"Новости Электротехники": "Энергетика и Электротехника

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №4(16) 2002

ДЕФЕКТЫ В ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

Надежность и ресурс коммутационных аппаратов во многом определяются характером процессов, происходящих в дугогасительных устройствах, перенапряжениями, возникающими при включениях и отключениях, режимами эксплуатации. Знание этих процессов позволяет с достаточно высокой достоверностью определить причины и условия возникновения и развития дефектов. Становится возможным организовать эффективную систему оценки состояния, позволяющую своевременно, до наступления катастрофического отказа, выявить дефекты в начальной стадии развития.

ДЕФЕКТЫ В КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЕ

Отметим прежде всего основные процессы, влияющие на развитие дефектов в контактной системе.

Возникновение сопел и микротрещин
Существенное влияние на разрушение контактной системы имеет воздействие выбросов потоков плазмы. За счет разности давлений и температур в канале разряда возникает резкое увеличение объемов плазмы, выносимых с места опоры канала разряда, что приводит к интенсивному эрозионному износу контактов.
В местах соприкосновения разряда с поверхностью контакта за счет резкого повышения температуры и интенсивности разряда возникают сопла. Они увеличивают поверхность испарения и приводят, с одной стороны, к росту температур в радиальном направлении и, как правило, к возникновению глубоко проникающих микротрещин, а с другой стороны — к ухудшению условий гашения дуги из-за слабых воздействий на процессы разряда внутри сопел. На рис. 1 представлен вид поверхности контакта с дефектами в виде сопел и микротрещин, возникающих в результате выбросов плазмы.
Увеличение площади испарения в свою очередь сопровождается более интенсивным насыщением дугогасящей среды парами металла, а следовательно, и ухудшением изоляционных свойств межконтактного промежутка. Это приводит к увеличению времени гашения разряда и соответственно к увеличению времени разрушительного воздействия на контактную систему.

Формирование микронеровностей
Дефекты контактной системы не ограничиваются возникновением сопел и микротрещин. Весьма распространенным дефектом является формирование микронеровностей на поверхности контактов, причем последствием этого дефекта является увеличение межконтактного сопротивления сверх допустимого значения.
Наличие или отсутствие микронеровностей на соприкасающихся поверхностях контактов является противоречивым аспектом. С одной стороны, чем более гладкими являются поверхности контактной системы, тем более плотно они прилегают друг к другу в замкнутом состоянии и, значит, обеспечиваются лучшие условия протекания тока.
С другой стороны, чем более гладкие поверхности контактов, тем труднее возникает разряд на стартовых и финишных этапах разрыва токов. А это чревато возникновением перенапряжений в первичной сети. То есть наличие микронеровностей отнести к дефекту можно только в том случае, если возникают переходные сопротивления между контактами, превышающие допустимые значения.

Рис. 1. Дефекты на поверхности контактов в результате выбросов потоков плазмы.

Рис. 2. Вероятность возникновения переходного сопротивления сверх допустимого в зависимости от момента времени размыкания контактов.

Рис. 3. Изменение переходного сопротивления вакуумной камеры в процессе эксплуатации.

Рис. 4. Характер изменения контактных сопротивлений за время эксплуатации.

С помощью специализированной установки был проведен эксперимент для определения состояния контактной системы. На базе проведенных исследований получены вероятности увеличения переходного сопротивления в зависимости от интервала времени от момента размыкания контактов до момента прохождения тока через ноль (рис. 2).
Физика процессов, которые являются причиной увеличения переходного сопротивления, связана с автоэлектронной эмиссией. Так, при расхождении контактов в непосредственной близости от момента прохождения тока через ноль составляющие термоэлектронной, фотоэлектронной и вторичной эмиссий не успевают достигнуть значительных величин.
В связи с этим энергетическая составляющая, поддерживающая разряд в камере, определяется током.В этих условиях энергетический запас, удерживающий температуру места опоры элементарного разряда, мал. Прежде чем происходит выравнивание поверхности контакта, материал в стволе разряда переходит в твердую фазу, оставляя микронеровность, что и приводит к увеличению переходного сопротивления.
На рис. 3 представлены кривые изменения переходного сопротивления двух полюсов выключателей. Пики А и В получены при коммутации токов короткого замыкания, а пики С и D — при коммутации токов, не превышающих номинальное значение.
Значительное увеличение переходного сопротивления при коротких замыканиях связано с тем, что в этих условиях увеличивается объем переносимого материала, а следовательно, и высота микронеровностей над поверхностью контакта.

