1.КОММУТАЦИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
При эксплуатации электроэнергетических систем довольно часто возникает необходимость отключения или подключения потребителей электроэнергии, а также снятия питания с отдельных участков системы для проведения обслуживания. Кроме того, важно обеспечить как можно более быстрое отключение от системы участков с повреждениями, вызывающими протекание токов короткого замыкания для сохранения электроснабжения остальной части системы. Все вышеперечисленные операции требуют выполнения отключений (коммутаций) электрического тока, что является особенно непростой задачей в случае отключения поврежденного участка, когда величина отключаемого тока (ток короткого замыкания) может достигать десятков тысяч ампер, а время, отведенное на отключение аварийной части системы ограничено промежутком 50-100 миллисекунд.
Любое изменение в электроэнергетической системе, будь то создание нового пути протекания тока в случае замыкания выключателя, или исчезновение существующего пути при его размыкании, приводит к возникновению электрического переходного процесса, который, по сути, является перераспределением накопленной энергии между индуктивными и емкостными элементами системы, сопровождающим ее переход из одного установившегося состояния в другое. Такие явления обычно сопровождаются возникновением в системе высокочастотных перенапряжений, оказывающих стрессовые воздействия на коммутационный аппарат и систему в целом.
На Рис. 1 схематически показан процесс отключения аварийного участка, при этом электрическая цепь сокращается на величину аварийного участка. Нагрузка, которая питается через выключатель, на схеме не показана, поскольку возникшее короткое замыкание отсекает ее от источника
энергии.
Рис.1
На схеме указаны элементы цепи:
L - индуктивность линии, ограничивающая величину тока КЗ в аварийной точке;
С - паразитная емкость цепи.
Активное сопротивление линии и прочие факторы, определяющие потери настолько незначительны, что ими можно пренебречь. Контакты выключателя размыкаются, отключая аварийный ток.
Когда контакты, по которым протекает ток, размыкаются, независимо от типа дугогасящей среды, в которой находятся контакты (вакуум, жидкость или газ), между ними возникает электрическая дуга. Имея достаточную электрическую проводимость, возникшая между контактами дуга обеспечивает току короткого замыкания путь для его дальнейшего протекания. Для цепи, изображенной на Рис. 1, ток, имея практически индуктивный характер, отстает от напряжения источника на 90?, таким образом, когда ток подходит к естественному нулю, напряжение источника достигает своего максимального значения (Рис. 2).
Рис.2
Рис. 2 показывает ток выключателя (красная кривая) и напряжение на контактах выключателя при выполнении коммутации (зеленая кривая). До тех пор, пока между контактами выключателя существует дуга, существует и напряжение между контактами выключателя, называемое напряжением на дуге. Дуга, горящая в вакууме, характеризуется весьма низким значением напряжения на дуге, поэтому на графике ее практически не видно.
При переходе тока через естественный нуль, дуга в промежутке между контактами гаснет, исчезает мостик для протекания тока по контактам, и ток от источника переходит в паразитную емкость линии С, заряжая ее до напряжения источника (фактически на разомкнутых контактах выключателя восстанавливается напряжение источника). Поскольку цепь, образовавшаяся после размыкания выключателя (Рис. 1) является индуктивноемкостной, то восстановление напряжение на контактах выключателя имеет резонансный характер, а кривая, описывающая этот процесс, представляет собой кривую напряжения источника, на которую наложены затухающие высокочастотные (с естественной частотой цепи, Рис. 1) колебания переходного процесса. Высокочастотное напряжение, возникающее на контактах выключателя после отключения тока носит название переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Таким образом, задача отключения тока, по сути дела, сводится к быстрому превращению вещества межконтактного промежутка из неплохого проводника тока в отличный изолятор, способный выдержать воздействие ПВН.
2.ДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ И ОТКЛЮЧЕНИЕ ТОКОВ
Как уже отмечалось, если размыкается пара контактов, несущих ток, то между ними возникает электрическая дуга, которая поддерживает высокую проводимость межконтактного промежутка и позволяет току протекать между контактами, как будто они остались замкнутыми. Это требует подогрева среды межконтактного промежутка до довольно высокой температуры для диссоциации (разложения) ее молекул и ионизации промежутка. Например, для распространенной дугогасящей среды SF6 (элегаз), температура в центре дуги превосходит 20 тысяч 0К. Ионизированные атомы серы, появляющиеся в процессе диссоциации газа, создают среду для протекания тока в дуге. Аналогичные процессы происходят в масляных выключателях, масло разлагается на углерод и водород, и именно водород поставляет носители тока для дуги, таким образом, можно сказать, что масляный выключатель является, по сути, водородным выключателем.
Эти процессы требуют заметных затрат энергии, которую дуга потребляет из системы. Напряжение, возникающее на дуге, препятствует протеканию тока, это противодействие является следствием расходования энергии отключаемого тока на диссоциацию молекул и ионизацию среды межконтактного промежутка. Потребляемая мощность рассеивается, в конечном итоге, в виде теплового и электромагнитного излучений, что и вызывает наблюдаемые при коммутациях вспышки и звуковые эффекты. В газовом выключателе плотность тока в дуге может достигать 5 кА/см2, напряженность электрического поля - 200 В/см, таким образом, мощность, рассеиваемая в дуге может быть до 1 МВт/см3.
