Главная Статьи О возможности использования силы удержания привода как критерия оценки основных характеристик вакуумных выключателей

О возможности использования силы удержания привода как критерия оценки основных характеристик вакуумных выключателей

Добавлено: 25.02.12 | Авторство: О.А. Аношин, П.В. Петров, С.И. Малаховский | Просмотров: 3218

О возможности использования силы удержания привода как критерия оценки основных характеристик вакуумных выключателей

Применение вакуумной коммутационной техники для сетей среднего напряжения перестает быть эпизодическим в отечественной энергетике. В 2004 году уже шесть отечественных предприятий декларировали серийное производство вакуумных выключателей (для справки: в 2000 году таковых было только три).

Количество производителей комплектных распределительных устройств с применением вакуумных выключателей (ВВ) за последние три года практически удвоилось и приближается к двадцати. При таком многообразии предлагаемых типов и исполнений эксплуатационному персоналу отводится почетная роль выбора аппарата или КРУ из предлагаемых на рынке. Следует отметить, что эта задача далеко не простая, требующая достаточно высокой квалификации и знания нормативных документов. Проблема усугубляется еще и тем, что за последние 10 — 15 лет, на которые пришлось практическое внедрение вакуумной коммутационной техники, были окончательно утрачены годами сложившиеся научно-технические связи, прекратился обмен технической информацией. В лучшем случае, чем приходилось довольствоваться эксплуатационному персоналу, это руководствами по эксплуатации и методическими указаниями предприятий — изготовителей. Отсутствие системного подхода и требований привело к появлению различных методик по оценке параметров вакуумного коммутационного оборудования, зачастую противоречащих или несоответствующих действующим нормативным документам.

В последнее время появились методики и рекомендации некоторых предприятий, предлагающих оценку параметров ВВ на основе измеряемого усилия отрыва контактов предварительно включенного аппарата. У авторов настоящей статьи с учетом причастности к производству и эксплуатации свыше 120 тысяч вакуумных выключателей ВВ\ТEL-10 на этот счет есть свое мнение, с которым и предлагается ознакомить читателей.

Проблема стойкости при сквозных токах короткого замыкания коммутационного аппарата любого типа не нова и является одной из основополагающих при его проектировании. Достаточно сказать, что такая механическая характеристика как сила удержания привода (в некоторых работах "контактное нажатие") обусловливает следующие основные параметры аппарата (по классификации [1]): номинальный ток, коммутационный ресурс, стойкость к воздействию токов к.з. и стойкость к воздействию механических факторов внешней среды.

Отброс (или самопроизвольное разведение) контактов обусловлен электромагнитным взаимодействием встречнонаправленных участков прохождения тока контактных систем и показан для торцевых и контактных систем с поперечным магнитным полем на рис.1.

Рис.1.  Направление  тока, протекающего (стрелки) через контактную систему  вакуумной  дугогасительной камеры с торцевыми контактами и поперечным  магнитным  полем

Любая вакуумная дугогасительная камера (ВДК) характеризуется собственным контактным поджатием, зависящим от диаметра сильфона и составляющим 50—500 Н. В диапазоне номинальных токов, представляющих практический интерес (4—40 кА), этого значения для обеспечения стойкости коммутационного аппарата явно недостаточно.

Одним из наиболее известных подходов к оценке силы отброса контактов следует признать рекомендованный Холмом [1], который базируется на соотношении приведенного радиуса фактического контакта r и геометрического радиуса контакта R и может быть представлен в виде:

F = 10-7 I 2 ln(R/r)

Нетрудно видеть, что при обеспечении контакта по всей поверхности электродов, сила отброса F стремится к нулю.

Поскольку на практике обеспечить указанное выше условие невозможно, а контакт электродов происходит в нескольких точках N, для ориентировочной оценки порядка величины можно использовать формулу [2]:

F = 0,25 x 10-6 I 2 / N

Последнее выражение наглядно демонстрирует преимущество многоконтактных систем, о чем упоминается в отечественной работе А.А. Чунихина [3]. Анализ известных формул [3,4] позволяет оценить силу отброса до 3000 Н при токах отключения, достигающих 30 кА. Даже простым расчетом одноточечной контактной системы с габаритными размерами, аналогичными размерам серийно выпускаемой ВДК (радиус контактов R=25—40 мм, приведённый зазор =0,05—0,1 мм), поперечным полем и торцевыми контактами по известной формуле [5]:

F = (mo I 2 R) / (2pd)

можно определить силу отброса такого же порядка.

Естественно, что для обеспечения нормального функционирования коммутационного аппарата должно выполняться неравенство:

FcF ,

где Fc - сила дополнительного контактного поджатия.