Зависимость состояния контактной системы от отключаемых токов короткого замыкания
Состояние контактной системы в течение всего периода эксплуатации от установки до исчерпания ресурса чрезвычайно сильно зависит от количества и величин отключаемых токов. До недавнего времени считалось, что из-за перемены полярности контактов при большом числе коммутаций эрозионного износа не происходит. Однако обследования более чем 100 вакуумных выключателей разных заводов-изготовителей с разборкой камер показывают, что вынос металла из межконтактного промежутка происходит.
Как правило, осуществляется вынос мягких фракций контакта — меди. В результате на поверхность контактов выступают твердые составляющие, формируя микронеровности. Обычно это проявляется к концу коммутационного ресурса, но в значительной степени зависит от количества и величины отключаемого тока короткого замыкания (рис. 4). Кривые 1, 2 получены для камер, участвовавших в отключении токов короткого замыкания 6 кА соответственно 10 и 20 раз, а кривая 3 — для тех же камер, участвовавших в отключении токов короткого замыкания 4 кА 40 раз.

Разгерметизация дугогасительных камер вакуумных выключателей.

Причины.
Состояние коммутационных аппаратов во многом определяется герметичностью дугогасительных камер. Причем потеря герметичности сопровождается самыми тяжелыми последствиями. Наибольший интерес в этом отношении представляют вакуумные выключатели. Потеря вакуума при эксплуатации вакуумных выключателей является гораздо более редким явлением, чем разгерметизация выключателей с другой дугогасящей средой. Однако необходимость иметь полное представление о процессах в вакуумных выключателях связана прежде всего с тем, что среди вновь устанавливаемых выключателей вакуумные аппараты составляют подавляющее большинство.
Обследования большого числа вакуумных выключателей, находящихся в эксплуатации, показывают, что основными причинами разгерметизации дугогасительных камер являются в основном следующие: возникновение дефектов в сильфоне, возникновение микротрещин в местах пайки, нарушения в технологии вакуумирования, дефекты, вносимые при монтаже и наладке.
В таблице приведено распределение причин разгерметизации в % от общего числа отказов камер. В числителе указаны цифры для камер, не отработавших коммутационный ресурс с запасом до 1000 коммутаций, в знаменателе — цифры для камер, отработавших ресурс, и камер, у которых остаточный ресурс составляет менее 1000 коммутаций. Из таблицы видно, что для камер с числом коммутаций, близким к ресурсу, наблюдается значительное увеличение отказов из-за возникновения дефектов в сильфоне. Это связано с усталостными явлениями и необратимыми процессами в материале.

Причины разгерметизации камер вакуумных выключателей в % от общего числа отказов камер
№ п/п	Причины разгерметизации	Класс напряжения, кВ
№ п/п	Причины разгерметизации	0,4-3	3-10	10-35	35-110
1	Дефекты в сильфоне	37,9/72,3	35,2/75,4	31,4/80,2	29,5/85,4
2	Микротрещины в местах пайки	56,3/26,5	48,9/23,7	43,8/18,6	39,2/13,1
3	Нарушения в технологии вакуумирования	3,8/0,9	9,1/0,5	10,5/0,7	9,8/0,8
4	Дефекты монтажа и наладки	2,0/0,3	6,8/0,4	14,3/0,5	21,5/0,7

Анализ процессов. Последствия.
Рассмотрим процессы, происходящие в вакуумной камере в условиях разгерметизации.
При полной потере вакуума канальный характер разряда сохраняется, причем проходит в стримерной форме. В этих условиях анализ последствий связан с давлением внутри камеры.
Разряд в воздухе при нормальном давлении и скорости нарастания тока порядка 10⁹ - 10¹¹ А/с имеет температуру несколько десятков тысяч градусов. Проводимость такой плазмы меняется в сравнительно узких пределах:
1/r_n = (2 - 4)·10⁴ (Ом·м)^-1, поэтому основным фактором, определяющим изменение сопротивления канала, является рост его радиуса вследствие гидродинамического расширения. В этой стадии радиус канала расширяется со скоростью порядка 10² - 10³ м/с. При этом в окружающем канал газе генерируется ударная волна, поскольку давление достигает десятков атмосфер, и канал играет роль цилиндрического поршня. Скорость радиуса канала dr_k /dt и давление в нем p_k связаны соотношением:

где r_м— плотность газа вне канала, k₀ - безразмерный численный коэффициент (k0 = 0,9). Пренебрежем неоднородностью плазмы по радиусу и по оси.

