процессе разработки и постановки на производство управляемых вакуумных разрядников и РНД потребовалось разработать и внедрить в серийное производство специальную технологию изготовления вакуумных разрядников.

Изготовление узлов и деталей разрядников связано с необходимостью применения материалов высокой чистоты. Незначительные примеси в объеме и на поверхности деталей и узлов (органические, солевые загрязнения, окисные пленки, посторонние микрочастицы) в количествах больше, чем 1х10~7-10~8 г/см2 оказывают влияние на условия работы как разрядника в целом, так и на пусковые характеристики, а также ресурс работы На специально разработанной установке посредством масс-спек-тромерического метода выявлено пять видов загрязнений, которые оказывают принципиальное влияние на работоспособность разрядников: 1) механические; 2) органические; 3) растворимые в воде, 4) химически связанные с поверхностью детали; 5) газообразные. За основу была взята технология изготовления вакуумных дугогаситель-ных камер, но с учетом особенностей работы вакуумных разрядников' отсутствие не-

Рис 2.14. Общая технологическая схема очистки деталей и узлов вакуумных разрядников в процессе изготовления.

посредственного контакта между поверхностями электродов, более высокие значения коммутируемых токов при более высоких напряжениях, наличие узла управления (керамические вставки с промежутками длиной не более 1 мм для пробоя по поверхности между поджигающим и основным электродами)

Общая принципиальная схема очистки деталей и узлов разрядников приведена на рис 2 14 В разработанной технологии очистки предусмотрен весь комплекс необходимых операций химической, термической и электрофизической обработки, а также контроль технологических сред и качества герметизации паяных и сварных швов. На все виды обработки разрядников разработаны необходимые технологические инструкции для серийного производства.

2.10. Выводы

1 .Разработанное и созданное испытательное оборудование позволило провести исследования характеристик вакуумных разрядников отпаянной конструкции и испытания в условиях серийного производства.

2. Разработанная технология производства вакуумных разрядников отпаянной конструкции и разрядников низкого давления позволила освоить серийный выпуск разработанных изделий.

3 Выбранные материалы и конструкция электродов вакуумных разрядников позволили создать вакуумные разрядники отпаянной конструкции по серийной технологии на токи до 200 кА при количестве электричества за одно срабатывание до 100 Кл при ресурсе до 10000 срабатываний и до 400 Кл при ресурсе 1000 срабатываний.

4 Созданный ряд вакуумных разрядников отпаянной конструкции на большую пропускную способность по количеству электричества (от единиц кулон до 400 Кл) позволил приступить к их серийному производству; к настоящему времени выпущено более 10000 вакуумных разрядников отпаянной конструкции типа РБУ-63-20.

3. Вакуумные выключатели

Заметный прогресс в развитии вакуумных выключателей был достигнут после проведения фундаментальных исследований физических процессов, происходящих при отключении тока в вакууме, выявления причин ограничения отключающей способности вакуумных дугогасительных камер (ВДК), всестороннего изучения явления среза (обрыва) отключаемого тока Освоение вакуумных выключателей сдерживалось большими затратами на их производство По мере преодоления указанных проблем вакуумные выключатели начали широко распространяться в мире, конкурируя с другими видами выключателей и в ряде случаев вытесняя их

В России первые работы по созданию вакуумных выключателей начаты в ВЭИ им. В И Ленина в 1956 г под руководством Грановского Л В Первый вакуумный выключатель создан в 1972 г Широкому распространению вакуумных выключателей способствовали их достоинства:

1. Автономность работы, отсутствие необходимости в содержании компрессорного или масляного хозяйства.

2. Герметичность конструкции, как следствие, полная взрыво- и пожаробезо-пасность и возможность работы в агрессивных средах.

3. Высокая коммутационная износостойкость контактов ВДК и минимальные затраты на обслуживание вакуумных выключателей Выключатели других видов обеспечивают максимум 20 успешных отключений тока короткого замыкания (к з) или 10000 отключений номинального тока Вакуумным выключатели обеспечивают 50-100 отключений тока к. з. или 30000-50000 отключений номинального тока За несколько десятков тысяч отключений износ контактов вакуумных выключателей составляет порядка 3 мм Обслуживание вакуумного выключателя сводится к смазке механизма привода через 5-10 лет или после 10000 циклов ВО.

4 Быстрое восстановление электрической прочности промежутка после отключения тока.

5. Возможность использования ВДК в широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 70°С до плюс 150°С).

6. Возможность ориентации камеры в пространстве в любом положении, что позволяет получать различные компоновочные решения аппарата.

7. Малая масса подвижных частей и относительно небольшой ход контактов, что дает возможность комплектовать вакуумные выключатели относительно маломощными приводами и обеспечивать их быстродействие.

8. Возможность отключения развивающихся аварий и способность отключать разрядный ток при пробое грозовыми перенапряжениями межконтактного промежутка отключенного выключателя.

9. Повышенная устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам вследствие небольшой массы и габаритов выключателя; небольшие динамические нагрузки на фундамент вследствие малого хода и небольшой массы подвижных частей

10. Бесшумность и экологическая чистота вакуумного выключателя.

11. Возможность создания высокоавтоматизированного производства ВДК

Однако вакуумным выключателям присущ и ряд недостатков. Прежде всего это

известные технологические трудности, связанные с получением особо чистых контактных материалов и их сплавов. Склонность контактов к сварке в вакууме. Торцевая система контактов может привести к повышенному износу контактов ВДК при горении

коротких вакуумных дуг, обусловленных вибрацией контактов Вибрация может привести также к перенапряжениям при включении, когда при отскоке контактов происходит отключение коммутируемой цепи В ВДК затруднен теплоотвод, поэтому при проектировании аппаратов особое внимание уделяется теплоотводу с выводов. При отключении малых индуктивных и емкостных нагрузок вакуумным выключателем могут возникать перенапряжения.

Вакуумные выключатели широко применяются в области средних напряжений (6-35 кВ), при высоких напряжениях их преимущества снижаются, по сравнению с эле-газовыми выключателями, из-за увеличения размеров ВДК.

Следует подчеркнуть, что высокая надежность, безопасность эксплуатации, сокращение времени на монтаж и обслуживание вакуумного выключателя оказываются решающими для потребителя при выборе аппарата.

Однако, все перечисленные достоинства и недостатки стали очевидны только после десятилетий труда многотысячных коллективов исследователей и разработчиков вакуумных выключателей В начале семидесятых годов, когда были начаты разработка и постановка на производство вакуумных выключателей все было далеко не так очевидно. По каждому из приведенных достоинств, приведенных выше, не было однозначного объективного ответа.

Наиболее целесообразно применение вакуумных выключателей в тех случаях, когда от них требуется высокий коммутационный ресурс, например для коммутации дуговых сталеплавильных печей С точки зрения условий коммутации дуговая сталеплавильная печь представляет собой наиболее сложный вид нагрузки: требуется большой коммутационный ресурс; возможны большие эксплуатационные токи к. з., обусловленные замыканием электродов печи; необходимо отключать номинальные токи в диапазоне от полного тока нагрузки до тока намагничивания трансформатора. Период окупаемости вакуумных выключателей составляет менее двух лет вследствие экономии, полученной на снижении затрат на обслуживание вакуумных выключателей по сравнению с другими типами Для успешного развития вакуумных выключателей, кроме создания ВДК, требуется создание оптимальных конструкций приводов и общей компоновки выключателей с учетом механических и изоляционных требований.

