CC BY
10УДК 3937
Устинова А.В.
студент,
Российский университет транспорта (Россия, г. Москва)
ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИОННОГО РЕСУРСА ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР
Аннотация: в статье рассматривается и анализируется коммутационного ресурса ваккумных дугогасительных камер.
Ключевые слова: вакуумный, ВДК, контактов, износ, ток, дугогасительных, камер, номинальных.
Большой коммутационный ресурс является одним из основных преимуществ вакуумных выключателей. Эта характеристика обусловлена тем, что в вакууме при коммутации тока не образуются окислы и другие химические соединения материала контактов, а энергия, выделяемая в вакуумной дугой (ВД), определяемая при заданном токе падением напряжения в ВД, мала. Это падение напряжения при номинальных токах не превышает нескольких десятков вольт, а при токах короткого замыкания даже в контактных системах вакуумных дугогасительных камер (ВДК) с вращающейся дугой - нескольких сотен вольт.
Критерием коммутационного ресурса является наибольший допустимый износ контактов, при котором может поддерживаться ВДК. Износ контактов зависит от свойств ВД, на которые в свою очередь влияют значение коммутируемого тока и следующие конструктивные факторы:
1. материал контактов;
2. конфигурация и размеры контактных систем;
3. расстояние между контактами;
4. скорость хода подвижного контакта при включениях и отключениях
тока.
В истинной работе обобщены данные по износу контактов, приобретенные в итоге тестирований на коммутационный ресурс 8 типов ВДК, созданных под управлением создателя. Номинальное усилие ВДК составляло 10 кВ, номинальные токи 400-3150 А, номинальные токи отключения 4-40 к А [1]. ВДК с номинальными токами отключения 10 кА и больше имели контактные системы, снабженные в собственных контактирующих и дугогасящих частях изогнутыми в тангенциальном направленности прорезями, спасибо коим при протекании отключаемого тока сквозь контактную систему и ВД создавалось круговое магнитное фон, при содействии с коим ВД крутилась. ВДК с номинальным током отключения 4 кА имела контакты в облике сплошных цилиндров поперечником 28 мм. В 3-х типах ВДК в качестве контактного материала применялся сплав медь-висмут-бор, в других - композиция хром-медь с содержанием хрома 50% по массе. ВДК имели всевозможные поперечники контактирующих (40-65 мм) и дугогасящих (60-110 мм) частей.
Проверки на коммутационный ресурс при номинальных токах выполнялись при возвращающемся напряжении 220 Вдейст. в однополюсном режиме. Допустимость проверки при обозначенном напряжении обоснована тем, собственно, что оно на порядок повыше падения напряжения в ВД при данных токах. Есть различия во времени горения дуги, а значит, и износе контактов при тестированиях на коммутационную износостойкость при высочайшем и невысоком возвращающихся напряжениях, а еще в трехполюсном и однополюсном режимах. Методом тестирований и расчетов было установлено, собственно, что при тестированиях в однополюсном режиме при пониженном напряжении количество циклов ВО надлежит быть увеличено в 1,4 раза, дабы гарантировать эквивалентность с трехполюсным режимом при самом большом рабочем напряжении. В соответствии с этим увеличивалось количество циклов
ВО по отношению к номинальному значению, которое составляло (10-50) тыс. циклов ВО для различных типов ВДК. Проверки велись при токах 630 -2000 А.
При токах 10-40 кА испытания проводились в трехполюсном режиме при наибольшем рабочем напряжении, за исключением отдельных случаев, когда при токе 40 кА часть циклов ВО или О выполнялась при пониженном напряжении 3-5 кВ. При токе 4 кА испытания проводились в однополюсном режиме при наибольшем рабочем напряжении.
Во всех опытах средняя скорость хода подвижного контакта ВДК при подключениях и отключениях составляла 0,6-0,9 м/с и 1,4-2,0 м/с, в соответствии с этим. Ход подвижного контакта составлял 4-14 мм в зависимости от на подобии ВДК. При тестированиях в режиме номинальных токов ВДК устанавливались на особом моторно-пружинном приводе, с поддержкой которого выполнялось 720 циклов ВО в час. Время протекания тока сквозь ВДК составляло 20-40 мс. Проверки ВДК в режиме номинальных токов отключения велись в составе надлежащих вакуумных выключателей. Во всех опытах фаза размыкания контактов была случайной. Износ контактов измерялся в миллиметрах.
В процессе испытаний было установлено, что при включениях в случае вибрации или отброса контактов при пиках сквозного тока, когда ВД горит при малых расстояниях между контактами, износ возрастает в несколько раз. Поэтому при испытаниях были приняты меры, чтобы время горения ВД при вибрациях и отбросах не превышало 2 мс, допустимых по техническим условиям, а число опытов с указанными явлениями не превышало 10% при номинальных токах отключения и 30% при номинальных токах.