Существование электрической дуги характеризуется квазиравновесным состоянием, при котором напряжение дуги саморегулируется на уровне, достаточном для поддержания проводимости образующейся плазмы, а диаметр столба дуги сжимается или расширяется в зависимости от изменения величины протекающего тока. Выделяющаяся при этом энергия отдается в окружающую среду посредством теплопроводности, конвекции и излучения. Этот энергетический баланс должен быть разрушен, если необходимо подавить дугу и прервать протекание тока. При достижении током естественного нуля приток энергии из сети прекращается, если в этот момент интенсивно охлаждать межконтактный промежуток, то можно погасить дугу, нарушить проводимость промежутка и восстановить его электропрочность, тем самым осуществив отключение. В выключателях с газовым дутьем это достигается путем выдувания дуги сильной струей относительно холодного газа. Охлаждение должно быть очень быстрым, чтобы скорость подавления остаточной дуги и восстановления электропрочности промежутка превышала скорость роста ПВН (Рис. 2).
Если контакты, несущие ток размыкаются в вакууме, весь ток устремляется к последней оставшейся точке контакта, вызывая интенсивный местный нагрев в этой точке. При дальнейшем разведении контактов формируется мостик из расплавленного металла, который, вследствие огромной плотности тока в нем, мгновенно разогревается и взрывается, создавая дугу в среде ионизированных металлических паров, образовавшихся в результате взрыва. Ионизированный металлический пар является хорошим проводником тока, и в межэлектродном промежутке начинается устойчивый дуговой разряд. Таким образом, вакуумная дуга представляет собой, на самом деле, дугу в среде металлического пара. Носители тока попадают в межэлектродный промежуток с катода через множественные точечные источники тока, называемые катодными пятнами (Рис. 3).
Рис.3
Через каждое пятно протекает ток 60-100 ампер, что при размерах катодного пятна от нескольких микрон до нескольких десятков микрон создает плотность тока до ста миллионов ампер на квадратный сантиметр. Огромная плотность тока разогревает металл электрода в катодных пятнах, он кипит и испаряется, давление в этих точках достигает десятков атмосфер, а температура - нескольких тысяч градусов. При таких температурах и давлениях из катодных пятен истекают сверхзвуковые струи плотной, сильно ионизированной плазмы, через которую и замыкается ток на анод.
При наблюдении за катодными пятнами кажется, что они находятся в непрерывном хаотическом движении по поверхности катода. На самом деле эффект движения пятен создается из-за непрерывного процесса исчезновения (отмирания) одних пятен и возникновения других. Каждое пятно имеет ограниченное «время жизни», новые пятна рождаются в месте отмирания «старого» пятна, зачастую новые пятна появляются путем деления уже существующего на два и более пятен. Количество пятен, существующих на катоде в определенный момент времени, определяется амплитудой тока дуги и материалом катода. Так, например, каждое пятно на медном электроде несет ток порядка 100А. Таким образом, дуга, образуемая на медном электроде током 1000А создаст примерно 10 катодных пятен.
Если рассматривать полупериод переменного тока (Рис. 4), то можно заметить, что одновременно с ростом уровня тока будет расти и количество катодных пятен, затем, по мере уменьшения тока, количество пятен будет уменьшаться до тех пор, пока непосредственно перед естественным переходом тока через ноль не останется только одно пятно. При достижении током предельной минимальной величины, которая называется током среза и зависит, в основном, от материала катода, последнее катодное пятно прекращает свое существование, при этом ток через межэлектродный промежуток практически перестает течь, а пары металла конденсируются на электродах за время около 10 микросекунд. После исчезновения тока на разведенных электродах начинает восстанавливаться напряжение сети, этот процесс занимает примерно 50-60 микросекунд, то есть, к моменту восстановления напряжения носители заряда в межэлектродном промежутке отсутствуют и он полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства. Вакуумные дуги имеют несколько форм, режимов существования. Для определения режима горения вакуумной дуги используется слово «мода». Проявление вакуумной дуги, ее вид, зависит от моды. Мода, в свою очередь, зависит от величины тока и, в известной степени, от размера контактов.
Рис. 4
При меньших токах дуга принимает диффузную моду, которая характеризуется наличием одного или нескольких катодных пятен. Остальная часть дуги светится гораздо слабее, контрастируя с ярко светящимися катодными пятнами. Дуга называется диффузной, потому что практически весь объем межэлектродного промежутка равномерно заполнен раскаленными светящимися струями конической формы, берущими начало в катодных пятнах и омывающими анод. По мере роста тока дуга расширяется, светящаяся плазма заполняет практически весь объем камеры. Рис. 3 дает общее представление о том, как выглядит дуга в диффузной моде. На Рис. 5 представлены фотографии диффузной дуги при различных уровнях тока.
Рис. 5
|
Вакуумная дуга при токе 1-2 кА
|
Вакуумная дуга при токе 15-20 кА
|
Вакуумная дуга при токе 50-60 кА
|
|
|
|
|
Экспериментальные работы, проделанные учеными многих стран дают более конкретную информацию о диффузной дуге в среде металлического пара. По сравнению с дугами в газах, напряжение вакуумной дуги довольно низкое, обычно в пределах 20-30В для токов порядка нескольких сот ампер на медных электродах, таким образом, энергия, выделяемая на электродах в процессе горения дуги (UI), очень невелика. Большая часть падения напряжения дуги приходится на прикатодную область, чрезвычайно короткий участок, начинающийся у катодного пятна в непосредственной близости к поверхности катода. Почти все остальное напряжение проявляется в прианодной области. Таким образом, в целом, объем плазмы характеризуется очень слабым электрическим полем, то есть суммарный заряд электрических частиц в объеме дуги близок к нейтральному.