3.1. Приводы вакуумных выключателей

Первые приводы вакуумных выключателей были электромагнитного типа, конструировались по аналогии с приводами маломасляных выключателей. Однако они были далеки от оптимума, так как требования предъявляемые к приводам для маломасляных и вакуумных выключателей существенно различны. Привод вакуумного выключателя должен обеспечивать небольшой ход (8+12 мм) за время порядка 1 мс, что

ДО. НАЦИОНАЛЬНАЯ{ БИБЛИОТЕКА } С.йту^г I

^_О» 90» иг \

——— «■ «»I

соответствует скорости около 1 м/с и ускорению порядка 1000 м/с2, это представляет определенные трудности, так как необходимо развивать усилия более 1000 Н

Пружинно-моторные приводы имеют наиболее широкое распространение (особенно за рубежом) в силу ряда их достоинств для взвода пружины, которая включает аппарат, требуется небольшая мощность питающей сети, при включении на короткое замыкание аппарат не чуствителен к просадкам напряжения; как правило, существует возможность ручного взвода пружины включения, а значит существует возможность включения аппарата в отсутствии напряжения вторичных цепей Одним из основных недостатков пружинно-моторных приводов считается их сложность, наличие большого количества элементов и, как следствие, недостаточно высокая надежность работы

Приводы пневматического типа нашли применение только в специфических устройствах и некоторых отраслях, где применение пневматических механизмов скорее традиционно, чем оправдано какими-либо преимуществами. Типичным представителем такой отрасли является железная дорога, где на подвижном составе, даже электрифицированном, ставятся пневматические приводы для включения выключателей

Приводы ручного оперативного включения в известных нам публикациях не встречаются. По-видимому, из-за технических трудностей, которые встают перед разработчиками при создании таких устройств.

3.2. Выключатели с электромагнитным приводом

Одним из первых серийных вакуумных выключателей в России является выключатель типа ВВТЭ-10-10/630 Отличительной особенностью выключателя ВВТЭ-10-10/630 является так называемая "магнитная защелка", которая удерживает выключатель во включенном положении за счет остаточных сил намагничивания маг-нитопровода электромагнита.

Ручное отключение выключателя с такой конструкцией привода, осуществляется путем механического разрыва магнитопровода. Это требует значительных усилий, а для выключателей на большие номинальные токи и номинальные токи отключения, ручное отключение мускульным усилием оператора становится проблематичным Эта проблема ограничивает дальнейшее развитие вакуумных выключателей с "магнитной защелкой" как у нас в стране, так и за рубежом Применение "магнитной защелки" ограничивается выключателями на номинальные токи до 1000 А и номинальными токами отключения до 20 кА из-за больших усилий поджатия и, соответственно, больших механических усилий при разрыве магнитопровода, сопоставимых сусилиями поджатия контакт-деталей ВДК (в современных камерах на номинальный ток отключения 40 кА это усилие составляет порядка 3 кН на одну ВДК) Такие ограничения не позволяют создать однотипный конструктивный ряд вакуумных выключателей на парамет-

ры, которые требуются на практике по номинальному току 400 - 4000 А и номинальному току отключения 10 - 50 кА.

В силу приведенных недостатков вакуумных выключателей, имеющих привод с "магнитной защелкой", нами разработаны и внедрены в производство вакуумные выключатели с электромагнитным приводом, содержащим тяговый электромагнит, механизм свободного расцепления и механическую защелку Это позволило создать ряд выключателей на номинальные токи 630,1000, 1600, 2000, 2500, 3150 А и токи отключения 10, 20, 31,5 и 40 кА Начиная с 1991 г поставлены на производство и выпускаются серийно выключатели типа ВВТЭ-М, ВБЧ-СЭ(П) и ВВЭ-М Основные технические характеристики этих выключателей приведены в таблице 3 1 Принцип действия этих выключателей можно рассмотреть на примере базового выключателя ВВТЭ-М Конструктивная схема выключателя приведена на рис 3.1 Базовым элементом, определяющим жесткость конструкции, является рама 1, на которой устанавливаются полюсы 2, встроенный электромагнитный привод 3 с механизмом свободного расцепления 4, вал выключателя 5, тяги изоляционные 6, пружи-

Таблица 3.1. Основные технические параметры выключателей с электромагнитным приводом типа ВВТЭ-М, ВБЧ-СП(З), ВВЭ-М.

Наименование параметра ВВТЭ-М ВБЧ-СП(Э) ВВЭ-М

Номинальное напряжение, кВ 10 10 10

Номинальный ток, А 630...1600 630..1600 630... 1600

Номинальный ток отключения, кА 20 20 20

31,5 31,5 31,5

Полное время отключения, с 0,04 0,04 0,04

Собственное время включения, с 0,1 0,1 0,1

Коммутационная износостойкость,

циклы "ВО"

— при наминальном токе

до 1000 А до 50 000 до 50 000 до 50 000

до 1600 А до 30 000 до 30 000 до 30 000

— при номинальном токе откл 50 50 50

Механический ресурс, циклы "ВО" 50 000 50 000 50 000

Габариты (В*Ш*Д),мм 640x547*390 960x560*516 826x613*593

(1160*560x516)

Масса, кг 78 96 104

Исполнение Стационарное Выкатной Выкатной

элемент элемент

Рис. 3 1. Конструктивная схема выключателя типа ВВГГЭ-М-10-20

на отключения 7, буфер 8, панель с элементами управления 9, кнопка ручного аварийного отключения 10, лицевая крышка 11.

Включение выключателя осуществляеся за счет тягового усилия электромагнита включения прямого действия 3. Отключается выключатель за счет энергии предварительно запасенной при включении выключателя в отключающей пружине 7 и пружинах поджатия.

Принципиальное отличие этой компоновки выключателя от выключателя с электромагнитным приводом и "магнитной защелкой" заключается в наличии механизма

а)

Рис. 3.2. Общий вид выключателей типа ВВТЭ-М-10-20 (а), ВБЧ-СЭ-10-20 (б), ВВЭ-М-10-31,5 (в).

свободного расцепления оригинальной конструкции, установленного между электромагнитом и валом выключателя Наличие механизма свободного расцепления с механической защелкой позволяет, во-первых, удерживать выключатель во включенном положении после его включения и обесточивания катушки электромагнита, во-вторых, отключать выключатель в любой момент времени независимо от положения якоря электромагнита включения

Кроме механизма свободного расцепления выключатель снабжен блоком сигнализации и пневматическим буфером Блок сигнализации может содержать от восьми до шестнадцати коммутирующих контактов для внешних вспомогательных цепей

Общий вид выключателей типа ВВТЭ-М-10-20, ВБЧ-СЭ-10-20 и ВВЭ-М-10-31,5 приведен на рис. 3 2

3.3. Выключатели с пружинными приводами

Аппараты с пружинно-моторным приводом имеют тенденцию все более широкого распространения (особенно за рубежом) в силу их достоинств, указанных ранее. Применение пружинно-моторных приводов сдерживается из-за их сложности, наличия большого количества элементов и, как следствие, недостаточной надежности Нами разработана конструкция пружинно-моторного привода, которая лишена указанных недостатков и приспособлена для ВДК, у которых ход подвижной контакт-детали составляет всего несколько миллиметров. Найденное решение позволяет создавать пружинно-моторные приводы высокой надежности за счет значительного сокращения количества деталей привода.

Основные технические параметры разработанных вакуумных выключателей типа ВБПВ (выкатное исполнение) и ВБПС (стационарное исполнение) с пружинно-моторными приводами приведены в таблице 3 2

Конструктивная схема выключателя типа ВБПВ приведена на рис. 3 3. На металлической раме 1, определяющей жесткость всей конструкции, крепятся три полюса выключателя 2 Подвижная контакт-деталь вакуумной дугогасительной камеры полюса приводится в движение посредством изоляционной тяги 3, приводимой в движение пружиной включения 4 посредством рычагов 5, приваренных к валу выключателя б Для получения выкатного элемента (выключатель типа ВБПВ) конструкция из элементов, укрепленных на металлической раме 1, устанавливается на тележку 7, а на выводах полюса устанавливаются розеточные контакты типа "тюльпан" На тележке 7 размещены ножи заземления 8, механизм доводки выключателя в шкаф КРУ 9 и механизм блокировки от выкатывания 10.

Для операций "включение" и "отключение" имеется встроенный в металлическую раму выключателя 1 пружинно-моторный привод Основные элементы пружинно-

Таблица 3 2 Основные технические параметры выключателей с пружинно-моторным приводом.

