CC BY
67
УДК 621.316.56+621.39.53 ББК 3264-013+324-01-53
, Е.Г. ЕГОРОВ, В.М. МАКСИМОВ,
ИВАНОВА, Н.Ю. ЛУИЯ
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИСКРОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В КОММУТАТОРАХ С ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
Ключевые слова: восстанавливающаяся электрическая прочность, методика измерения, коммутатор с подвижными электродами.
Показана целесообразность применения метода «свободного» восстановления. Приведены структурная и принципиальная схемы экспериментальной установки для исследования восстанавливающейся электрической прочности, описана разработанная конструкция коммутатора, установлены оптимальные значения импульса разрядного тока, скоростей вращения дисков и расстояния между электродами.
V. PAVLOV E. EGOROV, V. MAKSIMOV, S. IVANOVA, N. LUIYA MEASUREMENT METHOD OF RECOVERING ELECTRIC STRENGTH OF SPARK GAPS IN SWITCHBOARDS WITH MOBILE ELECTRODES
Key words: recovering electric strength, measurement method, switchboard with mobile electrodes.
The article covers the feasibility of application of the «free recovery» method. There are structural and electric circuits of experimental installation to study recovering electric strength. There are set up optimal impulse values of discharge current, speed of discs rotation and distances between electrodes.
Снятие кривой восстанавливающейся электрической прочности (ВЭП) искрового промежутка - это определение его электрической прочности в каждый момент времени после прохождения через него импульса тока заданной амплитуды и формы. Электрическая прочность - это пробивное напряжение промежутка.
При исследованиях ВЭП искрового промежутка, когда через него проходит синусоидальный ток и через каждые полпериода напряжение восстанавливается со скоростью, определяемой источником питания, для измерения ВЭП используют несколько методов, описанных в [2, 5].
В первом методе [5] после нуля тока напряжение на промежутке нарастает по синусоидальному закону. Промежуток при этом или пробивается, или не пробивается. Измеряя величину достигнутого пробивного напряжения и время после нуля тока, строят кривую ВЭП. При этом за один опыт получают только одну точку кривой.
Во втором методе [2] при одном опыте можно получить несколько точек кривой за счет приложения к промежутку пилообразного напряжения со все увеличивающимися пиками, а также совместным воздействием синусоидального и импульсного напряжений. Это несколько уменьшает количество измерений, но усложняет обработку полученных данных. Кроме того, в этом случае возникает вопрос влияния таких пробоев на процесс ВЭП и на достоверность полученных результатов, так как промежуток за один опыт пробивается несколько раз.
При исследованиях ВЭП искровых промежутков (ИП) высоковольтных коммутаторов в основном используется третий - зондовый метод (или метод
В. А. ПАВЛОВ СП.
двух импульсов) [1], при котором за счет варьирования времени задержки после первого импульса разрядного тока от генератора импульсных токов (ГИТ) к исследуемому промежутку прикладывается второй - зондирующий импульс напряжения от генератора импульсных напряжений (ГИН). В ратуре этот метод называется методом «свободного» восстановления, так как между двумя указанными импульсами искровой промежуток свободен от воздействия каких-либо напряжений. При этом методе, как и в первом, за один опыт получают только одну точку кривой ВЭП.
Достоинством этого метода является возможность определять характеристики ВЭП коммутатора в режимах, максимально приближенных к реальным условиям его эксплуатации. Указанный метод позволяет получать наиболее достоверные данные о ВЭП из-за отсутствия на промежутке напряжений, способных искажать измеряемые данные.
В коммутаторах с подвижными электродами длина искровых промежутков непрерывно меняется [3], а первые две методики разработаны для промежутков неизменной длины, поэтому для исследования ВЭП с подвижными электродами используем третий - зондовый метод.
Исследования проводились на специально разработанной экспериментальной установке, содержащей коммутатор с вращающимися электродами и позволяющей выяснить влияние на скорость ВЭП следующих факторов: частоты вращения вращающихся дисков; линейной скорости перемещения подвижных электродов и скорости продольного обдува остаточного дугового столба (ОДС); скорости поперечного обдува ОДС атмосферным воздухом при помощи радиальных лопаток, установленных на вращающихся дисках; амплитуды и формы разрядного тока.