Применяемые в большинстве отечественных вакуумных выключателей ВДК с поперечным магнитным полем за последние десятилетия не претерпели существенных изменений и при установке в ВВ требуют обеспечения приводом дополнительного контактного нажатия от 600 до 2500 Н. Примеры практической реализации ВВ с такими приводами и ВДК нашим читателям достаточно хорошо известны [6]. С учетом экономической целесообразности собственного производства ВДК при минимальном объеме не менее десятков тысяч изделий в год подавляющее большинство производителей ВВ вынуждено прибегать к закупке ВДК у сторонних производителей. Требуемое дополнительное контактное поджатие декларируется производителем ВДК в обязательном порядке, и именно, ее обеспечение является залогом успешной стойкости ВВ к сквозным токам к.з. Производитель ВВ свободен только в проектировании привода, что и вынужден делать. Ни один изготовитель ВВ не будет закладывать "лишнее" контактное поджатие, поскольку в конечном итоге существенно снизит эксплуатационные и технико-экономические показатели аппарата.

Таким образом, некоторые производители относят контактное поджатие к категории преимуществ ВВ, что является вынужденным, поскольку однозначно определено параметрами ВДК.

На протяжении более 10 лет предприятием "Таврида Электрик" серийно производятся ВДК с так называемым продольным магнитным полем (рис.2). Следует отметить, что в аппаратах серии ВВ\ТEL-10 аксиальное расположения привода по отношению к подвижному контакту ВДК обусловливает равенство силы контактного поджатия электродов и усилия удержания привода.

Рис.2.  Вакуумные  дугогасительные камеры с продольным (аксиальным) магнитным  полем  производства "Таврида Электрик"

Наряду с улучшенными характеристиками (высокая отключающая способность и коммутационный ресурс) контактные системы с продольным магнитным полем характеризуются наличием электродинамического поджатия, обусловленного взаимодействием тангенциальных составляющих векторов протекающего тока. Это достаточно известное явление [7], позволяющее, в частности, увеличить отключающую способность на 50% при уменьшении контактного нажатия в 1,6 раза. Оставляя без рассмотрения в настоящей статье детальный анализ данного явления, считаем необходимым обратить внимание, что это одна из причин, обусловливающих высокие энергетические показатели привода ВВ, в том числе серии ВВ\ТEL-10. Преимущество ВДК с продольным магнитным полем иллюстрируется на рис.3 фрагментом замкнутых электродов контактной пары. Контакты ВДК данного типа могут быть чашеобразной формы с наклонными сквозными разрезами. Разрезы ограничивают растекание тока, тем самым уменьшая взаимодействие встречнопараллельных участков тока в различных электродах, и обеспечивают спиральную форму протекания тока.

Рис.3 Направление тока (стрелки), протекающего через контакты вакуумной дугогасительной камеры с продольным магнитным полем

Тангенциальные составляющие векторов тока сонаправлены и в соответствии с законом Ампера обеспечивают взаимное притяжение электродов контактной пары, снижая суммарное усилие отброса. Это одно из основных преимуществ контактных систем с продольным магнитным полем. Максимально эффект "электродинамического поджатия" проявляется при токах к.з.

Номинальный ток и контактное поджатие ВВ. Контактное поджатие стабилизирует и обеспечивает требуемое значение переходного сопротивления. ВДК любого типа в силу конструктивных особенностей не имеет возможностей для эффективного рассеивания выделяемого тепла. В большинстве типов камер контакты являются единственным средством теплоотвода из зоны контакта электродов. Несмотря на то, что эта величина составляет десятки ватт, в реальных эксплуатационных условиях в ВВ на номинальные токи от 1000—1600 А приходится прибегать к различным конструкторским решениям, существенно улучшающим теплообмен в КРУ (вплоть до установки радиаторов). Однако величина контактного поджатия в части обеспечения требуемого уровня переходного сопротивления в нормативных документах не указывается. Нормируется непосредственно значение переходного сопротивления (в условиях производителя при проведении приемо-сдаточных испытаний, в эксплуатационных условиях в соответствии с [8, 9, 10].

Стойкость к воздействию механических факторов внешней среды и контактное поджатие ВВ. Безусловен тот факт, что при большем контактном поджатии вибростойкость также возрастет. Однако вибростойкость аппарата определяется не только контактным поджатием. При одинаковых значениях контактного поджатия большей вибростойкостью будет обладать ВВ с меньшей массой свободных частей, связанных с подвижным контактом ВДК. Не оговаривая массу свободных подвижных частей привода, нормативные документы регламентируют проведение испытаний в соответствии с [8], без упоминания о контактном поджатии. Стандарт [8] нормирует вибростойкость на уровне класса М6 для выключателей, устанавливаемых в машинных залах. Испытания на стойкость к воздействию механических факторов внешней среды регламентируются ГОСТ 17516.1—90, и контактное поджатие также не используется в качестве критерия.