Наименование параметра

ВБПС-10-20(31,5)

ВБПВ-10-20(31,5)

Номинальное напряжение, кВ Номинальный ток, А Номинальный ток отключения, кА Полное время отключения, с Собственное время включения, с Коммутационная износостойкость, циклы "ВО"

— при наминальном токе

— при номинальном токе откл. Механический ресурс, циклы "ВО" Габариты (В * Ш * Д), мм Масса, кг

Бестоковая пауза при АПВ, с Потребляемая мощность электродвигателя, Вт, не более Время заводки рабочих пружин, с Исполнение

10

630, 1000, 1600 20(31,5) 0,055 0,06

до 25 ООО 50 25 000

652x560x390 74(80)

12

Стационарное

0,3

828x613x617 80(97)

400

15

Выкатной элемент

моторного привода: мотор-редуктор 11, привод 12, пружина включения 4, электромагнит включения 13, который предназначен для воздействия на защелку, удерживающую пружину включения в взведенном состоянии (пружина растяжения), пружина отключения 14

560

Рис 3 3 Конструктивная схема выключателя ВБПВ-10-20/1600

Кроме этого на раме 1 выключателя установлены воздушный буфер отключения 15, указатель положения выключателя "ВКЛ. — ОТКЛ " 16, счетчик числа циклов 17, указатель состояния привода "ГОТОВ — НЕ ГОТОВ" 18, рычаг ручного взвода пружины включения 19, кнопка аварийного ручного отключения 20, блок зажимов 21 типа БЗН 18-25, рычаг ручного включения 22, блок-контакты выключателя 23 (блок сигнализации), блок-контакты привода 24, лицевая крышка 25, катушки отключающих электромагнитов 26, гайка натяжения пружины отключения 27, гайка натяжения пружины включения 28.

Пружинно-моторный привод выключателя ВБПС (ВБПВ) имеет оригинальную конструкцию Операция включения выключателя осуществляется за счет энергии, запасенной в пружине включения 4 Отключение выключателя осуществляется за счет пружин узлов поджатия и пружины отключения 14, которые запасают энергию (сжимаются) во время включения выключателя.

Механизм усиления предназначен для усиления тяговых усилий электромагнита отключения максимальной токовой защиты для схем с дешунтированием до величины, достаточной для выбивания защелки отключения Он состоит из рычага и пружины, которая натягивается при включении и обеспечивает усилие, достаточное для выбивания защелки отключения.

Электрическая схема управления выключателем предназначена для: оперативного и неоперативного включения и отключения выключателя; блокирования против повторений операций включения и отключения выключателя, когда команда на включение остается поданной после автоматического отключения; сигнализации положения выключателя с помощью коммутирующих контактов для внешних вспомогательных цепей и для цепей контроля и управления в КРУ

Общий вид выключателя приведен на рис 3 4

3.4. Вакуумный выключатель высокой коммутационной способности

На мощных подстанциях класса напряжения 6-10 кВ с токами замыкания на шинах 31,5 — 40 кА и номинальными токами на вводе 2500 — 3150 А в качестве вводных использовались в основном маломасляные выключатели типа ВМПЭ-10-31,5/3150 или электромагнитные типа ВЭМ-6-40/3150 На отходящих фидерах начали широко применяться вакуумные выключатели, например, типа ВВТЭ-М-10-20(31,5), ВВЭ-М-10-20(31,5) и др Поскольку для снижения эксплуатационных расходов и квалификацион-

— 39 —

Рис. 3.4. Общий вид выключателя ВБПС-10-20/1600.

ных требований к обслуживающему персоналу, целесообразно использовать однотипные выклюатели, заменив вводные маломасляные и электромагнитные выключатели на вакуумные.

Разработаны и освоены в серийном производстве вакуумные выключатели на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 2000 — 3150 А, номинальный ток отключения 31,5 и 40 кА типа ВВЭ - (С)М - 10 - 40(31,5), основные технические параметры которых приведены в таблице 3 3 Это наиболее мощные аппараты в РФ по коммутационной способности среди вакуумных выключателей на момент разработки. Предназначены они для применения в комплектных распределительных устройствах в качестве вводных и секционных аппаратов энергоемких промышленных предприятий, распределительных устройств собственных нужд электростанций (тепловых и атомных), нефте- газопромышленных комплексов

На базе вакуумных выключателей типа ВВЭ-М-10-40(31,5) ОАО "Московский завод "Электрощит", ОАО "Самарский завод "Электрощит" и ОАО "Электропульт" выпускают, соответственно, комплектные распределительные устройства серии К-105, К-61М и К - 205.

Предусмотрены и стационарные исполнения аппаратов: выключатель ВВЭ-СМ-10-40(31,5) предназначен для замены морально и физически устаревших маломасляных и электромагнитных выключателей в комплектных распределительных устройствах серии КХ, К-ХХ1,1«ОМ1, КРУ2.

Конструктивная схема выключателей типа ВВЭ-М-10-40/3150, ВВЭ-М-10-31,5/ 3150 (выполненных в виде выкатного элемента) показана на рис. 3 5.

Таблица 3.3. Основные технические параметры выключателей типа ВВЭ - (С)М -10-40 (31,5).

Номинальное напряжение, кВ Номинальный ток, А Номинальный ток отключения, кА Ток электродинамической

10

2000, 2500, 3150 40 (31,5)

стойкости, кА Полное время отключения, с Собственное время включения, с Коммутационная износостойкость,

128 (81) 0,05 0,03

циклы "ВО"

Механический ресурс, циклы "ВО" Габариты (В * Ш * Д), мм Масса, кг Исполнение

— при наминальном токе

— при номинальном токе откп

10 000

50 10 000

945x624*678 (828x624x605) 210(180)

(Стационарное) Выкатной элемент

Выключатель состоит из рамы 1, на которой установлены привод электромагнитный 2 с механизмом свободного расцепления 3, кнопкой ручного аварийного отключения 4 и электромагнитом отключения 5; пружины отключения 6, вала 7, полюсов 8, изоляционных тяг 9 с узлами поджатия, панели 10 с блоком сигнализации 11, лицевой крышкой 12 Выключатели смонтированы на тележке 13, снабженной роликами 14, пальчиковыми контактами главных цепей 15, механизмом доводки выключателя в шкаф КРУ 16 и ножами заземления 17 Дополнительно на выключатель установлен лист фасадный 18.

Создание выключателя на указанные параметры стало возможным после разработки ВДКтипа КДВХ4-10-40/3150, общий вид которой приведен на рис 3.6

ВДК состоит из трех основных узлов, токоввода, корпуса, токовывода Токо-ввод содержит контактный узел 1, медный стержень 2 и медный фланец 3 Корпус ВДК включает в себя два керамических изолятора 4 типа ИКМ-110, которые пайкой герметично соединены между собой

Форма контактов 1 и 5 выполнена такой, чтобы дуга, возникающая при отключении, имела диффузный характер под воздействием продольного магнитного поля, образующегося за счет протекающего тока по контактному узлу специальной формы (поз 1, 5 рис 3 6) Диффузная форма дуги позволяет иметь небольшую эрозию контактов и способствует быстрому ее погасанию при переходе отключаемого тока через

2 5 12 3

Рис 3 6 Конструктивная схема ВДК типа КДВХ-1 0-40/ L 3150.

ноль Это позволило при диаметре контакт-детали 83 мм отключать амплитуду тока до 82 кА (действующее значение 40 кА при апериодической составляющей 40 %) Специально скоординированная система экранов ВДК позволяет достичь выдерживаемого напряжения промышленной частоты 42 кВ в течение 1 минуты, стандартного грозового импульса 1,2/50 мкс амплитудой 95 кВ и срезанного стандартного грозового импульса (согласно методики испытаний по ГОСТ 15150 2) Переходное сопротивление камеры лежит в пределах 9-12 мкОм

Конструкция дугогасительного блока, позволяет иметь межполюсное расстояние 200 мм в базовом варианте выключателя

Общий вид выключателя приведен на рис 3 7.

3.5. Малогабаритный вакуумный выключатель типа ВБСК-10-20

Накопленный опыт и знания позволили создать малогабаритный аппарат, который наиболее полно отвечает требованиям времени по своим эксплуатационно-техническим характеристикам

Прежде всего была разработана ВДК на параметры номинальное напряжение 10 кВ при длине корпуса — 155 мм, диаметре — 76 мм, отключающей способности — 20 кА, номинальном токе — до 1000 А и усилии поджатия контактов 890 H (89 кг) Масса ВДК при этом не превышает 2 кг.