Опытным путем были определены параметры дуги:
Наличие катодных пятен жизненно необходимо для существования вакуумной дуги, поскольку они являются источником плазмы, без которой дуга не живет. Анод, в отличие от катода, ведет себя как положительный зонд, вытягивающий из плазмы значительный ток, необходимый для удовлетворения потребностей внешней цепи. Межэлектродная плазма обеспечивает проводящую среду, необходимую для переноса тока от катода к аноду. Неудивительно, что в этой ситуации большинство научных исследований вакуума как коммутационной среды сфокусированы на катодных процессах, в большей даже степени, чем на самой плазме.
При дальнейшем увеличении тока в дуге происходят неожиданные существенные изменения характера дуги. Плазма, вместо того, чтобы равномерно омывать анод, как было описано ранее, фокусируется на небольшой области этого электрода. Это анодное пятно, обычно находящееся на остром краю контакта и пребывающее в расплавленном состоянии, обычно играет ключевую роль в пробое промежутка при попытке восстановления напряжения. Катодные пятна, при этом, имеют тенденцию к группированию, а сама дуга принимает вид ярко светящегося жгута (Рис. 6). Такая мода дуги называется контрагированной.
Рис. 6
Контрагированная дуга вызывает гораздо большую эрозию обоих электродов, которая в количественном отношении зависит от амплитуды тока и длительности его протекания, приблизительно можно утверждать, что в этом режиме эрозия на один или два порядка выше, нежели катодная эрозия диффузной дуги.
Выше уже отмечалось, что в газовых выключателях прерывание тока достигается за счет очень быстрого охлаждения остаточной плазмы при достижении током естественного нуля. Продуктами вакуумной дуги являются металлическая плазма и нейтральные пары металла. Плазма истекает из катодных пятен, а пары металла - из окружающих пятна областей с более низкой температурой и капель расплавленного металла. При больших токах анод также разогревается достаточно сильно, чтобы испускать нейтральный металлический пар. Необычайно высокая отключающая способность вакуумных коммутационных аппаратов напрямую связана с чрезвычайно быстрым рассеянием продуктов горения дуги из-за высоких перепадов их концентрации в направлении от оси камеры к ее оболочке, с одновременной их конденсацией на контактах и экранах. Весь этот процесс занимает буквально несколько микросекунд. Поскольку к моменту достижения током естественного нуля в межэлектродном промежутке остается очень мало металла, электропрочность промежутка восстанавливается настолько быстро, что возможно даже отключение высокочастотных токов при переходе их через нуль.
При контрагированной моде дуги в ней выделяется больше энергии, кроме того, этот режим сопровождается образованием на аноде одного или нескольких очагов расплавленного металла, все это приводит к резкому увеличению количества металлического пара, выбрасываемого в промежуток. Это затрудняет отключение тока при переходе его через нуль, так как скорость восстановления электропрочности промежутка в таких условиях уступает скорости нарастания напряжения, вакуумный зазор вновь пробивается и через него протекает полуволна тока противоположной полярности. Это явление считается отказом отключения тока. Безусловно, вакуумная камера любой конструкции имеет предел отключаемого тока, выше которого отключение невозможно и этот предел напрямую связан с состоянием анода к моменту восстановления напряжения, поскольку тот несет основную тепловую нагрузку в процессе горения дуги, а к моменту восстановления напряжения полярность на контактах меняется и анод становится катодом. Таким образом, создание благоприятных условий для успешного отключения тока заключается в предотвращении возникновения анодных пятен вследствие контрагирования дуги, которое наблюдается уже при уровнях отключаемого тока 8-10 кА. Эта величина является физическим пределом отключения для обычных торцевых контактов, причем увеличение размера (площади) контактов при этом никаких результатов не дает, потому что тепловая нагрузка от контрагированной дуги приходится не на всю поверхность контакта, а лишь на пятно размером 2-3 см2.
Из анализа процессов протекающих внутри вакуумной камеры при отключении больших токов следует, что для повышения отключающей способности вакуумного выключателя необходимо совершенствование контактной системы с целью предотвращения возникновения анодного пятна.
В настоящее время в мировой практике получили широкое распространение несколько разновидностей контактных систем, наиболее типичные из которых мы рассмотрим.
Самой простой и технологичной, а, следовательно, и дешевой является
контактная система торцевого типа. Изготовленная, как правило, из меди и
снабженная контактными накладками из композиции медь-хром для увеличения устойчивости к свариванию и износостойкости, по причинам изложенным ранее она не в состоянии отключать токи с действующим значение более 10 килоампер, однако выпускается многими производителями вакуумных камер для выключателей на токи 8-10 килоампер, поскольку технологична и проста в изготовлении, а следовательно относительно дешева.
