коммутация токов в вакууме - tavrida electric export as

КОММУТАЦИЯ ТОКОВ В ВАКУУМЕ
А.П. Пищур, к.т.н., AS Tavrida Electric Export
До сегодняшнего дня в научных кругах не существует общего мнения о теории электрического разряда в вакууме,
однако плоды исследовательских работ уже успешно работают на практике.
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 начинаются первые систематические исследования вакуума как
дугогасящей среды для использования в коммутационных технологиях.
В статье вашему внимаю, представлен материал многолетних разработок и исследований специалистами компании TAVRIDA ELECTRIC, одного из мировых лидеров по производству вакуумных выключателей.
Предыстория
В 1927 году профессор Соренсен и его ассистенты в Калифорнийском Технологическом Институте достигают весьма значительных успехов в программе исследований коммутаций тока в вакууме. Однако разработанная теоретическая база намного опередила уровень технологий тех лет, которые не могли предложить простой и надежный прибор для определения наличия микротечей и контроля
уровня вакуума в камерах. Оставались нерешенными проблемы склонности медных контактов к образованию холодных сварок в вакууме; генерирование перенапряжений из-за преждевременного погасания дуги на тугоплавких контактах. Вышеперечисленные технические проблемы привели к замедлению программ развития вакуумной коммутационной техники.
Прошло почти двадцать лет, прежде чем вакуумная технология вновь получила толчок в
своем развитии. В середине 50-х происходит технический прорыв в развитии полупроводниковой
технологии, что позволило разработать промышленные способы очистки от газов медных
контактных материалов. Изобретение чувствительных масс-спектрометров, позволили
определять даже чрезвычайно малые течи в вакуумных камерах. На основе фундаментальных и
прикладных исследований конструкторские бюро изготовляют и успешно испытывают целый
ряд вакуумных дугогасительных камер.
Результатом внедрения всех технологических достижений того времени стало создание
опытной вакуумной дугогасительной камеры (ВДК), успешно выполнившую около 90
отключений токов в диапазоне 10-40 кА при напряжении 15,5 кВ, что было недоступно для
Одна из первых вакуумных камер,
масляных выключателей.
контакты из вольфрама 1.25 см
В России исследованиями коммутаций тока в вакууме начали интересоваться с 1960:
диаметром, межконтактный промежуименно в это время фирма GE выпустила первую коммерческую серию вакуумных
ток 0.63 мм., на номин. ток 2000А
выключателей. Надо отметить, что в 60-х только две страны Россия и США обладали
необходимыми технологиями для производства ВДК. Такими технологиями является производство безкислородной меди, создание металлокерамических сплавов и производство металлического сплава с коэффициентом теплового расширения аналогичного стеклу и керамики.
Спустя 10 лет в России стали серийно выпускать вакуумные выключатели. Одним из пионеров в этой области была лаборатория
приборостроительного института Севастополя, из которой в последствии была создана компания TAVRIDA ELECTRIC (www.tavrida.ee).
Теория коммутации токов в вакууме
Если размыкаются контакты, несущие ток, между ними возникает электрическая дуга, которая поддерживает высокую проводимость межконтактного промежутка и позволяет току протекать между контактами, как
будто они остались замкнутыми. Это вызывает подогрева среды межконтактного
промежутка до довольно высокой температуры для диссоциации (разложения) ее молекул и
ионизации промежутка.
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
Фотография электрической дуги в межконизменения величины протекающего
тактном промежутке при токе 15-20 кА
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
Фото ионизированной среды металлического пара,
промежуток, то можно погасить дугу, нарушить проводимость промежутка и
Материалы фотолаборатории TAVRIDA ELECTRIC восстановить его электропрочность, тем самым, осуществив отключение.
Охлаждение должно быть очень быстрым, чтобы скорость подавления остаточной дуги и восстановления электропрочности промежутка превышала скорость роста переходного восстанавливающегося напряжения
(ПВН). 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,
Фотография образования катодных пятен
называемые катодными пятнами.
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. Специалистами TAVRIDA ELECTRIC были проведены экспериментальные опыты и с
помощью специального оборудования получены фотографии образования катодных пятен, представленные вашему вниманию. 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, 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
10микросекунд. После исчезновения тока на разведенных электродах начинает восстанавливаться напряжение сети, этот
Модель межэлектродной ионизированной плазмы,
процесс занимает примерно 50-60
разработанная на базе Научно Исследовательской
микросекунд, то есть, к моменту
Лаборатории TAVRIDA ELECTRIC
восстановления
напряжения
носители заряда в межэлектродном
промежутке отсутствуют, и он полностью восстанавливает свои диэлектрические
свойства.
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
Фотография дуги в виде жгута
потребностей внешней цепи. Межэлектродная плазма обеспечивает проводящую
среду, необходимую для переноса тока от катода к аноду. При дальнейшем
увеличении тока в дуге, 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 яркосветящегося жгута. Дуга вызывает большую эрозию обоих электродов, которая в количественном отношении зависит от амплитуды тока и длительности его протекания.
Контактная система вакуумных выключателей
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.