Используя вышеуказанную ВДК, был разработан вакуумный выключатель типа ВБСК Основные технические параметры выключателя типа ВБСК -10 - 20 приведены в таблице 3 4.

Рис. 3 7. Общий вид выключателя типа ВВЭ-М-10-40

Таблица 3 4 Основные технические параметры выключателя типа ВБСК-10-

20/630 (ВБСК-10-20/1 ООО).

Номинальное напряжение, кВ 10

Номинальный ток, А 630 (1000)

Номинальный ток отключения, кА 20

Полное время отключения, с 0,05

Собственное время включения, с 0,2 Коммутационная износостойкость, циклы "ВО"

— при номинальном токе до 50 000

— при номинальном токе откл 50 Механический ресурс, циклы "ВО" 50 000 Габариты (В*Ш* Д), мм 457*492x310 Масса, кг 32 — 42 Исполнение Стационарное

Конструктивная схема выключателя приведен на рис 3 8 Основные элементы выключателя смонтированы на сварной раме 1, на которой размещены три дугогасительных блока 2, электромагнит включения 3, механизм свободного расцепления 4, блок с электромагнитами отключения 5, блок элементов управления 6, блок сигнализации 7 с указателем положения выключателя 8, счетчик числа циклов "включено-отключено" 9, механизм оперативного ручного вкпючения 10, вал выключателя 11, передающий движение от электромагнитного привода включения через изоляционную тягу 12 к подвижной контакт-детали 13 ВДК, отключающая пружина 14 с демпфером 15, кнопка ручного отключения 16, блок зажимов вторичных цепей 17 для подключения вторичных цепей. Со стороны привода рама закрыта крышкой 18, в которой имеются окна для наблюдения за указателем положения выключателя 8 и счетчиком числа циклов 9

Конструкция дугогасительного блока, за счет габаритов ВДК, позволяет иметь

1 2 17

Рис 3 8 Конструктивная схема выключателя типа ВБСК-10-20/1000

межполюсное расстояние от 150 мм до 200 мм В базовом варианте выключателя выбрано межполюсное расстояние 180 мм, масса выключателя от 32 до 42 кг, в зависимости от комплектации блока отключения электромагнитами

Оптимизация электромагнитного привода включения выключателя проводилась по таким параметрам, как энергопотребление, время включения, простота конструкции при условии минимальных габаритов и обязательном включении выключателя при зависимом питании. Получен привод, имеющий ток потребления 18 А при питающем напряжении 220 В частотой 50 Гц. Привод обеспечивает включение аппарата при зависимом питании (исчезновение питающего напряжения при замыкании контактов главной цепи).

Механизм свободного расцепления (рис. 3.9, а), который предназначен для фиксации выключателя во включенном положении и обеспечения отключения выключателя в любой момент совершения операции включения, имеет оригинальное исполнение. В эксплуатации привод, практически, не требует обслуживания.

Выключатель ВБСК имеет принципиальное отличие от всех других выключателей с электромагнитным приводом в том, что он снабжен механизмом ручного оперативного включения, который до настоящего времени был возможен только на выключателях с пружинными приводами Механизм оперативного ручного включения (рис 3 9, б) предназначен для ручного оперативного включения выключателя, например, в случае отсутствия питания во вторичных цепях.

Механизм отключения и усиления служит для отключения выключателя при срабатывании любого из электромагнитов отключения блока 5 (рис. 3 8). Наличие механизма усиления позволяет получить ток потребления электромагнитов отключения 1,5 А. Специально разработанный механизм защелок при своей простоте и доступности, обеспечивает надежное включение и отключение выключателя (в том числе и от электромагнитов отключения для схем с дешунтированием). Общий вид выключателя типа ВБСК-10-20 приведен на рис. 3 10.

б)

Рис 3.9. Конструктивная схема электромагнита включения и механизма свободного расцепления а) и механизма оперативного ручного включения б) выключателя ВБСК-10-20

Рис. 3.10. Общий вид выключателя типа ВБСК-10-20

3.6. Вакуумные выключатели на номинальное напряжение 20 и 35 кВ

В классе напряжений 20 кВ и 35 кВ применение вакуумной коммутационной техники также считается перспективным, но здесь из-за технических сложностей результаты внедрения вакуумных аппаратов гораздо скромнее, нежели в классе напряжений 6-10 кВ Можно назвать только некоторых отечественных производителей, которые предлагают вакуумные выключатели на 35 кВ Например, ФГПУ "НПП "Контакт" (г Саратов) — выключатель ВБЭТ-35, ОАО "Карпинский электромашиностроительный завод" (г Карпинск) — выключатель ВВС-35, НПП "ЭЛВЕСТ" (г Екатеринбург) с серией выключателей ВБЦО-27,5 и ВБЦ-35, ОАО "РЗВА" (г Ровно) — выключатель ВВО-27,5 и ВБПВ-35 Все приведенные виды аппаратов имеют стационарное исполнение и не предназначены для выкатных элементов комплектных распределительных устройств

Нами разработана серия вакуумных выключателей типа ВБ/ЭЛКО/ТЭ-35(20)-25/1600 для выкатных элементов комплектных распределительных устройств на па-

раметры

— номинальное напряжение, кВ 35 (20);

— номинальный ток отключения, кА 25;

— номинальный ток, А 1000,1600;

— наибольшее рабочее напряжение, кВ 40,5 (24);

— ток термической стойкости в течение 3 с, кА 25;

— ток электродинамической стойкости, кА 64;

— полное время отключения, с, не более 0,05;

— собственное время отключения, с, не более 0,03;

— собственное время включения, с, не более 0,2;

— ресурс по механической стойкости, циклы 25000;

— ресурс по коммутационной стойкости без замены вакуумных дугогасительных камер, циклы

— при номинальном токе 25000;

— при номинальном токе отключения 50;

— ток потребления электромагнита

включения, А, не более 100;

— ток потребления электромагнитов

отключения, А, не более 2,5;

— масса, кг, не более 200(180).

Предусмотрено несколько исполнений выключателя' однополюсное, двухполюсное и трехполюсное Во всех исполнениях использован электромагнитный привод аналогичный выключателю ВВТЭ-М (рис. 3 1) В выключателе предусмотрены: электромагниты дистанционного включения и отключения, рычаг на валу выключателя для блокировки тележки, препятствующий выкатыванию и вкатыванию включенного выключателя в ячейку комплектного распределительного устройства; электрическая блокировка против повторения опереций включения и отключения выключателя, когда ко-

о со 00

I

I

I I I - ' I I I А 1

-У- /гг Н

380 Б. 380

Рис 3 11 Конструктивная схема выключателя ВБ/ЭЛКО/ТЭ-35-25/1600.

манда на включение продолжает оставаться поданной после автоматического отключения выключателя, 8 замыкающих и 8 размыкающих блок-контактов; механический указатель положения выключателя; счетчик числа циклов "Включено - Отключено".

Конструктивная схема выключателя в трехполюсном исполнении приведена на рис. 3.11, а общий вид на рис.3.12. На раме 1 установлены, вал 2 с механизмом свободного расцепления, встроенный электромагнитный привод 3, полюсы 4 на опорных изоляторах 5, тяги 6, блок сигнализации 7, кнопка аварийного отключения 8, лицевая крышка 9. Операция включения выключателя осуществляется за счет тягового усилия электромагнита включения. Отключение выключателя — за счет энергии предварительно запасенной при включении выключателя отключающей пружиной и пружинами поджатия.

Сравнение разработанного выключателя с маломасляными выключателями типа ВМУЭ-35 показывает, что существенно увеличен механический и коммутационный ресурс с 3000 до 25000 циклов при уменьшении массы выключателя с 730 кг до 200 кг. При этом уменьшился объем эксплуатационного обслуживания, необходим осмотр и смаз-Рис. 3.12. Общий вид выключателя типа ка трущихся поверхностей через каждые ВБ/ЭЛКО/ТЭ-35-25/1600. 2500 циклов или один раз в 3 года.