Дальнейшие научные исследования и технические разработки позволили создать контактные системы с поперечным (радиальным) магнитным полем (Рис. 7). В этих системах при протекании по ним тока создается электромагнитная сила (Рис. 9), заставляющая контрагированную дугу двигаться по поверхности электрода, что позволяет избежать локальных перегревов.
|
Рис. 7 Контакные системы с радиальным магнитным полем |
Рис. 8
|
Рис. 9
|
|
|
|
|
При этом дуга неравномерная, сильно шумящая, напряжение горения дуги составляет 60-80 вольт, процесс характеризуется значительным выделением энергии. Электроды подобного типа широко используют в своих камерах такие известные фирмы как Siemens, Westinghouse, Alsthom, а также большинство российских производителей.
Применение таких контактных систем позволило увеличить предел отключаемого тока до 30 килоампер при диаметре электрода 100 миллиметров.
Однако, такие контактные системы не лишены недостатков, из которых одним из самых существенных является значительная эрозия электродов, что приводит к быстрому их износу и снижению срока службы выключателя при частых коммутациях.
Дальнейшие исследования поведения вакуумной дуги показали, что наложение продольного (аксиального) магнитного поля на горящую дугу ограничивает движение катодных пятен таким образом, что почти на всех стадиях своего существования дуга не контрагирует, а существует диффузном режиме (Рис.8), то есть энергия носителей заряда равномерно распределяется по всей поверхности анода, что позволяет избежать локальных перегревов. При этом отключающая способность по сравнению с электродами поперечного поля того же диаметра возрастает почти в три раза. Существуют несколько разновидностей конструкций электродов с аксиальным магнитным полем (Рис. 11).
|
Рис. 10 Сравнительные характеристики отключающей способности различных контактных систем
|
Рис. 11 Контактные системы с аксиальным магнитным полем
|
|
|
|
Электроды такого типа широко используются в камерах, когда необходимо получить высокую отключающую способность в минимальных габаритах. Контактные системы данного типа устанавливают в своих камерах такие фирмы как Toshiba, Holec, Таврида-Электрик. При использовании электродов с продольным магнитным полем, напряжение на дуге, а, следовательно, и тепловая нагрузка электродов минимальны, что существенно повышает отключающую способность систем такого типа. Сравнительные характеристики предельной отключающей способности контактных систем разного типа в зависимости от диаметра контакта представлены на Рис. 10.
Хорошо известно, что вакуум является прекрасным диэлектриком, однако, непосредственно после отключения тока условия в зазоре между контактами вакуумного выключателя уже не такие, как до того. Поверхности контактов «замусорены» продуктами горения дуги, могут оставаться отдельные раскаленные пятна, продолжающие источать пары металла, а в худшем случае - эмиттировать электроны. По этой причине на сегодня нет проблем создания одноразрывных коммутационных аппаратов для классов напряжения 10кВ и 35кВ, однако для более высоких напряжений использование вакуумных технологий пока проблематично.
3.КОНСТРУКЦИЯ ВАКУММНЫХ КАМЕР
Конструкция вакуумной камеры довольно-таки проста (Рис. 12).
Рис. 12
Она состоит из пары контактов (4;5), один из которых является подвижным (5), заключенных в ваккумно-плотную оболочку, спаянную из керамических или стеклянных изоляторов (3;7), верхней и нижней металлических крышек (2;8) и металлического экрана (6). Перемещение подвижного контакта относительно неподвижного обеспечивается путем применения сильфона (9). Выводы камеры (1;9) служат для подключения ее к главной токоведущей цепи выключателя. Надо отметить, что для изготовления оболочки вакуумной камеры применяются только специальные вакуумно-плотные, очищенные от растворенных газов металлы - медь и специальные сплавы, а также специальная керамика. Контакты вакуумной камеры изготавливаются из металлокерамической композиции (как правило это медь-хром в соотношении 50%-50% или 70%-30%), обеспечивающей высокую отключающую способность, износостойкость и препятствующей возникновению точек сваривания на поверхности контактов.
Цилиндрические керамические изоляторы, совместно с вакуумным промежутком при разведенных контактах обеспечивают изоляцию между выводами камеры при отключенном положении выключателя.
Как уже упоминалось ранее, в процессе коммутации горение дуги сопровождается выделением металлического пара, который распространяется из межконтактной области в радиальном направлении к оболочке вакуумной камеры. Если позволить парам металла свободно конденсироваться на поверхности керамических изоляторов, это довольно быстро приведет к нарушению поверхностной электропрочности изоляторов и выходу камеры из строя. Таким образом, одним из важных компонентов в конструкции современных вакуумных камер является металлический экран, предназначенный для того, чтобы «перехватывать» и адсорбировать на себе образующийся при коммутациях металлический пар, не допуская возникновения налета металла на изоляционных деталях камеры, увеличивая тем самым ее долговечность (коммутационный ресурс). Опыты показали, что наибольшая эффективность экранирования и максимальная отключающая способность камеры достигаются при нахождении экрана под «плавающим» потенциалом относительно ее выводов.
В мировой практике сегодня используется достаточно большое количество разнообразных конструкций вакуумных дугогасительных камер, однако, всем им присущи в том или ином виде технические решения и элементы конструкции, описанные выше.
