СПОСОБ ТРЕНИРОВКИ МЕЖКОНТАКТНОГО ЗАЗОРА ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ
METHOD FOR TRAINING OF CONTACT GAP FOR VACUUM CIRCUIT BREAKERS BY HIGH VOLTAGE

Изобретение относится к технологии изготовления высоковольтных вакуумных выключателей и касается тренировки в них межконтактного зазора высоким напряжением в процессе вакуумно-технологической обработки.
Предлагаемый способ может найти применение при изготовлении вакуумных выключателей, переключателей и реле, а также ряда других высоковольтных электровакуумных приборов.
Вакуумные выключатели, с целью получения в них высокой электрической прочности межконтактного зазора и высокого вакуума, необходимых для надежной работы, подвергаются на откачных постах вакуумно-термической обработке, которая включает в себя операцию тренировки высоким напряжением при разомкнутых (разведенных) контактах.
Известен способ тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей переменным напряжением частотой 50 Гц [1]. Однако этот способ тренировки имеет существенные недостатки, один из которых состоит в следующем. При тренировке высоким напряжением напряжение на межконтактном зазоре изменяется плавно от одного максимума до другого в течение полупериода. Однако в реальных условиях эксплуатации рабочее напряжение на межконтактный зазор подается не плавно от нуля до максимума, а прикладывается сразу полное рабочее напряжение, при этом скорость его нарастания настолько велика, что она часто ведет к пробою межконтактного промежутка и к снижению тем самым надежности работы выключателя.
Известен также способ тренировки межконтактного зазора импульсным напряжением одной полярности [1], при котором скорость нарастания напряжения на межконтактном зазоре соизмерима со скоростью нарастания напряжения в реальных условиях эксплуатации. Однако при тренировке межконтактного зазора вакуумных выключателей импульсным напряжением одной полярности поверхности контактов тренируются не в равной степени ввиду того, что во время тренировки не происходит смена анода с катодом. В реальных условиях эксплуатации, например при работе вакуумного выключателя в цепях высокочастотного тока, происходит попеременная смена анода с катодом, ведущая, вследствие неравномерной тренировки поверхностей контактов, к вероятности пробоя межконтактного зазора и, следовательно, к снижению надежности и срока службы вакуумных выключателей.
Чтобы повысить качество тренировки, был предложен способ тренировки межконтактного зазора импульсным напряжением разной полярности [2]. Это позволило получить в равной степени тренированные поверхности контактов и более высокое качество их тренировки, что существенно уменьшило вероятность пробоя межконтактного зазора в реальных условиях эксплуатации при работе вакуумных выключателей с разомкнутыми контактами. Однако и этот способ тренировки, как и описанные выше, имеет существенный недостаток. Известно, что элементы схемы, используемые при тренировке, имеют достаточно большую индуктивность (индуктивность проводов, служащих для подключения тренируемого вакуумного выключателя к источнику высокого напряжения, выводов и токопроводов изделий и т.д.). В момент пробоя через разрядный промежуток кратковременно идет разрядный ток. Вследствие малой длительности пробоя скорость изменения тока во времени di/dt имеет большое значение, а это ведет к возникновению в цепи ЭДС самоиндукции, значительно превышающей величину подаваемого при тренировке на межконтактный зазор тренировочного напряжения. Возникающие из-за ЭДС самоиндукции в цепи перенапряжения приводят к повторному пробою межконтактного зазора, так как в описанных выше способах не приняты меры по их предупреждению. Следствием этого является дополнительное интенсивное распыление материала электродов (контактов) за счет мощных пробоев от перенапряжений. Распыляемый при этом материал контактов частично осаждается на внутренней поверхности оболочки. Наличие на внутренней поверхности изоляционной оболочки металлической пленки распыления материала контактов повышенной толщины, за счет пробоев от перенапряжений, увеличивает токи утечки и нагрев изоляционной оболочки, а также способствует увеличению коэффициента вторичной эмиссии электронов, что является причиной возникновения вторично-электронного резонансного (или полифазного) разряда. В случае работы вакуумных выключателей с разомкнутыми контактами, особенно на высоких частотах, это в совокупности ведет к локальному проплавлению стеклянных или треску керамических оболочек и к снижению тем самым надежности работы и срока службы (долговечности) вакуумных выключателей.