В серии выключателей типа ВБ/ЭЛКО/ТЭ предусмотрено исполнение выключателя на класс напряжения 20 кВ с сохранением всех приведенных технических параметров

Разработанная серия трехполюсных выключателей прошла испытания в составе ячейки К-65 производства ОАО "Самарский завод "Электрощит" в соответствии с ГОСТ 687-78, ГОСТ 1516 2-97, ГОСТ 8024-90, ГОСТ 15543.1-89, ГОСТ 16962 1-89, ГОСТ 16962 2-90

Таким образом, разработан малогабаритный вакуумный выключатель на номинальное напряжение 35 кВ, который по совокупности технических параметров превосходит аналогичные известные разработки при высокой надежности и простоте эксплуатации Создана конструкция коммутационного аппарата, в которой реализована возможность создания выкатного элемента для КРУ в классе напряжения 35 кВ. Аппарат может быть адаптирован к любым распределительным устройствам, которые производились в России и за рубежом до 2002 г.

3.7. Выключатель для магистральных электровозов и электропоездов

По заказу Министерства путей сообщения был разработан вакуумный выключатель типа ВВО-25-16/630 переменного тока частотой 50-60 Гц номинальным напряжением 27,5 кВ. Выключатель выполняет все коммутационные операции в нормальных и аварийных режимах По условиям эксплуатации выключатель соответствует исполнению УХЛ 1, нормальное значение климатических факторов по ГОСТ 15543-70 и ГОСТ 15150-69 Выключатель используется в качестве главного выключателя электровозов и электропоездов Аналогичного исполнения вакуумных выключателей в России неизвестно.

Выключатель имеет следующие технические характеристики:

— номинальное напряжение 27,5 кВ

— наибольшее рабочее напряжение 29 кВ

— номинальный ток 630 А

— номинальный ток отключения 20 кА

Рис 3 13. Общий вид вакуумного выключателя типа ВВО-25-16/630 УХЛ1 для установки на магистральных электровозах и электропоездах

— полное время отключения 0,06 с

— полное время отключения с применением

индукционно-динамического привода 0,027 с

— собственное время отключения с применением

индукционно-динамического привода 0,007 с

— ресурс при номинальном токе 60 000 циклов ВО

— масса 172 кг

Общий вид выключателя приведен на рис 3 13

3.8. Исследование перенапряжений, возникающих в сети при работе вакуумных выключателей

Внедрение в практику эксплуатации высоковольтный вакуумных выключателей на классы напряжения 6, 10, 25 и 35 кВ обусловило необходимость решения проблемы коммутационных перенапряжений, возникающих на электрооборудовании при работе из-за высокой дугогасительной способности вакуумных выключателей. В основном коммутационные перенапряжения в схемах с вакуумными аппаратами возникают из-за токов среза, обусловленных природой горения вакуумной дуги, и повторными зажиганиями дуги между контактами выключателя

Экспериментальным исследованиям коммутационных перенапряжений в сетях 6-10 кВ посвящено ограниченное число работ, из-за технических и организационных трудностей проведения измерений в действующих сетях Исследования коммутационных перенапряжений на математических моделях с использованием вычислительной техники не гарантируют получения результатов, отражающих истинную картину явлени из-за сложности физических процессов, обусловливающих коммутационные перенапряжения, многообразия и неопределенности действующих факторов, ограничений и допущений, принимаемых при этом, и требуют экспериментальной проверки в реальных электрических сетях.

В связи с этим нами совместно с сотрудниками Красноярского института цветных металлов им. М. И Калинина на ряде промышленных предприятий в течение нескольких лет измерялись коммутационные перенапряжения при коммутации высоковольтных двигателей и электропечных трансформаторов (индуктивно-резистивные нагрузки) вакуумными выключателями типов ВВТЭ-10-10/630, ВВТЭ-10-20/630, ВВТЭ-10-20/1600 для разработки рекомендаций по ограничению перенапряжений

3.8.1. Исследование перенапряжений, возникающих в сети с электродвигателями

Было обследовано 52 электродвигателя мощностью 250—1250 кВт и выполнено более 2000 измерений коммутационных перенапряжений При этом регистрировались коммутационные перенапряжения одновременно в трех фазах как на зажимах

электродвигателя, так и на шинах выключателя при коммутации электродвигателя на холостом ходу, под нагрузкой и в процессе пуска. В результате проведенных измерений получен статистический материал о распределении коммутационных перенапряжений и определены основные параметры распределения

Средние значения кратности коммутационных перенапряжений при коммутации электродвигателей 520—1250 кВт находятся в интервале 1,3—3,2 со стандартным отклонением в пределах 0,24—0,96 Зарегистрированные максимальные перенапряжения при включении 5,9, а при отключении 4,2. Средние значения кратности коммутационных перенапряжений при коммутации электродвигателей 250—500 кВт находятся в интервале 3,4—4,1 со стандартным отклонением в пределах 0,65—1,0 При этом зарегистрированные максимальные перенапряжения при включении 6,0, а при отключении 6,8.

Проведенный регрессионный анализ полученных результатов показывает зависимость кратности коммутационных

Ксредн

Кмакс

" * 1 2 *Г~ г

1 К-Ч Л к

1 1 1 1 1 1 1 1 1111II иом'

перенапряжений от мощности отключаемых электродвигателей (рис. 3.14). С ростом номинальной мощности электродвигателя средние и максимальные кратнос-102 кВт ти коммутационных перенапряжений 3 4 5678 10 16 уменьшаются, что объясняется в основ-

Рис. 3.14. Зависимость кратности ном снижением импеданса обмоток.

коммутационных перенапряжений от Перенапряжения, которые pao

номинальной мощности электродвигателя

пространяются на питающую сеть, при отключении, ниже перенапряжений на нагрузке, что обусловлено шунтирующим действием емкости питающей сети. Параметры внешней сети (до выключателя) незначительно влияют на формирование коммутационных перенапряжений, в то время как параметры кабеля присоединения электродвигателя являются определяющими.

Общепринятых стандартов для оценки импульсной прочности изоляции электродвигателей нет. На рис. 3.14 показаны гарантированные уровни импульсной прочности корпусной изоляции, соответственно, новой (линия 1) и бывшей в употреблении более 100 тысяч часов (линия 2) по данным ряда национальных стандартов и МЭК. Видно, что при коммутации электродвигателей мощностью более 630 кВт коммутационные перенапряжения, как правило, не превышают гарантированных уровней импульсной прочности изоляции статора По нашим оценкам вероятность превышения коммутационных перенапряжений гарантированного уровня импульсной прочности изопя-ции не более 5х10"5. В этом случае применения специальных мер по ограничению коммутационных перенапряжений не требуется.

— 49 —

Для электродвигателей мощностью 520—630 кВт вероятность превышения коммутационных перенапряжений гарантированного уровня импульсной прочности изоляции статора составляет около 2x10"4 В этом случае применение специальных средств защиты от коммутационных перенапряжений для установок с частыми коммутациями целесообразно.

В цепях электродвигателей небольшой мощности (250—500 кВт) коммутационные перенапряжения, как правило, превышают гарантированные уровни электрической прочности изоляции, поэтому для них необходимы средства защиты от коммутационных перенапряжений

Сделанные заключения подтверждаются анализом работы вакуумных выключателей в сетях с электродвигателями на таких предприятиях, как Норильский горнометаллургический комбинат, Качканарский и Михайловский горно-обогатительные комбинаты, ПО "Якуталмаз", ПО "Сибруда", Братский и Усть-Илимский ЛПК и Лесосибирс-ком ЛДК-1 ПО "Красноярсклесэкспорт".

Для защиты от коммутационных перенапряжений применение вентильных разрядников оказывается недостаточно эффективным, т к. вентильные разрядники имеют импульсное пробивное напряжение порядка четырехкратного действующего значения фазного напряжения сети, что не обеспечивает достаточную защиту электродвигателей Применение нелинейных ограничителей перенапряжений типа ОПН более эффективно, но и они обеспечивают только трехкратный уровень ограничения импульсных перенапряжений Распространенным способом защиты высоковольтных вращающихся машин от перенапряжений является подключение дополнительных конденсаторов между фазами и корпусом машины. При этом уменьшается не только амплитуда, но и крутизна фронта импульсов коммутационных перенапряжений, что создает более благоприятные условия для эксплуатации изоляции Однако это влечет за собой увеличение токов однофазных замыканий на землю.