Уровень вакуума (остаточное давление газов) в современных промышленных дугогасительных камерах обычно составляет 10-7-10-6 Па. В соответствии с теорией электропрочности газов, необходимые изоляционные качества вакуумного промежутка достигаются и при меньших уровнях вакуума (порядка 10-3 Па), однако для современного уровня вакуумных технологий, создание и поддержание в течение времени жизни вакуумной камеры уровня 10-6 Па не составляет проблемы, что обеспечивает вакуумным камерам запасы электропрочности на весь срок эксплуатации. Кроме того, учеными отмечено, что в процессе коммутаций уровень вакуума даже несколько повышается за счет поглощения остаточных газов конденсирующимися парами металла.
Видимая на первый взгляд простота конструкции вакуумной камеры весьма обманчива, на самом деле за ней кроется масса научных, технических и технологических ноу-хау, затрагивающих конструкцию камеры, подготовку компонентов, технологию изготовления и ее последующее использование. Возможно, наиболее важной деталью камеры являются контакты. Контакты очень важны в любом механическом коммутационном устройстве (выключателе), поскольку они выполняют двоякую задачу - несут ток (зачастую довольно большой) при пребывании выключателя во включенном состоянии и выдерживают приложенное напряжение при его отключенном состоянии. Однако, в вакуумном выключателе они также обеспечивают среду горения дуги при переходе выключателя из включенного состояния в отключенное. Таким образом, можно сформулировать необходимые качества, которые должны быть присущи контактному материалу для вакуумных камер:
Безусловно, некоторые из этих характеристик находятся в противоречии друг другу.
Устойчивость контактов вакуумной дугогасительной камеры к свариванию является одним из важнейших ее качеств. Известно, что металлические детали, прижатые друг к другу в атмосфере вакуума подвержены холодной сварке, поскольку на их поверхностях не могут образоваться окислы, препятствующие этому процессу. Данный фактор делает принципиально неприменимыми в конструкции камеры контактов розеточного, ножевого и скользящего типов. К тому же, контакты подвергаются воздействию сквозных токов короткого замыкания, расплавляющих металл в отдельных точках поверхности из-за высокой плотности тока в них, вследствие чего в этих точках образуются участки сварки. Эта проблема была одной из причин, задержавших развитие вакуумной коммутационной техники более чем на двадцать лет. В настоящее время проблема сваривания контактов преодолена путем одновременного внедрения нескольких технических решений в конструкциях вакуумной камеры и вакуумного выключателя. Прежде всего, были разработаны специальные металлокерамические контактные накладки, обладающие, с одной стороны весьма высокой устойчивостью к образованию сварок, а, с другой стороны, зернистой структурой, благодаря которой уже образовавшиеся сварки могли быть легко разорваны приводом выключателя. Примером такого материала может служить широко используемая сейчас во всем мире композиция медь-хром 70%/30%. Кроме того, были созданы приводы, обеспечивающие довольно значительное (2000-3000 Н) усилие дополнительного поджатия контактов для предотвращения электродинамического отброса контактов и снижения их переходного сопротивления. И, наконец, приводы были сконструированы так, что создаваемые усилия на разрыв при отключении
выключателя были достаточны для преодоления возможных сварок контактов и их размыкания. Найденные решения позволили использовать вакуум в качестве среды дугогашения в промышленных выключателях.
4.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Идея использования вакуума в высоковольтных коммутационных аппаратах была высказана американским физиком Милликеном на основе замечательных диэлектрических свойств вакуума, обнаруженных им при разработке рентгеновских трубок. Эта идея не была забыта, и в 1920-х годах в Калифорнийском Технологическом Институте профессор Соренсен со своими студентами начинает первые систематические исследования вакуума как дугогасящей среды для использования в коммутационных технологиях. На Рис. 13 представлена одна из ранних конструкций разработанного ими устройства.
Рис. 13
В качестве коммутационного узла был применен мостиковый контакт, создающий два последовательных разрыва электрической цепи. Контакт приводился в движения электромагнитом, якорь которого располагался внутри вакуумно-плотной оболочки, а соленоид - снаружи, что исключало необходимость применения вакуумно-плотного ввода привода внутрь оболочки. Электрические вводы представляли собой дисковые стеклянно-металлические спаи, изготовленные по наиболее совершенной технологии того времени.
Для поддержания постоянного уровня вакуума 10-6 Па оболочка постоянно вакууммировалась специальным насосом. Этот выключатель был испытан в циклах включение-отключение на ток 120 А при напряжении 15 кВ и успешно выполнил 500 операций, после чего был отсоединен от системы вакууммирования на три месяца. После выдержки выключатель был успешно испытан на отключение тока 600А при напряжении 12,4 кВ. Последующие модели выключателей имели достигли уровня отключаемых токов 926 А при напряжении 41,6 кВ.
В 1927 году компания Дженерал Электрик, весьма впечатленная успехами, которых достигли профессор Соренсен и его ассистенты, приобретает патентные права на использование разработанных устройств и начинает собственную программу развития вакуумной коммутационной техники. В ходе этой программы было разработано, изготовлено и довольно успешно испытано большое количество различных образцов выключателей.