Структурная схема установки приведена на рис. 1. Установка состоит из коммутатора (К), генератора импульсных токов (ГИТ), блока задержки (БЗ), генератора импульсных напряжений (ГИН) и измерительных элементов (ИЭ).
Базовая конструкция коммутатора приведена на рис. 2.
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки для измерения ВЭП
Коммутатор содержит корпус 1 с отверстиями, внутри которого установлены две неподвижные токопроводящие пластины 2 и 3 с основными электродами 4 и 5, образующими между собой разрядный промежуток; аксимально расположенные между ними чередующиеся вращающиеся диэлектрические диски 6 и 7 с вспомогательными электродами 8 и 9 и вентиляционными лопатками 10; неподвижную диэлектрическую пластину 11 с вспомогательным электродом 12, расположенным напротив основных электродов.
Вращающиеся диэлектрические диски закреплены на валу с помощью втулок и гаек. Вал соединен с электродвигателем (ЭД) через гибкую муфту. Длины разрядного промежутка (между соседними неподвижными электродами 4 и 12, 12 и 5), а также зазоров (между соседними подвижными и неподвижными электродами 4 и 8, 8 и 12 и т.д.) выполнены регулируемыми в широком диапазоне. Этим коммутатор настраивается на заданное напряжение, который включается в электрическую цепь через клеммы 14-16.
Все основные и вспомогательные электроды имеют полусферическую форму (материал - металлокерамика КМК-Б21) с радиусами 1 и 1,5 см и установлены на подшипниках 13. Диэлектрические диски и изоляционные пластины выполнены из текстолита и оргстекла (толщина 5-10 мм). Корпус изготовлен из оргстекла толщиной 2 см, выбранной из соображений механической прочности. В маломощном коммутаторе с большой частотой вращения (до 5000 об./мин) использован электродвигатель серии УЛ 062, а в более мощном (с частотой вращения 2800 об./мин) - АОЛ 12/2.
Перемещение электродов 8 и 9 при вращении дисков 6 и 7 обеспечивает быстрое увеличение длины разрядного промежутка после разряда накопителя, осуществляемого в моменты наибольшего сближения подвижного электрода к неподвижному. Радиальные лопатки 10 создают воздушный поток, обеспечивающий обдув ОДС в поперечном направлении.
Генератор импульсных токов (ГИТ) (рис. 3) служит для формирования импульсов тока заданной величины и формы. ГИТ содержит накопительные конденсаторы С1 и С2, причем С2 << С1; зарядное устройство, состоящее из автотрансформатора Т1, повышающего трансформатора Т2, диода VD, зарядных резисторов Ш и R2. Конденсатор С2 включен параллельно С1 через переменный резистор R2 и двухэлектродный разрядник F. Конденсатор С2 шунтирован высокоомным резистором R3, предотвращающим «плавание» потенциала на этом конденсаторе в ходе работы установки. Разрядник F при некоторых экспериментах может быть закорочен ключом 5”. Один из выводов С2 через элементы измерения (на схеме не показаны) соединен с одной из токопроводящих пластин (с одним из основных электродов) коммутатора, а дру-
12
Рис. 2. Базовая конструкция коммутатора
Рис. 3. Генератор импульсных токов
гой - с аналогичной пластиной (с другим основным электродом)
(клеммы 14 и 16 коммутатора).
ГИТ настроен на работу при напряжении 30-50 кВ и при необходимости его можно перенастроить на другое напряжение. Емкость С2 = 0,011-10 мкФ.
Генератор позволяет получать импульсы токов от 5 до 150 кА (индуктивность разрядной цепи порядка 1,11 мкГн) длительностью 3,5-100 мкс с частотой колебаний 50-450 кГц.