В целях уменьшения однофазного тока на землю нами предложена и испытана в условиях эксплуатации схема соединения конденсаторов не на землю, а в "треугольник" или в "звезду" без заземления нейтрали Эксперименты показали примерно одинаковую эффективность обоих способов соединения конденсаторов Окончательное решение по выбору схемы соединения ("звезда" или "треугольник") должно выбираться на основе технико-экономического обоснования, т к для схемы соединения "треугольником" требуются конденсаторы меньшей емкости, но на большее рабочее напряжение.

Макетные образцы защиты для электродвигателей по схеме соединения конденсаторов "треугольником" (0,1—0,3 мкФ в одной ветви) прошли испытания в эксплуатации на Ирбинском руднике ПО "Сибруда" и Лесосибирском ЛДК-1 ПО "Красноярск— 50 —

лесэкспорт" В период эксплуатации этих устройств в течение нескольких лет случаи аварийного выхода из строя высоковольтных двигателей по причине коммутационных перенапряжений прекратились

3.8.2. Исследование перенапряжений, возникающих в сети с трансформаторами

Ограниченный объем имеющихся экспериментальных данных по коммутационным перенапряжениям в сети с трансформаторами также тормозит внедрение вакуумных выключателей, поэтому нами предпринята попытка исследования уровней коммутационных перенапряжений при работе вакуумных выключателей в сети с электропечными трансформаторами В отечественной литературе, до проведения наших исследований, сведения по данному вопросу отсутствуют Применение вакуумных выключателей в цепи электропечных трансформаторных агрегатов актуально, т. к в процессе работы печи за сутки происходит до 200 отключений трансформатора в режиме холостого хода Это наиболее тяжелый режим с точки зрения коммутационных перенапряжений для трансформатора и выключателя.

Измерения коммутационных перенапряжений проводились в условиях литейного цеха контейнерного завода ПО "Абаканвогонмаш" при коммутации трехфазного электропечного трансформаторного агрегата типа ЭТМПК-3200/10-71УЗ вакуумным выключателем ВВТЭ-10-20/630 и для сравнения результатов электромагнитным выключателем типа ВЭМ-10-20/1000 Амплитуды коммутационных перенапряжений регистрировались во всех трех фазах с помощью активно-емкостных делителей напряжения и трехфазного регистратора перенапряжений Погрешность измерительного комплекса по оценкам составляла ±6% при доверительной вероятности 0,9

С учетом особенностей технологического процесса электропечного агрегата измерения коммутационных перенапряжений производились при отключении трансформатора после включения через паузу времени 1 с и 30 с Статистическая обработка полученных результатов показала, что при включении из 177 опытов максимальный коэффициент перенапряжений не превысил 1,87, средний коэффициент перенапряжений составил 1,44 при среднеквадратическом отклонении 0,1 При отключении трансформаторного агрегата через 30 с и больше после включения максимальный коэффициент перенапряжения не превысил 2,8, средний коэффициент перенапряжения составил 1,65 при среднеквадратическом отклонении 0,37 Однако, при отключении трансформаторного агрегата через 1 с после включения максимальный коэффициент перенапряжения достигал значений 5,84, средний коэффициент перенапряжений составил 2,4 при среднеквадратическом отклонении 1,3 Увеличение перенапряжений при отключении трансформаторного агрегата через 1 с после включения объясняется тем,

что к этому времени переходный процесс, связанный с включением трансформатора еще не закончился Поэтому при эксплуатации агрегатов с трансформаторами с целью снижения вероятности коммутационных перенапряжений большой кратности следует избегать отключений агрегата сразу же после его включения

Сравнение кратностей коммутационных перенапряжений возникающих при коммутации вакуумным выключателем и электромагнитным в сопоставимых условиях показывает отсутствие значимой разницы в создаваемых перенапряжениях этими типами выключателей

Полученные кратности перенапряжений согласно ГОСТ 1516-73 не превышают импульсной прочности отечественных масляных трансформаторов для максимального рабочего напряжения 12 кВ, которая составляет 90 кВ, что соответствует кратности перенапряжений 7,5 раз Исходя из этого — эксплуатация электропечных трансформаторных агрегатов типа ЭТМПК-3200/10-71 допустима без применения средств защиты от коммутационных перенапряжений.

Аналогичные измерения были проведены на литейном заводе Камского объединения по производству большегрузных автомобилей (КАМАЗ) на электропечных агрегатах фирмы "Westinghouse" (США) Полученные результаты сходны с приведенными выше и подтверждают приведенный вывод.

Измерения, проведенные с применением резистивно-емкостных ограничителей перенапряжений, показали, что они (при R=94 Ом, С=0,1 мкФ) позволяют снизить кратность коммутационных перенапряжений в 2,4 раза во всех случаях.

3.9. Сравнение разработанных выключателей с существующими

Проведенные разработки позволяют сделать сравнение полученных результа-

522 кг 1 - ВЭ-10-1250-20 тов с ранее существующими Прежде

2 - ВМПЭ-10-1000-20 всего можно сравнить между собой раз-

^ ~ личные типы выключателей в одном

("ABB" Германия) 4 - ВБСК-10-20/1 ООО классе напряжения по типу используе-

250 кг мой дугогасящей среды. В качестве па-

раметра для сравнения можно выбрать 110кг массу выключателя Результат сравне-

42кг ния различных типов выключателей | | приведен на рис 3.15.

1 2 3 4 Видно, что разработанные ва-

Электро- Мало- Эпега- Вакуум-

куумные выключатели имеют значи-

магнитные маслянные зовые ные

_ „ _ . тельное преимущество перед всеми

Рис. 3 15 Сравнение выключателей с

различной дугогасящей средой по массе другими типами выключателей: элект-

ромагнитными, маломасляными и элегазовыми

Предложенные компоновки вакуумных выключателей вместе с применением современных типов вакуумных дугогасительных камер позволили значительно снизить габариты и массу разработанных вакуумных выключателей по сравнению с первыми поколениями вакуумных выключателей (рис 3 16), по массе более, чем в 3 раза по сравнению с выключателями 1980 г, по габаритам — примерно в 2 раза по сравнению с выключателями 1990 г разработки

ВВТЭ-10-10/630 В ВТЭ-М-10-20/1600

В

п

ВБСК-10-20/1 ООО

«О

ни

1990г. 1н = 1600А 1н отк=20кА Р(масса)=80кг

1980г. 1н=630А 1н отк=1 ОкА Р(масса)=150кг

Рис 3.16 Достигнутые результаты в развитии вакуумных аппаратов в течение 20 лет.

2000г 1н=1000А 1н отк=20кА Р(масса)=42кг

3.10. Выводы

1. Разработанные вакуумные выключатели с электромагнитным и пружинно-моторным приводами на класс напряжения 10 кВ, номинальные токи 630,1000, 1600, 2000, 2500 и 3150 А и номинальные токи отключения от 10 до 40 кА обладают лучшими техническими характеристиками по сравнению с другими типами выключателей, внедрены в серийное производство и широко используются в эксплуатаци взамен маломасляных, электромагнитных и элегазовых.

2. Разработанная конструкция вакуумного выключателя для серийного производства с оперативным ручным включением при электромагнитном приводе не имеет аналогов, значительно проще и надежнее применяемых ранее выключателей различного типа на аналогичные параметры.

3. Разработанная серия вакуумных выключателей с электромагнитным приводом на класс напряжения 35 кВ позволяет заменить выпускаемые ранее маломасляные выключатели для ячеек типа К-65.