Так, например, один из выключателей отключил ток 3,3 кА при напряжении 48 кВ, другой - 5,3 кА при 14,5 кВ и, наконец, третий - 8,6 кА при 13,2кВ. Однако, почти все отвакууммированные в процессе изготовления камеры довольно быстро выходили из строя из-за выделения в процессе горения дуги газов, растворенных в материале контактов при их изготовлении. Таким образом, даже после нескольких коммутаций остаточное давление внутри вакуумной камеры достигало величины, при которой дальнейшие коммутации были невозможны. Кроме того, разработчики понимали, что для промышленного применения пригодны только вакуумные камеры, способные сохранять достаточную степень вакуума на протяжении длительного срока, как минимум несколько десятков лет, независимо от того, находятся они в работе или нет. Уровень технологий тех лет не позволял создать простой и надежный прибор для определения наличия в камерах микротечей, способных привести к выходу камеры из строя в течение нескольких лет при хранении. Помимо вышеперечисленных были и другие проблемы: склонность медных контактов к образованию холодных сварок в вакууме; генерирование перенапряжений из-за преждевременного погасания дуги на тугоплавких контактах и т.п.
Вышеперечисленные трудности, общие экономические условия в начале 1930-х годов, а также стремительное развитие технологии коммутаций в масле привели к сворачиванию фирмой Дженерал Электрик программы развития вакуумной коммутационной техники.
Прошло почти двадцать лет, прежде чем вакуумная коммутационная технология вновь получила толчок в развитии. К тому времени вакуумные реле уже достаточно широко использовались в системах связи, правда, для коммутации очень малых токов при высоких частотах, но и при высоких напряжениях. Подобные устройства были успешно испытаны и для применений в электроэнергетике, как, например, для коммутации конденсаторных батарей. Более того, последовательно соединенные устройства успешно применялись при напряжениях до 230 кВ. По большей части, выключатели были рассчитаны на коммутируемый ток порядка 200 А, практически одинаковый для всех известных применений того времени.
В качестве контактного материала в тех выключателях использовался вольфрам, выбранный благодаря относительной легкости дегазации (удаление растворенных газов) путем нагрева в вакууме до раскаленного состояния. Однако, эта процедура была все-таки недостаточно эффективна и при больших значениях отключаемого тока и длительностях горения дуги остаточные газы, выделяясь из металла, неизбежно приводили к потере работоспособности выключателем. Термоинная эмиссия из остающихся раскаленных пятен вызывала повторные зажигания дуги. Поэтому величина отключаемого тока была ограничена на уровне 2000 А.
Примерно в это же время (начало 1950-х), в компании Дженерал Электрик было принято решение вернуться к идее коммутации тока в вакууме с целью применения этих разработок для коммутации аварийных токов в десятки тысяч ампер в электроэнергетических системах. Как один из результатов развития полупроводниковой технологии, к тому времени были разработаны промышленные способы очистки от газов контактных материалов средней тугоплавкости, таких, например, как медь. К тому же, были изобретены исключительно чувствительные масс-спектрометры, позволяющие определять даже чрезвычайно малые течи. На основе больших фундаментальных и прикладных исследований в результате тщательных и всесторонних конструкторских проработок был разработан, изготовлен и успешно испытан целый ряд серийных вакуумных дугогасительных камер, каждая из которых учитывала все достоинства и недостатки своих предшественников. Кроме того, внедрение всех технологических достижений того времени позволило создать опытную дугогасительную камеру, успешно выполнившую около 90 отключений токов в диапазоне 10-40 кА при напряжении 15,5 кВ. Может показаться, что развитие вакуумной коммутационной техники происходило медленно, однако не следует забывать,что для этого потребовалось еще и развитие сопутствующих технологий - вакуумной откачки при высоких температурах, пайки компонентов и камер, оборудования для дегазации контактных материалов и т.п.
Первым коммерческим продуктом, выпущенным в рамках этой программы был вакуумный реклоузер класса напряжения 15 кВ с номинальным током 600 А и током отключения 12 кА, завоевавший довольно большую популярность.
В конце 1950-х годов вакуумная программа была также начата в Великобритании в Ассоциации Электрических Исследований доктором М.П.Рисом. Эта программа была чисто теоретической и имела целью всестороннее изучение и создание научного представления о том, что собой представляет отключение тока в вакууме, а не создание, разработку и испытания вакуумной коммутационной техники. Однако была проделана большая исследовательская работа, результаты которой были впоследствии использованы в разработке и производстве серийных устройств.
Рыночный успех первых продуктов вакуумной коммутационной техники подстегнул американских производителей коммутационных аппаратов и производителей из других стран мира к развитию своих собственных вакуумных программ. Особенно агрессивны в использовании возможностей новой технологии были японцы.
В вакуумной технологии имеется множество привлекательных достоинств, так, например, вакуумная камера является «запечатанной однажды и на всю жизнь», которая у нее составляет несколько десятков лет, то есть, в отличие от других типов коммутационных устройств, контакты вакуумной камеры не нуждаются в проверке и обслуживании (чистке, смазке, замене коммутационной среды и т.п.) на протяжении всего срока эксплуатации. Контакты имеют относительно небольшой вес, ход контактов в процессе отключения весьма мал, что позволяет применить легкий, компактный привод, потребляющий мало энергии. Вакуумные выключатели работают очень тихо, без опасных выбросов дуги и раскаленных газов, дугогасительная камера герметична, пожаробезопасна, токсичные компоненты и продукты горения дуги отсутствуют.
5.ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Замечательные характеристики вакуума привели к необычайной гибкости конструкций вакуумной коммутационной техники. Традиционная конструкция вакуумного выключателя представлена на Рис. 14.
