В конце сентября - начале октября в Ялте прошел XXI международный симпозиум по разряду и электроизоляции в вакууме (ISDEIV - International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum). В симпозиуме приняли участие 125 ученых и инженеров из 17 стран, из них 35% представляли Россию и страны СНГ. Было заслушано 166 научных работ, касающихся разных аспектов и основных тенденций развития вакуумных выключателей различных классов напряжения. Специально для журнала «Новости ЭлектроТехники» материал об этом событии подготовил Олег Аношин, участвовавший в работе ISDEIV.

Олег Аношин, к.т.н.,
«Таврида Электрик»

История ISDEIV Первый международный симпозиум по электроизоляции в вакууме (тогда он носил название IHVV - Insulation of High Voltage in Vacuum) состоялся в октябре 1964 г. в Кембридже, США. В нем приняли участие представители научных лабораторий и исследовательских центров в основном из США, но присутствовали специалисты и из других развитых стран: Канады, Франции, Германии, Голландии, Швейцарии и Великобритании. Два года спустя, вновь в Кембридже, состоялся второй симпозиум с большим количеством представителей от стран Западной Европы. Значительные изменения по форме и содержанию претерпел третий симпозиум, проходивший в 1966 г. в Париже под названием «Vacuum Arcs and Applications». Именно в этом городе симпозиум получил свое настоящее название ISDEIV. Был создан постоянно действующий комитет симпозиума – Permanent International Scientific Committee (PISC), объединяющий наиболее ярких представителей научных организаций и промышленных компаний мира в области вакуумной техники. С тех пор было проведено 20 конференций в 11 странах мира. Дважды они проводились в России: в 1976 г. в Новосибирске, а в 1994 г. – на теплоходе, в круизе от Москвы до Санкт-Петербурга. В нынешнем году впервые в истории ISDEIV принимающей стороной выступила производственная компания, в то время как до этого конференции организовывались государственными или академическими институтами. Этой компанией стала промышленная группа «Таврида Электрик». На первой конференции IHVV около 40% научных работ было представлено от промышленных компаний (General Electric, Westinghouse, High Voltage Engineering и т.д.), 35% – от государственных и непрофильных научных организаций и 25% – от университетов (Illinois, MIT и т.д.). В 2002 году на ISDEIV 30% участников представляли промышленные компании (ABB, Philips, Schneider Electric, Siemens AG, Tavrida Electric и т.д.), 30% – государственные исследовательские центры (CEA, High Current Electronics, Institute of Electrophysics и т.д.), 40% – университеты. Это наглядно показывает всё возрастающую роль европейских и азиатских производителей в решении научных проблем вакуумной изоляции и рост интереса научных лабораторий и учебных университетов к проблемам вакуумных технологий. Что может вакуум? На симпозиуме были представлены работы по трем основным научным направлениям: фундаментальные исследования в области разряда и пробоя в вакууме; устройства и аппараты на основе разряда в вакууме (вакуумные выключатели, источники вакуумной дуги, источники элементарных частиц); вакуумная изоляция и технологии (разработка вакуумной изоляции, технологические процессы в вакууме, модификация поверхности и т.д.). Симпозиум традиционно открылся лекцией лауреата Дайковской премии (The Dyke Award) 2004 года, вручаемой с 1987 г. накануне проведения симпозиума за многолетние достижения в области разряда в вакууме, доктора Экхарда Шадэ (Ekkehard Schade), представляющего швейцарский исследовательский центр компании АВВ. В своем докладе д-р Шадэ остановился на значительных достижениях мировой науки в области коммутации больших токов, сообщив при этом, что уже существуют промышленные образцы вакуумных выключателей с током отключения 60 кА и более. Также он выделил два основных подхода в конструировании вакуумных дугогасительных камер – на основе воздействия аксиального и радиального магнитного поля на дугу в вакууме (Axial magnetic field – AMF, Radial magnetic field – RMF). Д-р Шадэ отметил, что в настоящее время значительно лучше изучены физические явления в RMF-камерах, вследствие чего именно на их основе разработаны выключатели с большой отключающей способностью. Вместе с тем AMF-камеры имеют меньшие массогабаритные показатели, лучший коммутационный ресурс и быстро прогрессируют в сторону увеличения токов отключения. Особое место в своем докладе д-р Шадэ посвятил проблеме электрической прочности вакуумной изоляции промышленных вакуумных дугогасительных камер (ВДК). Он подчеркнул, что значительной проблемой является обеспечение восстановления электрической прочности в ВДК после погасания дуги. Эрозионные процессы и термический разогрев контактов значительно ограничивают скорость и уровень восстановления электропрочности ВДК. Современный уровень знаний позволяет рассчитывать на разработку камер ВДК только до класса напряжения 80 кВ, что пока ограничивает возможность создания однокамерных вакуумных выключателей 110 кВ.

Единственный участник всех ISDEIV — доктор Хиллард Крейг Миллер (Hillard Craig Miller), США — прочитал лекцию об истории ISDEIV Бурхард Ютнер (Burkhard Juettner)— профессор университета Макса Планка (Германия), лауреат Дайковской премии 1994 года Лауреат Дайковской премии 2004 года доктор Экхард Шадэ (на переднем плане) Алексей Михайлович Чалый — генеральный директор промышленной группы «Таврида Электрик» Усуи Кентаро (Usui Kentaro), Нагойский университет, Япония – молодое дарование-ХХI, лауреат премии Чаттертона как лучший молодой ученый