4. Разработанный однофазный выключатель для магистральных электровозов и поездов на номинальное напряжение 25 кВ, номинальный ток 630 А, номинальный ток отключения 25 кА, коммутационный ресурс 60 тыс циклов "В-О", прошедший эксл-

луатационные испытания на железной дороге, переданный в серийное производство, позволяет заменить применяемые воздушные выключатели

5 Исследованные коммутационные перенапряжения, возникающие в электросети печных трансформаторов и мощных электродвигателей при коммутации вакуумными выключателями, позволили разработать методы и средства их ограничения

Заключение

Материалы диссертационной работы показывают, что поставленная цель достигнута, решены задачи, которые требовали решения Основные результаты можно сформулировать следующим образом

1 Показана возможность создания мегавольтных разрядников с наносекунд-ной стабильностью срабатывания и созданы образцы многоканальных — по числу поджигающих узлов — коммутаторов с рабочим напряжением 400 кВ, 700 кВ и 2,4 МВ Коммутаторы применялись в установках типа "Ангара-5" и "Модуль"

2 Разработаны вакуумные управляемые разрядники отпаянной конструкции, способные пропускать токи до 400 кА при напряжении до 40-50 кВ и количестве электричества за одно срабатывание до 100 Кл при времени запаздывания срабатывания 1 мкс и стабильности срабатывания не хуже ±50 не Освоено серийное производство указанных разрядников по разработанной специальной технологии Заводом изготовителем выпущено более 10 тыс разрядников, которые нашли применение в самых разных отраслях.

3 Разработан ряд высоковольтных вакуумных выключателей на номинальное напряжение 6-35 кВ, номинальные токи 400-3150 А, номинальный ток отключения 1040 кА, с ресурсом по номинальному току до 50 000 циклов "включено-отключено" и по номинальному току отключени до 50 циклов "включено-отключено" Освоено серийное производство разработанных вакуумных выключателей на ряде предприятий Росси' ОАО "ЭЛКО" (г Минусинск), ОАО "Свободненский электроаппаратный завод" (г. Свободный), ОАО "Уфимский электроаппаратный завод" (г. Уфа) Выключатели соответствуют российским стандартам и по параметрам не уступают зарубежным аналогам ведущих стран мира Всего заводами изготовителями выпущено более 50 000 вакуумных выключателей различных типов по разработкам с участием автора

4 Разработаны методы и средства ограничения коммутационных перенапряжений при работе вакуумных выключателях в электросетях с печными трансформаторами и двигателями большой мощности

Автор считает своим долгом выразить благодарность и признательность академику Ковальчуку Б М , которого считает своим первым и основным учителем во всех

аспектах работы и без которого большая часть представленной работы была бы невозможна, академику Месяцу Г А , за внимание и поддержку при выполнении работы на всех ее этапах, научному консультанту, профессору Лопатину В В , за полезные дискуссии, помощь и поддержку при выполнении и подготовки данной работы, профессору Королеву Ю Д, за полезные замечания и методическую помощь в изложении материала, а также всем сотрудникам-коллегам Отдела импульсной техники ИСЭ СО РАН, лаборатории вакуумных разрядников ВНИИЭП, конструкторского отдела №3 ВНИ-ИЭП и конструкторского отдела №3 ОАО "ЭЛКО" за совместный творческий труд при решении многих вопросов, связанных с данной работой

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 ЕльчаниновА С , Ковальчук Б М , Лавринович В А Шунт из фольги для регистрации наносекундных импульсов — Приборы и техника эксперимента, 1975, №2, с 126-128

2 Емельянов В Г, Ковальчук Б М , Лавринович В А , Месяц Г А, Потали-цын Ю Ф Многоискровой высоковольтный тригатрон — Приборы и техника эксперимента, 1975, №4, с. 89-92

3 Ковальчук Б М , Кремнев В В , Лавринович В А Коммутационные и энергетические характеристики многоискрового газового разрядника — В кн Электрофизические характеристики канальной стадии разряда применительно к проблеме коммутации — Караганда, Карагандинский политехнический институт, 1976. — с 104-106

4 Ковальчук Б. М , Лавринович В А , Манылов В И , Месяц Г. А., Рыбалов А-М Импульсный ускоритель электронов для возбуждения больших газовых объемов

— Приборы и техника эксперимента, 1976, №6, с 125-127

5. Kovalchuk В М , Lavrinovich V А , Mesyats G. А , Potalytsin Yu F., Toptigir) V V Investigation of the switching characteristic of the high-current multi-spark discharge at the high pressure in the gas mixtures SF6, N2 and Ar — In: Proc Of the Xlll-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases — Berlin, 1977, pp 397-398.

6 Лавринович В А., Поталицын Ю. Ф , Топтыгин В В. Исследование коммутационной характеристики многоканального газового коммутатора в зависимости от состава газовой рабочей смеси. — В кн . Доклады Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов — Ленинград, 1977, том III, с 168-173

7 Поталицин Ю. Ф., Лавринович В А Способ поджига разрядника.—Авт. свид №558338. — Бюллетень, 1977, №18.

8 Поталицин Ю Ф., Лавринович В А Разрядник. — Авт. свид. №636730. — Бюллетень, 1978, №45.

9 Бакшт Р Б., Лавринович В А , Стасьев В П Генератор сильноточных электронных пучков СЭП-1. — В кн.: Тезисы докладов III Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике. Томск 1978, с 117-118 — Томск, Институт сильноточной электроники, 1978

10 Ковальчук Б М , Лавринович В А , Поталицын Ю. Ф , Топтыгин В В Влияние добавок аргона и водорода на разрядные характеристики сильноточных газовых коммутаторов — В кн : Тезисы докладов III Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике Томск 1978, с 141-142 —Томск, Институт сильноточной электроники, 1978

11 КовапьчукБ М, Лавринович В А , Подковыров В Г., Поталицын Ю. Ф. О механизме наносекундного режима работы мегавольтных тригатронов — В кн . Тезисы докладов III Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике Томск 1978, с 143-144 —Томск, Институт сильноточной электроники, 1978.

12 Ковальчук Б М , Лавринович В А , Поталицын Ю Ф , Топтыгин В. В Газовая смесь М2+вР6+Аг для разрядника высокого давления — Приборы и техника эксперимента, 1979, №2, с 135-137

13 Лавринович В А , Подковыров В Г, Поталицын Ю Ф Некоторые характеристики импульсного электрического пробоя азота и его смесей с электроотрицательными газами в резко неоднородном поле — Известия высших учебных заведений Физика, 1981, №5, с 98-100

14 Ковальчук Б. М., Лавринович В А , Подковыров В Г, Поталицын Ю. Ф., Топтыгин В. В Испытательный стенд с напряжением 3 МВ. — Приборы и техника эксперимента, 1982, №2, с. 253-254.

15 Головина Е Ю, Зорин В Б, Лавринович В А Мазурин И М., Поталицын Ю Ф , Топтыгин В В , Чубаров В С Исследование влияния сильноточных разрядов в элегазе на электрическую прочность мегавольтного коммутатора. — В кн.. IV Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике Тезисы докладов (часть II). — Томск, Институт сильноточной электроники, 1982, с 66-69.

16 Вечерковский В В, Истомин Ю. А , Латманизова Г М , Лавринович В. А. и др Компактный газонаполненный коммутатор на 2,5 МВ — В кн.- IV Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике Тезисы докладов (часть II). — Томск, Институт сильноточной электроники, 1982, с 70-71

17 Зорин В. Б , Ковшаров Н Ф , Лавринович В А , Поталицын Ю. Ф. Разработка коммутатора установки "Модуль" — В кн : IV Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике Тезисы докладов (часть II) — Томск, Институт сильноточной электроники, 1982, с. 72-75.

18 Лавринович В А., Петин В. К Емкостной делитель напряжения. — В кн.: IV Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике Тезисы докладов (часть II) — Томск, Институт сильноточной электроники, 1982, с 124-127.

19 Вечерковский В В , Гусев О А , Истомин Ю А и др Мегавольтный коммутатор установки "Ангара-5" — В кн ■ Доклады второй Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (23-25 июня 1981 г.). — Л , НИИ ЭФА, 1982, том 3, с. 143-151.