Блок задержки (БЗ) (рис. 4) служит для регулировки времени задержки между импульсами ГИТ и ГИН. БЗ собран на двух накопительных конденсаторах С1 и С2 (С1»С2), между высоковольтными выводами которых включен переменный резистор R2, а между низковольтными - управляемый трехэлектродный разрядник F1. Конденсатор С1 заряжается от зарядного устройства ЗУ, состоящего из Т1, Т2, диода VD и зарядного резистора Я1. Параллельно С2 через двухэлектродный разрядник F2 включена первичная обмотка 73. Кроме того, С2 за-шунтирован высокоомным резистором Я3, предотвращающим при работе установки «плавание» потенциала на этом конденсаторе.
Вторичная обмотка Т3 соединена со входом ГИН. Работа БЗ начинается с подачи импульса напряжения от ГИТ на разрядник F1.
Время задержки регулируется в широких пределах (10 мкс - 10 мс) изменением трех независимых друг от друга параметров схемы: величины зарядного напряжения С1, сопротивления резистора Я2 и длины ИП разрядника F2.
Генератор импульсных напряжений (ГИН) служит для формирования зондирующих импульсов напряжения заданной амплитуды и формы. Он собран по широко известной многокаскадной схеме Аркадьева - Маркса [3]. В нашем случае ГИН выполнен четырехкаскадным. Зарядное напряжение -до 20 кВ.
Зондирующий импульс напряжения с выхода ГИН подается на половину разрядного промежутка (клеммы 14 и 15 коммутатора). Это увеличивает точность измерения за счет предотвращения возможности шунтирования выхода ГИН разрядным промежутком.
ГИН позволяет получать импульсы напряжения со следующими параметрами: амплитуда до 80 кВ, длительность фронта - 1,0-60 мкс, длительность импульса - 40-1000 мкс. Эти параметры можно регулировать путем изменения зарядного напряжения и числа каскадов ГИН.
Рис. 4. Блок задержки
Выводы. 1. Выбрана и обоснована методика измерения ВЭП - метод двух импульсов (метод «свободного» восстановления), при котором путем варьирования времени задержки после первого импульса разрядного тока на исследуемый промежуток прикладывается второй зондирующий импульс напряжения.
2. Разработана конструкция исследуемого коммутатора.
3. Разработана экспериментальная установка, позволяющая исследовать ВЭП в широком диапазоне изменения скоростей вращения дисков и расхождения электродов, характеристик импульса разрядного тока, уровня напряжения, скорости продува промежутка атмосферным воздухом и др.
Литература
1. Бельков Е.П. Восстановление электрической прочности искровых промежутков после протекания больших импульсов тока // Журнал технической физики. 1974. Т. 44, № 9. С. 1946-1951.
2. Егоров Е.Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных электрических аппаратов. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2000. 448 с.
3. Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург: Наука, 1993. Ч. 1. 184 с.
4. Павлов В.А. Высоковольтные разрядники для коммутирования импульсов тока с повышенной частотой следования // Электрические аппараты: межвуз. сб. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1982. С. 51-57.
5. Павлов В.А., Егоров Е.Г., Максимов В.М., Иванова С.П., Луия Н.Ю. Коммутаторы для формирования мощных наносекундных импульсов // Труды АЭН Чувашской Республики. 2013. № 2. С. 34-40.
ПАВЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры прикладной механики и графики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
PAVLOV VLADIMIR - doctor of technical sciences, professor of Applied Mechanics and Graphics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ЕГОРОВ ЕВГЕНИИ ГРИГОРЬЕВИЧ - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ea@chuvsu.ru).
EGOROV EVGENIY - candidate of technical sciences, professor, head of Electrical and Electronic Apparatus Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
МАКСИМОВ ВИТАЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ - доцент кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ea@chuvsu.ru).
MAKSIMOV VITALIY - assistant professor of Electrical and Electronic Apparatus Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ИВАНОВА СВЕТЛАНА ПЕТРОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (spi_chuvsu@mail.ru).
IVANOVA SVETLANA - candidate of technical sciences, assistant professor of Electrical and Electronic Apparatus Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ЛУИА НАТАЛИЯ ЮРЬЕВНА - аспирантка кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (natysik-tusik@mail.ru).
LUIYA NATALIA - post-graduate student of Electrical and Electronic Apparatus Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