Стойкость при сквозных токах к.з. и контактное поджатие ВВ. Эти параметры являются максимально связанными между собой. Стойкость при сквозных токах к.з. включает в себя способность ВВ противостоять электродинамическому и термическому воздействию тока к.з. Электродинамическая стойкость ВВ реализуется силой поджатия привода, которая зависит от требуемого мгновенного значения тока для определенной контактной системы ВДК. В качестве примера можно привести рекомендованное А.А. Чунихиным [3] выражение для определения поджатия вольфрамовых торцевых контактов при минимальном токе отброса:

Fc = 0,95 x 10-6 I 2

или приведенную в [2] зависимость поджатия контактной системы, выполненной на основе сплава Cu—Ве(7%), от мгновенного значения тока:

Fc = 11,9 x 10-5 I 1,4

Наряду с электродинамическим отбросом контактов, который должен парироваться контактным поджатием, термическое воздействие тока к.з. приводит к свариванию электродов. Это предъявляет дополнительные требования к приводу ВВ, который должен разорвать такую сварку. Известно, что последствия термического воздействия тока к.з. (сварка контактов) могут быть уменьшены при увеличении контактного поджатия [1, 2, 4], а также применении оптимального состава материалов электродов [4, 12].

Вопросам стойкости при сквозных токах к.з. и отключающей способности ВВ посвящено достаточно много работ. Каждая, как правило, содержит рекомендации для конкретной контактной системы и материала контактов, но ни одна из них не отменяет обязательного выполнения типовых испытаний ВВ. Отечественные нормативные документы [8, 10] однозначно определяют критерием стойкости при сквозных токах к.з. только результаты испытаний.

Критерием чего, с учетом сказанного выше, может служить измеряемое, например, динамометром усилие отрыва контактов ВВ? Аналогичные измерения, по мнению авторов, могут являться косвенным методом оценки правильности сборки и механической работоспособности ВВ, использующих ВДК с торцевыми контактами или поперечным магнитным полем, в условиях предприятия-изготовителя при обязательном условии проведения испытаний, предусмотренных ГОСТ. На этапе исследовательских работ при проектировании новых ВВ любых типов такая процедура неизбежна, однако критерием основных электрических параметров коммутационного аппарата при проведении испытаний или в эксплуатационных условиях являться не может. Основным критерием по-прежнему должны оставаться результаты испытаний в соответствии с [8, 10].

Выводы

  1. Результаты измерения контактного поджатия предварительно включенного выключателя, использующего ВДК с продольным магнитным полем, не являются критерием оценки характеристик, поскольку не учитывают все факторы, воздействующие на контактную систему при протекании тока к.з., и противоречат требованиям нормативных документов [8, 10]. Критерием оценки основных электрических параметров являются результаты испытаний ВВ на нагрев, стойкость при сквозных токах к.з. и стойкость к воздействию механических факторов внешней среды в соответствии с ГОСТ [8] и Нормами испытаний [10].
  2. Не зависимо от применяемых типов вакуумных дугогасительных камер (с торцевыми контактами, с поперечным или продольным магнитным полем) результаты испытаний являются основным критерием эксплуатационной стойкости ВВ.

Литература

  1. Lee T.H. Physics and engineering of high power switching devices. Cambridge. The MIT Press, 1975.—542 p.
  2. Greenwood A. Vacuum Switchgear. IEEE Power series 18. London, Short Run Press Ltd., 1997.-278 p.
  3. Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения.-М.: Энергоатомиз дат, 1985.-432 с.
  4. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме.- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1970.-536 с.
  5. Кухлинг Х. Справочник по физике.М.: Мир, 1982.-520 с.
  6. Ведешенков Н.А. Электрические аппараты высокого напряжения. Выключатели. В 2-х томах. Справочник.М.: Информэлектро, 2001.- 120 с.
  7. Белкин Г.С., Лукацкая И.А., Перцев А.А., Ромочкин Ю.Г. Новые разработки ВЭИ в об ласти вакуумных дугогасительных камер//Электротехника. 2001.- №9.- с.17-23.
  8. Межгосударственный стандарт ГОСТ 687-78*. "Выключатели переменного тока на на пряжение свыше 1000 В. Общие технические условия".
  9. Объем и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45-51.300-97. РАО "ЕЭС России" / Под общ.ред. Б.А.Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамикоянца.- 6-е изд.,- М.: Издво НЦ ЭНАС, 2004.-256 с.
  10. Нормы испытания электрооборудования. ГКД 34.20.302-2002.-Киев. ОЭП "ГРИФ РЭ", 2002.-216 с.
  11. Теория и конструкция выключателей. Пер. с англ./ Под ред. Ч.Х. Флершейма.-Л.: Энергоиздат, 1982.- 496 с.
  12. Вакуумные дуги. Пер. с англ./Под ред. Дж.Лафферти.- М.: Мир,1982.- 432 с.

Опубликовано: «Электрические сети и системы» № 6, 2005 г.