20 Ельчанинов А С., Загулов Ф Я , Ковальчук Б М и др. Установка "Модуль" для получения горячей плазмы методом МГД обжатия — В кн . Доклады второй Всесо-

юзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (23-25 июня 1981 г) — Л , НИИ ЭФА, 1982, том 3, с 273-278

21 Вечерковский В В , Зорин В Б , Истомин Ю А , и др Разработка и исследование газовых коммутатор на 2 MB — Ленинград, Препринт НИИ ЭФА, 1982 — 32 с

22 Вечерковский В В , Истомин Ю А , Коба Ю В и др Коммутатор двойной формирующей линии экспериментального модуля установки "Ангара-5" — Приборы и техника эксперимента, 1983, №4, с 124-127

23 Kovalchuk В М , Lavrinovitch V А , Mesyats G A and other Breakdown in nitrogen and in its mixtures with 02 and SF6 in strongly nonuniform electric field at nanosecond voltage pulsing — In' XVI International Conference on Phenomena in Ionized Gases — Dusseldorf, 29th August — 2nd September, 1983, volume 2, p 120-121

24. ЕльчаниновА С, Загулов Ф Я., Ковальчук Б М и др. Установка "Модуль" — импульсный генератор мегаамперных токов — Тезисы докладов Первой Всесоюзной конференции по импульсным источникам энергии Импульсные источники энергии для физических и термоядерных исследований (Юрмала, 17-21 января 1983 г) — М 1983, с. 99.

25. Зорин В. Б , Головина Е. Ю , Лавринович В. А. и др Многоимпульсная электрическая прочность мегавольтного сильноточного элегазового коммутатора — Тезисы докладов Первой Всесоюзной конференции по импульсным источникам энергии. Импульсные источники энергии для физических и термоядерных исследований. (Юрмала, 17-21 января 1983 г) — М. 1983, с 206.

26. Зорин В Б , Головина Е. Ю., Ковальчук Б. М., Лавринович В. А. и др Электрическая прочность элегаза при мегавольтной сильноточной коммутации. —Журнал технической физики, 1984, том 54, выпуск 7, с. 1347-1349.

27. Лавринович В. А , Подковыров В. Г, Поталицын Ю Ф , и др. Анализ перекрытия по поверхности камеры мегавольтного коммутатора в газе — В кн : V Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике Тезисы докладов (Часть II) — Томск, Институт сильноточной электроники, 1984, с 78-80.

28 Ельманинов А С., Загулов Ф Я , Ковальчук Б М и др Импульсный генератор мегаамперного тока "СНОП-2" — Приборы и техника эксперимента, 1985, №4, с. 97-100.

29. Ковшаров Н Ф , Кумпяк Е В , Лавринович В А и др Водяной коммутатор на 2,5 MB — В кн : Импульсные источники энергии для термоядерных исследований и промышленной технологии Тезисы докладов 2-й Всесоюзной конференции (г Верхняя Пышма, 16-20 сентября 1985 г) —М ЦНИИИатоминформ, 1985, с 103-104

30 ЛавриновичВ А Генератор прямоугольных импульсов регулируемой длительности — Авт свид №1380575 — Бюллетень, 1987

31 Лавринович В А , Шаталов С В. Способ дегазации электровакуумного прибора —Авт свид №1470124 —Бюллетень, 1988

32 Воздвиженский В А , Сидоров В А , Лавринович В А , Демидов А А Вакуумный управляемый разрядник типа РБУ 63-20 УХЛ4, серийного производства — В кн Тезисы докладов Третьей Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии (20-22 июня 1989 г, Ленинград)" — М ЦНИИатоминформ, 1989, с 85-86.

33 Воздвиженский В А , Демидов А А , Лавринович В А , Сидоров В А. Сильноточный вакуумный разрядник отпаянной конструкции РБУ-63-20 — Приборы и техника эксперимента, 1989, №3, с 241.

34 Гончаров А. Ф., Эпштейн И Я , Попов Ю Н. и др Перенапряжения при коммутации электропечных трансформаторных агрегатов вакуумными выключателями — Электротехника, 1990, №4, с 68-72.

35 Демидов А. А , Клименко К А , Колесников А В и др Сильноточный коммутатор на основе разряда низкого давления с полыми электродами. —-В кн.: Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физике газового разряда. Омск, 26-28 июня 1990 г. Т 2. — Омск, б/и, 1990, т 2, с. 33-34.

36. Богданов В. С., Голощалов В. И., Лавринович В. А. Установка для измерения времени запаздывания срабатывания вакуумных управляемых разрядников. —Доп. в Информэлектро, 28.04.90, №44 — ЭТ90

37 Гончаров А. Ф , Эпштейн И Я , Попов Ю. Н. и др. Защита от перенапряжений высоковольтных электродвигателей, коммутируемых вакуумными выключателями. — Промышленная энергетика, 1990, №6, с. 21-24.

38 Голощапов В И , Лавринович В А. Формирование килоамперных импульсов тока регулируемой длительности с использованием управляемых вакуумных разрядников — В кн VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов Часть III. — Свердловск, Институт электрофизики, 1990, с 149-151.

39 Рукин С. Н., Богданов В С , Демидов А. А., Лавринович В. А. Временные характеристики разрядника типа РБУ-63-20 — В кн ■ VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Часть III. — Свердловск, Институт электрофизики, 1990, с. 152-154.

40 Воздвиженский В А , Сидоров В А , Лавринович В А и Демидов А. А. Вакуумный разрядник —Авт свид №1644271. — Бюллетень, 1991, №15.

41 Воздвиженский В А , Сидоров В А , Лавринович В А., Демидов А. А. Управляемый вакуумный разрядник —Авт свид №1701087, Бюллетень, 1991, №17

2006-4

5463 (

42 Демидов А А и Лавринович В А Управ/Ц&мый Ттазрядяйк**- Аы i-нид №1725305 — Бюллетень, 1992, №13

43 Богданов В С , Ермолаев В А , Лавринович В А Управляемый разрядник

— Патент РФ №2084061 — Бюллетень, 1992, №19

44 Богданов В С , Борисов Б А , Голощапов В И , Лавринович В А Исследование работоспособности разрядника РБУ-63-20 при повышенных токах — Приборы и техника эксперимента, 1992, №2, с 163-166

45 Богданов В С , Клименко К А , Колесников А В , и др Частотный псевдоискровой разрядник с наносекундной стабильностью запуска для коммутации сильноточных коротких импульсов — Приборы и техника эксперимента, 1992, №2, с 167-170

46. Василенко В Н , Лавринович В А , Стрелков В Н Опыт разработки и эксплуатации вакуумных выключателей Часть 1 Вакуумные выключатели с электромагнитным приводом. — Промышленная энергетика, 2002, №3, с 15-21.

47. Василенко В Н , Лавринович В А , Стрелков В. Н Опыт разработки и эксплуатации вакуумных выключателей. Часть 2 Вакуумные выключатели с пружинно-моторным приводом . — Промышленная энергетика, 2002, № 4. с, 13-22.

48. Василенко В. Н , Лавринович В. А., Перепелкин С. Н., Стрелков В. Н. Малогабаритный вакуумный выключатель типа ВБСК-10-20 —Электро, 2002, №5, с. 22-26.

49. Василенко В. Н., Лавринович В. А., Перепелкин С. Н , Стрелков В Н. Вакуумный выключатель высокой коммутационной способности типа ВВЭ-(С)М-10-40. — Электро, 2003, №1, с. 32-36

50 Василенко В Н , Лавринович В А , Никифорова С М , Стрелков В. Н Вакуумный выключатель типа ВБ/ЭЛКО/ТЭ-35(20)-25/1600. — В кн.: VII Симпозиум Электротехника 2010 год / Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии. Сборник докладов. Том II — М., ВЭИ, 2003, Т. 2, с. 147-150.

51. Василенко В.Н., Лавринович В А., Никифорова С М., Стрелков В Н Вакуумный выключатель типа ВБ/ЭЛКОГГЭ-35(20)-25/1600 — Электро, 2003, №3, с 31-35.

52. Lavrinovich V А , Perepelkin S. N Synthetic tests of Vacuum Circuit Breakers

— In: 13-th International Symposium on High Current Electronics. —Tomsk, 2004, pp. 462-464.

53 Лавринович В. A, Лопатин В В, Перепелкин С Н Синтетические испытания вакуумных выключателей. — Промышленная