Рис. 14
Компактность изделий позволила размещать по два выключателя в тех же габаритах ячеек КРУ, в каких раньше размещался один выключатель, что особенно важно в коммерческих зданиях, где стоимость площади очень высока.
Уже подчеркивалось, что применение вакуумной техники особенно оправдано для условий работы с частыми коммутациями рабочих токов, например для коммутации конденсаторных батарей и реакторов, компенсирующих коэффициент мощности сетей при изменении нагрузки, для коммутации промышленных дуговых печей, где присутствуют не только частые коммутации, но и довольно большой коммутируемый ток, для пусков и переключений электродвигателей мощностью от десятков до тысяч киловатт.
Многие повреждения, особенно в сельских воздушных распределительных сетях, являются по своей природе временными. Например, межфазное дуговое замыкание, вызванное ударом молнии, схлестыванием проводов из-за сильного ветра или падением на провода веток деревьев. В таких обстоятельствах наиболее правильным решением видится быстрое отключение аварийного участка для прекращения дугового разряда с последующим восстановлением питания аварийного участка, на котором причина возникновения замыкания к этому моменту, как правило, исчезает. Вся операция занимает доли секунды и выполняется настолько быстро, что потребители зачастую не успевают почувствовать перерыва в питании. Аппараты, предназначенные для таких целей называются реклоузерами. Большинство современных промышленных реклоузеров являются вакуумными, поскольку они лучше всего соответствуют предъявляемым требованиям к массогабаритным показателям, быстродействию и минимизации энергопотребления при выполнении операций.
В разделе 2 уже отмечалось, что для вакуумных камер имеется естественный предел выдерживаемого напряжения. По этой причине вакуумная коммутационная техника имеет технологическую нишу применяемости в классах напряжения от 400 В до 38 кВ включительно, и другие технологии в этих классах в значительной мере вытеснены. Для применений в более высоких классах напряжений, например в выключателях нагрузки на напряжение до 230 кВ вакуумные камеры приходится соединять последовательно. Однако, если говорить о вакуумных выключателях, способных коммутировать аварийные токи при высоких напряжениях, то сегодня на рынке выключателей вряд ли удастся найти хоть одно такое предложение.
В соревновании с элегазовымивыключателями в этих классах напряжений
вакуумные выключатели неконкурентоспособны, поскольку нецелесообразно изготавливать многоразрывный выключатель для применения там, где можно применить выключатель с одним разрывом.
6. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ПРИМЕНЕНИИ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
В настоящее время вакуумные выключатели стали доминирующими аппаратами для электрических сетей с напряжением 6-36 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70%, в Японии - 100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту, и в 1997 году превысила 50%-ю отметку.
Основными преимуществами ВВ (по сравнению с масляными и газовыми выключателями), определяющими рост их доли на рынке, являются:
Сегодня вакуумную коммутационную технику можно считать достаточно взрослой», которая может применяться для уровня токов короткого замыкания вплоть до 100 кА, так что в последние годы усилия разработчиков направлены не на повышение основных параметров ВВ, а на создание более экономичных конструкций и повышение их надежности.
По первому направлению работа идет, в основном, по пути совершенствования конструкции и технологии производства вакуумных дугогасительных камер, составляющих 30-40% стоимости вакуумного выключателя. В области приводов традиционного типа (преимущественно пружинно-моторных) возможности разработки с точки зрения снижения производственных затрат практически исчерпаны. Из разработок 90-х годов следует отметить создание выключателей серии 3АН фирмы SIEMENS, где удешевление конструкции достигнуто за счет более «тонкой» оптимизации конструкции и снижения требований к механическому ресурсу. Второе направление - повышение надежности ВВ, в основном связано с повышением надежности их приводов, так как надежность вакуумных дугогасительных камер при современной технологии производства практически безупречна (декларируемая наработка на отказ ВДК лучших производителей составляет 2000 лет).
В 90-х годах ряд фирм представили конструкции приводов, не требующих обслуживания в течение всего срока эксплуатации. Вместе с тем, очевидно, что при сохранении традиционных подходов к проектированию ВВ, существенного прогресса в области снижения производственных затрат (которые, разумеется, влияют и на цену ВВ на рынке) и повышения надежности приводов ожидать не приходится. Очевидно, для прогресса конструкций вакуумных выключателей необходимо искать новые технологические и конструктивные возможности. Одна из таких возможностей - вакуумный выключатель с магнитной защелкой, запатентованный фирмой ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК в 1994 году (патент РФ № 2020631).
7. КОНСТРУКЦИЯ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ С МАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ ФИРМЫ ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК
Вакуумный выключатель фирмы ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК, в котором изготовитель использует ВДК собственного производства, конструктивно отличается от большинства вакуумных выключателей, выпускаемых в настоящее время. Внешний вид выключателя представлен на Рис. 15.
Рис. 15
В основу его конструкции заложен принцип соосности электромагнита привода и вакуумной дугогасительной камеры в каждом полюсе выключателя. Такая компоновка выключателя позволяет существенно упростить кинематическую схему, отказаться от нагруженных узлов трения, что, в свою
очередь, позволяет изготовить выключатель с механическим ресурсом 50 тысяч операций В-О, не требующий обслуживания в течение всего срока службы.