Пробой вакуумной изоляции
Исследования в области разряда и пробоя в основном были посвящены проблемам предпробивных явлений в вакуумной изоляции. Докладчики представили работы по исследованию эмиссионных токов с катода вакуумной изоляции. В их работах было рассмотрено влияние материалов и размера электродов, напряженности электрического поля, температурных условий, размера и конфигурации микронеоднородностей электродов на величину предпробивного эмиссионного тока. Значительное внимание было уделено математическому моделированию процессов протекания эмиссионных токов в вакуумной изоляции.
Из докладов российских ученых можно выделить теоретические исследования предельных эмиссионных токов, предшествующих процессу разряда в вакууме, которые показывают пути совершенствования вакуумной изоляции (Г.А. Месяц, И.В. Юманов, Институт электрофизики РАН, Екатеринбург) .
Особое внимание на симпозиуме было уделено анализу поведения вакуумной дуги при пробое вакуумной изоляции. С обзорным докладом по влиянию магнитного поля на дугу в вакууме выступил профессор Р. Боксман (R.L. Boxman, Tel Aviv University, Israel). Свое выступление он посвятил анализу работ по влиянию магнитного поля на поведение дуги малых токов (меньше 1 кА), что находит практическое применение в системах удержания вакуумной дуги в магнитном поле генераторов элементарных частиц и в совершенствовании электронно-ионных вакуумных технологий.
В докладе д-ра А. Андерса (A. Anders, University of California, USA) были представлены исследования катодных пятен вакуумной диффузионной дуги. Показаны примеры движения и зарождения катодных пятен, их влияние на эрозию электродов при отключении токов. Вместе с тем приведено и положительное влияние катодных пятен на сглаживание контактов (так называемая очистка от микровыступов). Данный эффект известен эксплуатационным организациям под термином «тренировка ВДК».

Влияние магнитного поля
Секцию сильноточных вакуумных дуг на симпозиуме вел д-р А. Чалый («Таврида Электрик», Россия). Он представил доклад по исследованию в области контроля над сильноточной вакуумной дугой с помощью аксиального магнитного поля. Определены условия (уровни магнитного поля) разбегания катодных пятен сильноточной дуги по электроду и критерий удержания пятен на поверхности электродов. Представленные материалы показывают возможность разработки камер ВДК с отключающей способностью до 2–2,5 кА/см2 площади электродов, что определяет тенденцию создания малогабаритных силовых выключателей.
Значительное место на симпозиуме было отведено экспериментальному и теоретическому исследованию влияния аксиального магнитного поля на вакуумную дугу. Рассмотрены вопросы разбегания/распределения катодных пятен при расхождении электродов ВДК, термического воздействия плазмы на электроды, влияния конструкции электродов на отключающую способность.
Предложенные участниками симпозиума математические модели позволяют с инженерной точностью моделировать физические процессы в ВДК на основе макрофизических параметров дуги, полученных экспериментально. По мнению ряда докладчиков, это дает возможность конструировать ВДК на основе математических моделей, что значительно сокращает время разработки камер нового поколения.

Материалы и размеры
Особое внимание во время заседаний было отдано проблеме материалов электродов ВДК (работа д-ра Ганса Шелекенса (Hans Schellekens), технического директора Schneider Electric, и ряд докладов китайских исследователей). Были представлены работы по экспериментальному исследованию электрофизических свойств ВДК с электродами из различных композитных материалов с разным процентным соотношением. Это показывает, что поиск оптимальных материалов (соотношение между электрической прочностью, контактным сопротивлением и отключающей способностью) продолжается.
Значительное количество работ было посвящено оптимизации электрических полей во внутренней области ВДК, обеспечивающей минимальные размеры камеры при заданных требованиях по электрической прочности. Например, доктор И. Гао (Y. Gao, China), провел попытку расчета электрического поля в ВДК при воздействии быстропеременного напряжения, обусловленного перенапряжениями при отключении двигательной нагрузки.

Вакуум для высокого напряжения
Также на симпозиуме было представлено большое количество докладов, касающихся конструкций ВДК и вакуумных выключателей в целом, причем предложенные разработки охватывают широкий класс напряжений – от 6 кВ до 750 кВ. Приведены конструкции двухразрывных вакуумных камер, позволяющих конструировать вакуумные выключатели на большие классы напряжения без значительного усложнения привода выключателя. Эти работы позволяют говорить о несомненном интересе производителей вакуумной коммутационной техники к высоким классам напряжения.
Компания АВВ представила трехпозиционный вакуумный разъединитель с контрольным (разомкнутым) состоянием, замкнутым состоянием и с положением «заземлено», что, несомненно, найдет свое применение в ячейках КРУ нового поколения.
Специалисты технического университета из Брауншвейга показали результаты исследований двухразрывной ВДК классом напряжения до 52 кВ.
Представители Chenyang University of Technology выступили с докладом по оптимизации электрических полей в разрабатываемой камере на 72,5 кВ, что является еще одной ступенью в освоении высоких классов напряжения.

Круглые столы
Также во время работы конференции проходили заседания круглых столов по темам:

• пробой изоляции в вакууме и определение перспектив развития высоковольтных вакуумных выключателей;
• методы численного моделирования дуги в вакууме;
• ионная эмиссия из катодных пятен вакуумной дуги и энергетические параметры ионов плазмы.

О тенденциях
На основе материалов конференции можно говорить о следующих тенденциях развития вакуумной коммутационной техники:

• снижение габаритов вакуумных выключателей возможно за счет оптимизации электродной системы по электрической прочности ВДК и повышения плотности отключаемых токов на единицу площади электродов;
• ведется разработка конструкций выключателей и ВДК на большие классы напряжений на основе новейших результатов исследований электрической прочности в вакууме (конструирование одноразрывных камер на большие напряжения) и конструктивных решений по многоразрывным камерам и многокамерным выключателям;
• продолжаются работы по оптимизации материалов контактов и конструкции электродов ВДК.