Тогда для расчета скорости расширения достаточно использовать уравнение баланса энергии без учета потерь на излучение:

Здесь первый член справа есть скорость изменения энергии теплового движения (s — эффективное число степеней свободы частицы), второй член — это мощность, расходуемая на расширение. Выражение в левой части — мощность, вкладываемая в канал единичной длины радиуса r_k. В уравнении баланса энергии p_k — давление, n_k — концентрация частиц в канале. В основном это нейтральные частицы, так как степень ионизации невелика (до нескольких процентов). Вместо s введем эффективный показатель адиабаты h = 1+2/s. Он принимает значения 1,20 - 1,33 для разрядов в воздухе при давлениях, близких к атмосферному. Если ток растет по закону i = A^a, то, как нетрудно заметить, решение задачи имеет вид:

r_k = Bt^b

где b = 1/2 + a/3. Таким образом, r_kcont*i ^1/3t^1/2(r_n/k₀r_m)^1/6, а сопротивление канала

Слабая зависимость r_k от r_n оправдывает допущение о постоянстве rn при расчете радиуса канала.
Найдем численное значение постоянной В для линейно-нарастающего тока i = i^'t, приняв кроме того h = 1,2. В этом случае

. Приведем выражение для радиуса канала, принимая k₀ = 0,9, r_n = 5*10^-5 Ом*м:

Полученное выражение используется при оценках радиуса искры в газах. Например, при di /dt = 10⁹ А/с и t = 10^-6 с для искры в воздухе r_m = 1,3 кг*м^-3, имеем r_k = 10^-3 м. При этом скорость роста радиуса близка к 10³ м/с, давление в канале около 10⁶ Па, а сопротивление канала длиной 10^-2 м в указанный момент составляет около 0,16 Ом и падает пропорционально t^-5/3.
Таким образом, разряд создает резкое увеличение давления внутри камеры, что может привести к взрыву. Возможность взрыва определяется временными характеристиками разряда в воздухе, а именно: является ли время формирования разряда более длительным, чем период неодновременности коммутации в трехфазном включателе.
При пробое воздушного промежутка время запаздывания, т.е. время с момента подачи напряжения до момента пробоя t_з, складывается из времени достижения начального напряжения t₀, статистического времени запаздывания t_ст, длительностей развития стримера t_стр, лидера t_лд и главного разряда t_к:

Время запаздывания (т.е. время с момента достижения начального напряжения до момента появления электрона, способного создать лавину) зависит от конфигурации электрического поля, скорости нарастания напряжения, давления и рода газа и ряда других факторов. На рис. 5 представлены предельные зависимости на время неодновременного размыкания контактов от давления в камере. Видно, что при определенных значениях давления P_кр регламентированные требования к t_но оказываются недопустимыми.

Выводы.
Рассмотренный анализ позволяет отметить следующее: последствия от потери вакуума во многом зависят от неодновременности коммутаций фаз выключателя.

Рис. 5. Граничная характеристика зависимости времени неодновременности размыкания контактов от давления в камере:
1 - при кратности напряжения 0,5;
2 - при кратности напряжения 1,0;
3 - при кратности напряжения 1,5.

При правильной настройке привода выключателя последний может долго находиться в эксплуатации без каких-либо последствий. Однако контактная система подвергается воздействию, которое приводит к оплавлению поверхности электродов. Исследования более 30 камер, побывавших в эксплуатации, показывают, что, как правило, переходное сопротивление при этом не превышает пределов допустимого. Однако износ контактов происходит значительно быстрее.

Обследования более 1000 коммутационных аппаратов с различными дугогасящими средами позволяют отметить, что в коммутационных аппаратах с любыми дугогасящими средами возникают дефекты, которые необходимо своевременно выявлять в процессе эксплуатации. Реже всего отказ наблюдается в дугогасительных системах вакуумных выключателей.