Устройство выключателя и его принцип действия показаны на Рис. 16. Каждый полюс состоит из опорного изолятора из органического изоляционного материала, деталей главных цепей (ВДК и токосъемы), размещающихся внутри опорного изолятора, и электромагнита, который размещается в общем основании выключателя и соединен с подвижным контактом ВДК тяговым изолятором. Схема устройства полюса выключателя представлена на Рис. 16. На схеме условно показан только один полюс выключателя. Два других полюсасоединены с ним посредством общего вала.
Работа привода
Включение выключателя.
Рассмотрим принцип работы привода на примере одного полюса выключателя. В исходном состоянии контакты вакуумной дугогасительной камеры разомкнуты за счет воздействия на них отключающей пружины 7 через тяговый изолятор 5. При прикладывании напряжение положительной полярности к катушке 9 электромагнита, в зазоре магнитной системы (см. Рис. 16) нарастает магнитный поток.
Рис. 16
В момент, когда сила тяги якоря, создаваемая магнитным потоком, превосходит усилие пружины отключения 7 (линия 1 Рис. 17), якорь 11 электромагнита вместе с тяговым изолятором 5 и подвижным контактом 3 вакуумной камеры начинает движение вверх, сжимая пружину отключения. При этом в катушке возникает двигательная противо-ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока, и даже несколько уменьшает его. В процессе движения (промежуток между линиями 1 и 2 Рис. 17) якорь набирает скорость около 1м/с, что позволяет избежать предпробоев при включении и исключить дребезг контактов ВДК.
Рис. 17
При замыкании контактов вакуумной камеры (линия 2 Рис. 17), в магнитной системе остается зазор дополнительного поджатия равный 2 мм. Скорость движения якоря резко падает, так как ему приходится преодолевать еще и усилие пружины дополнительного контактного поджатия 6. Однако под воздействием усилия, создаваемого магнитным потоком и инерцией, якорь 11 продолжает двигаться вверх, сжимая пружину отключения 7 и пружину 6 дополнительного контактного поджатия. В момент замыкания магнитной системы (линия 2а Рис. 17) якорь соприкасается с верхней крышкой привода 8 и останавливается. Двигательная ЭДС становится равной нулю, в катушке 9 снова начинается рост тока. В промежуток времени между линиями 2а и 3 заканчивается механический переходный процесс в электромагните и контактной системе полюса, а также формируется необходимая остаточная индукция кольцевого постоянного магнита 10 (запасается магнитная энергия, необходимая для удержания выключателя во включенном состоянии). После окончания процесса включения (линия 3 Рис.17) ток катушки привода отключается. Выключатель остается во включенном положении за счет остаточной индукции, создаваемой кольцевым постоянным магнитом 10, который удерживает якорь 11 в притянутом к верхней крышке 8 положении без дополнительной токовой подпитки. В таком положении якорь остается неограниченно долго, пока постоянный магнит не будет размагничен импульсом тока отрицательной полярности, либо магнитная система не будет разорвана механически (ручное отключение).
Данный принцип удержания коммутационного аппарата во включенном положении, известный в электротехнике под названием «магнитная защелка», широко применяется в слаботочных аппаратах (поляризованные реле). Современные достижения в области магнитотвердых материалов больших энергий позволили реализовать на этом же принципе силовой коммутационный аппарат. Запас по усилию удержания (сила, необходимая для отрыва якоря 11 от верхней крышки 8), составляет 450-500 Н для одного полюса выключателя, то есть 1350-1500 Н для выключателя в целом, что вполне достаточно для надежного удержания выключателя во включенном положении даже в условиях воздействия на выключатель вибраций и ударных нагрузок.
Отключение выключателя.
Для отключения выключателя необходимо приложить к выводам катушки напряжение отрицательной полярности (линия 4 Рис. 17). Ток, протекающий по обмотке, размагничивает магнит 10. Якорь 11 электромагнита под давлением пружины отключения 7 и пружины дополнительного контактного поджатия 6 разгоняется и наносит удар по тяговому изолятору 5, соединенному с подвижным контактом 3 вакуумной камеры (линия 5 Рис. 17). Ударное усилие, создаваемое якорем электромагнита превышает 200 кгс, что способствует разрыву точек сварки, которые могут возникать между контактами при пропускании токов короткого замыкания. Кроме того, подвижный контакт 3 вакуумной камеры практически мгновенно приобретает высокую стартовую скорость, что положительно сказывается на отключении токов К3.
После упомянутого удара якорь 11 электромагнита движется вниз вместе с подвижным контактом 3 вакуумной камеры и тяговым изолятором 5 под действием пружины отключения, пока все детали не займут положение, обозначенное на рис. 2 (линия 6 Рис. 17).
Привод с магнитной защелкой требует незначительной энергии для «сброса» защелки. При отключении от источника постоянного напряжения время приложения напряжения обычно ограничивается величиной 10мс. При этом ток в цепи отключения не превышает 1,5 А при напряжении 220 В.
Якоря электромагнитов всех трех полюсов выключателя соединены между собой общим валом 14. При движении якорей винт 13, входящий в прорезь вала 14, поворачивает вал, а вместе с ним и закрепленный магнит 15, который управляет герметизированными контактами для внешних вспомогательных цепей 16.
Изготовитель: РК «ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК», Москва