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 кА, однако выпускается многими
производителями вакуумных камер для выключателей на токи 8-10 кА,
поскольку технологична и проста в изготовлении, а, следовательно,
Контактные системы с радиальным магнитным полем
относительно дешева.
Дальнейшие научные исследования и технические разработки позволили создать контактные системы с поперечным (радиальным) магнитным полем. В этих системах при протекании по ним тока создается электромагнитная сила, заставляющая дугу двигаться по
поверхности электрода, что позволяет избежать локальных перегревов. 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 фирмы как Siemens. Применение таких
контактных систем позволило увеличить предел отключаемого тока до30 кА
при диаметре электрода 100 мм. 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, т.к.
«работает» узкая полоска составляющая 30% от площади контакта.
Для того чтобы исключить износ контактов и обеспечить 100%
рабочую площадь применяют наложение продольного (аксиального)
магнитного поля на горящую дугу ограничивает движение катодных пятен
Контактные системы с аксиальным магнитным полем
таким образом, что почти на всех стадиях своего существования дуга не
концентрируется на одной точке контакта, а 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. Электроды такого типа широко используются в камерах, когда необходимо получить высокую отключающую способность в минимальных габаритах. Контактные системы данного типа устанавливает в своих камерах компания TAVRIDA
ELECTRIC. 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.
Конструкция вакуумной камеры TAVRIDA ELECTRIC
Конструкция вакуумной камеры довольно таки проста. 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%),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. Для предотвращения конденсации паров
металла на поверхности керамических изоляторов, что приведет к
нарушению электропрочности изоляторов, применяется металлический
экран, «перехватывающий» и адсорбирующий на себе образующийся при
коммутациях металлический пар, увеличивая долговечность камеры
Конструкция вакуумной камеры TAVRIDA ELECTRIC
(коммутационный
ресурс).
Уровень
вакуума
в
современных
дугогасительных камерах равен 10-7-10-6 Па, что обеспечивает вакуумным
камерам запасы электропрочности на весь срок эксплуатации, т.к. необходимые изоляционные качества вакуумного промежутка достигаются уже при 10-3 Па. Практика показывает, что в процессе коммутаций уровень вакуума несколько повышается за счет поглощения
остаточных газов конденсирующимися парами металла.
Простота конструкции вакуумной камеры весьма обманчива, на самом деле здесь кроется серьезная научная, техническая и технологическая работка 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 при пребывании выключателя
во включенном состоянии и выдерживают приложенное напряжение при его отключенном
состоянии. В вакуумном выключателе они также обеспечивают среду горения дуги.
Устойчивость контактов ВДК 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. Это делает неприменимыми в ВДК контактов розеточного,
ножевого и скользящего типов. Также контакты
подвергаются воздействию 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
Модель контактной системы ВДК TEL
лет. Сегодня проблема сваривания контактов
преодолена с помощью разработки специальных металлокерамических контактных
накладок, обладающих, 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
Модель участков сварки в камере и
может служить широко используемая сейчас во всем мире композиция медь-хром 50%-50%.
зернистой структуры контактов
Кроме того, были созданы приводы на основе магнитной системы, 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.
Заключение
На сегодняшний день теорией и прикладными исследованиями разряда в вакууме занимаются различные научные организации и
институты. Одни из самых известных научных сообществ: постоянный научный комитет ISDEIV (the International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum), Клуб Нуля Тока (the Current Zero Club), научные общества the IEEE Nuclear and Plasma Sciences Sosciety, the Committee of the International Conference on Gas Discharges and their Applications.
В этом году с 26 сентября по 1 октября 2004 года в городе Ялта проводился ХХI-ый интернациональный симпозиум по вопросам изоляции и электрического разряда в вакууме ISDEIV XXI. Организаторами мероприятия в разные годы становились ведущие институты мира
(США, Германии, Франции, Канады, Польши, Великобритании, Китая и др.). Впервые гостей
принимала компания-разработчик электротехнической продукции - TAVRIDA ELECTRIC.
Обширные научные программы, реализующиеся на базе Научно Исследовательской
Лаборатории, конструкторских бюро и опытного производства; серьезные инвестиции в научные
исследования и эффективное их внедрение; проведение научных конференций и симпозиумов с
ХХI-ый симпозиум ISDEIV
привлечением ученых с мировой известностью, позволили компании TAVRIDA ELECTRIC за 20
лет работы выйти в первую тройку лидеров на рынке коммутационных аппаратов.
Наша следующая статья будет посвящена более подробному практическому применению вакуумных выключателей ISM/TEL в
области нового КРУ строительства и для модернизации (программа ретрофита) существующего оборудования.
Здесь будут освещены наиболее часто задаваемые вопросы о вакуумной коммутационной технике. Есть ли возможность проверить наличие вакуума в камере ВДК, существует ли рентгеновское излучение при работе выключателя, имеется ли какая-то опасность взрыва выключателя или выбросов горения дуги при авариях на подстанции, может ли вакуумный выключатель быть источником опасных коммутационных перенапряжений, когда вакуумная коммутационная техника будет представлена среди коммутационного оборудования сверхвысоких напряжений и какую роль она играет сегодня на мировом энергетическом рынке?
2005г
AS TAVRIDA ELECTRIC EXPORT