С помощью ВДК с контактами из сплава медь-висмут-бор и номинальным током отключения 20 кА было выполнено несколько десятков отключений тока 20 кА при размыкании контактов в начале полупериода тока и в области максимума тока. Во всех опытах погасание ВД происходило при первом прохождении тока через нуль. Оказалось, что во втором случае износ контактов был в несколько раз большим, чем в первом, несмотря на меньшее
время горения ВД. В [2-4] показано, что при малых расстояниях между контактами, что имеет место, в частности, непосредственно после размыкания контактов, возникает контрагированная форма ВД, причем расстояние, на котором она способна существовать, увеличивается с ростом тока. Во время существования контрагированной формы ВД износ контактов значительно больше, чем в ВД с рассеянными катодными пятнами. По-видимому, именно существованием контрагированной формы дуги можно объяснить повышенный износ контактов при вибрациях, отбросах и размыканиях в области максимума тока.
Сопоставление износа контактов при номинальных токах отключения при операциях О и ВО показало их незначительное отличие. Это можно объяснить малыми токами в момент включения и малым временем ВД при включении из-за высокой электрической прочности вакуумных промежутков.
Была построена зависимость среднего арифметического значения для данного тока удельного износа контактов а [г/кА в х цикл ВО] от коммутируемого тока. Оказалось, что для всех типов камер с одинаковым контактным материалом удельные значения износа контактов независимо от их диаметра ложатся на одну кривую. Причем у контактов из сплава медь -висмут-бор износ во всем диапазоне токов примерно в два раза больше, чем у контактов из композиции хром-медь. При токах до 5 кА указанные зависимости носят степенной характер и хорошо аппроксимируются следующими формулами: для сплава медь-висмут-бор а = 3,5. Ю-4/2,3; (1) для композиции хром-медь а = 1,7. Ю-4/2,3; (2)
В формулах (1), (2) а выражено в граммах на килоампер действ., умноженных на цикл ВО, I - в килоампер действ. Расчет показывает, что для выражения а в грамм на кулон необходимо коэффициент I умножить на 0,157. При токах более 5 кА рост удельного износа контактов по мере увеличения тока
замедляется. Это иллюстрируется кривыми, приведенными на рисунке. При увеличении тока с 10 до 40 кА а возрастает в 1,8 раза, в то время как при увеличении тока с 5,0 до 10 кА а возрастает в 4 раза.
Обнаруженные закономерности позволяют предположить следующее:
1. При отключении токов до 5 кА износ контактов определяется начальной стадией ВД, которая носит контрагированный характер.
2. При токах более 5 кА (амплитудное значение 7 кА) начинают сказываться силы взаимодействия магнитного поля в межконтактном промежутке с током ВД. Эти силы заставляют дугу двигаться по поверхности контактов и уменьшают их износ. Влияние этих сил с ростом тока увеличивается, что и приводит к замедлению роста удельного износа контактов.
Результаты исследования, представленного в данной работе, указывают на то, что износ контактов ВДК можно снизить не только благодаря использованию материалов повышенной долговечности, но и с помощью ряда дополнительных мер: устранение пульсаций и отскоков контактов, увеличение скорости движения подвижного контакта при его отключении, а также создание контактной поверхности с вращающейся кривой конфигурации, обладающей необходимыми электродинамическими свойствами.
КГ' в
в «
Г ♦ í ВЮ 2 V В ею'
Следование этим рекомендациям позволит добиться более длительного срока эксплуатации контактных систем ВДК.
Зависимость удельного износа контактов от тока: X - композиция хром-медь; О - сплав медь-висмут-бор
После тщательного анализа данных из экспериментов, было обнаружено, что контактные системы с продольным магнитным полем демонстрируют низкий износ контактов при недлинных токах замыкания. Это происходит благодаря меньшему падению напряжения в дуге, чем в контактных системах с круговым магнитным полем. К сожалению, такие системы имеют большое омическое противодействие и часто не могут быть использованы из-за проблем с теплоотводом при прохождении номинальных токов.
Полученные данные можно использовать для расчета износа контактов при разработках ВДК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные Всесоюзным электротехническим институтом им. В.И. Ленина ГГ. С. Белкин, И.А. Лукацкая,
A.А. Перцев и др. // Электротехника, 1991, № 12. С. 9-15.
2. Селикатова С.М., Лукацкая И.А. Начальная стадия вакуумной дуги отключения // ЖТФ, 1972, XLII, вып. 7. С. 1508-1515.
3. Lukatskaya I.A., Selikatova SM. Investigation of Arc in Contact Systems of Vacuum Interrupters // Proc of the VH-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Novosibirsk, 1976. P. 434.
4. Grundlagenarbeiten Zur Entviclung von Vacuumschaltem / R. Gebel, G.Lins,
B.-I. Paul,
5. Paulus П Siemens Energie Automation. 7 (1985). H2. S. 79-84.
Ustinova A.V.
student,
Russian University of Transport (Moscow, Russia)
STUDY OF SWITCHING RESOURCE OF VACUUM ARC EXTINGUISHING CHAMBERS
Abstract: the article discusses and analyzes the switching resource of vacuum arc extinguishing chambers.
Keywords: vacuum, VDC, contacts, wear, current, arc extinguishing, chambers, nominal.