Более эффективным решением по снижению распыления материала контактов в процессе тренировки является способ, описанный в [3]. Снижение распыления материала при тренировке высоким напряжением межконтактного зазора по этому способу достигнуто за счет ограничения мощности повторных пробоев, от возникающих перенапряжений в цепи после первичных пробоев путем подачи напряжения при тренировке одновременно на разомкнутые контакты, и параллельно включенный с ними срезающий разрядник, срабатывающий при достижении перенапряжений выше в 1,2…1,3 раза напряжения при тренировке.
Однако и этот способ, как и выше описанные, имеет существенный недостаток. По мере увеличения амплитуды импульса тренирующего напряжения возрастает мощность пробоев, которые из-за значительного газоотделения и образования большого количества паров материала контактов (электродов) в момент пробоя переходят в газовый разряд. В результате это ведет к интенсивному распылению материала электродов (контактов) и появлению эффекта «перетренировки» их поверхностей, что проявляется в резком снижении электрической прочности межконтактного зазора из-за существенного ухудшения микрорельефа поверхностей контактов вследствие мощных пробоев, повышению токов утечки и коэффициента вторичной электронной эмиссии электронов. В совокупности отмеченное снижает надежность и долговечность работы вакуумных выключателей при разомкнутых контактах.
Ближайшим аналогом является способ тренировки, включающий операции подачи на разомкнутые контакты импульсов напряжения разной полярности путем уменьшения плавно или ступенями зазора, при неизменном напряжении менее или равным номинальному рабочему напряжению, до момента возникновения между контактами электрических пробоев, выдержки при установленном зазоре до исчезновения прибоев и дальнейшего уменьшения зазора [4]. Проведение тренировки межконтактного зазора путем уменьшения плавно или ступенями зазора при неизменном напряжении, не превышающем номинального рабочего напряжения, позволяет вести всю тренировку при постоянной кинетической энергии электронов и тем самым несколько уменьшить распыление материала контактов. Однако и этот способ, наряду с описанными выше, не исключает появления мощных пробоев при тренировке, т.е. и в этом случае имеет сильное распыление материала контактов ввиду наличия мощных пробоев. Кроме того, такая тренировка высоким напряжением не применима в вакуумных выключателях, переключателях и реле, у которых из-за конструктивного исполнения нет возможности изменения межконтактного зазора, например, в вакуумных выключателях и переключателях со встроенной электромагнитной системой управления, в которых для движения подвижного контакта не используются сильфон или мембрана.
Таким образом, в рассмотренных выше способах тренировки межконтактного зазора высоким напряжением проблема существенного снижения распыления металла с поверхностей контактов при пробоях в процессе тренировки не нашла эффективного решения, т.е. не найдены эффективные пути повышения надежности и долговечности работы вакуумных выключателей при разомкнутых контактах.
В отличие от известного способа тренировки, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что с целью снижения распыления материала контактов и повышения тем самым электрической прочности и надежности работы при снижении потребления электрической энергии, на межконтактный зазор подают высокое напряжение постоянного тока ступенями, начиная с 0,3…0,5 рабочего напряжения, и одновременно создают вдоль направления зазора поле постоянного магнита, величину напряженности которого плавно повышают от нуля до момента установления предпробойного тока через межконтактный зазор порядка 0,6…0,8 от величины пробойного тока при испытательном напряжении, выдерживают межконтактный зазор, при установленном напряжении и величины напряженности магнитного поля, до момента снижения по крайней мере в 2…3 раза предпробойного тока от измеренного вначале на первой ступени тренировки, затем величину напряженности магнитного поля снижают до нуля, устанавливают следующую ступень тренирующего напряжения и вновь плавно повышают величину напряженности магнитного поля от нуля до момента достижения той же величины предпробойного тока через межконтактный зазор, которая имела место вначале на первой ступени тренировки, а далее указанный цикл повторяют на следующих ступенях тренировки, причем на последней ступени тренирующее напряжение устанавливают в 1,2…1,5 раза выше испытательного напряжения. Кроме того, процесс тренировки проводят при обратной полярности приложенного к зазору высокого напряжения и при обратной полярности приложенного магнитного поля.
Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ тренировки межконтактного зазора высоким напряжением отличается тем, что по предлагаемому способу тренировку ведут путем подачи на межконтактный зазор напряжения постоянного тока ступенями, начиная с 0,3…0,5 рабочего напряжения, и одновременно создают вдоль направления зазора поле постоянного магнита, величину напряженности которого плавно повышают от нуля до момента установления предпробойного тока через межконтактный зазор порядка 0,6…0,8 от величины пробойного тока при испытательном напряжении, выдерживают межконтактный зазор при установленном напряжении до снижения по крайней мере в 2…3 раза предпробойного тока от измеренного вначале на первой ступени тренировки, затем величину напряженности магнитного поля снижают до нуля, устанавливают следующую ступень тренирующего напряжения и вновь плавно повышают величину напряженности магнитного поля от нуля до момента достижения той же величины предпробойного тока через межконтактный зазор, которая имела место вначале на первой ступени тренировки, а далее указанный цикл повторяют на следующих ступенях тренировки, причем на последней ступени тренирующее напряжение устанавливают в 1,2…1,5 раза выше испытательного напряжения. Кроме того, процесс тренировки повторяют при обратной полярности приложенного к зазору высокого напряжения и обратного направления поля постоянного магнита.
Цель изобретения - снижение распыления материала контактов в процессе тренировки и повышение тем самым качества тренировки, надежности и срока службы вакуумных выключателей при работе их с разомкнутыми контактами.
Поставленная цель достигается путем подачи на полный межконтактный зазор напряжения постоянного тока ступенями, начиная с 0,3…0,5 рабочего напряжения, и одновременно создают вдоль направления зазора поле постоянного магнита, величину напряженности которого плавно повышают от нуля до момента установления предпробойного тока через межконтактный зазор порядка 0,6…0,8 от величины пробойного тока при испытательном напряжении, выдерживают межконтактный зазор при установленном напряжении до снижения по крайней мере в 2…3 раза предпробойного тока от измеренного на первой ступени тренировки, затем величину напряженности магнитного поля снижают до нуля, устанавливают следующую ступень тренирующего напряжения и вновь плавно повышают величину напряженности магнитного поля от нуля до момента достижения той же величины предпробойного тока через межконтактный зазор, которая имела место вначале на первой ступени тренировки, а далее указанный цикл повторяют на следующих ступенях тренировки, причем на последней ступени тренирующее напряжение устанавливают в 1,2…1,5 раза выше испытательного напряжения. Кроме того, тренировку проводят при обратной полярности приложенного к зазору высокого напряжения и при обратном направлении поля постоянного магнита.
Проведение тренировки межконтактного зазора путем подачи на межконтактный зазор напряжения постоянного тока ступенями, начиная с 0,3…0,5 номинального рабочего напряжения, и одновременно наложения вдоль направления зазора поля постоянного магнита, величину напряженности которого плавно повышают от нуля до момента установления предпробойного тока через межконтактный зазор порядка 0,6…0,8 от величины пробойного тока при испытательном напряжении, выдерживают межконтактный зазор при установленном напряжении до снижения предпробойного тока по крайней мере в 2…3 раза от измеренного вначале на первой ступени тренировки, затем величину напряженности магнитного поля снижают до нуля, устанавливают следующую ступень тренирующего напряжения и вновь плавно повышают величину напряженности магнитного поля от нуля до момента достижения той же величины предпробойного тока через межконтактный зазор, которая имела место вначале на первой ступени тренировки, а далее указанный цикл повторяют на следующих ступенях тренировки, причем на последней ступени тренирующее напряжение устанавливают в 1,2…1,5 раза выше испытательного напряжения, позволяет вести всю тренировку при существенно меньшей кинетической энергии электронов, бомбардирующих поверхности контактов, из-за значительного уменьшения величины тренирующего напряжения для достижения предпробойного тока через межконтактный зазор порядка 0,6…0,8 от величины пробойного тока при испытательном напряжении, т.е. тренировка является «мягкой», так как при такой тренировке полностью исключаются пробои, а поверхность контактов улучшается за счет сглаживания микронеровностей предпробойными токами, а не пробоями.
В связи с тем, что при тренировке по предлагаемому способу тренирующее напряжение существенно уменьшается, то этим самым полностью устраняются мощные пробои, имевшие место при тренировке по известным способам, что также снижает распыление материала контактов. Снижение распыления материалов контактов уменьшает вероятность возникновения вторично-электронного резонанса при работе высокочастотных вакуумных выключателей с разомкнутыми контактами и повышает тем самым надежность работы вакуумных выключателей. Кроме того, предотвращение мощных пробоев позволяет повысить качество тренировки, так как при этом исключается эффект "перетренировки" поверхностей контактов от указанных пробоев. Кроме того, смена полярности тренирующего напряжения и обратного направления поля постоянного магнита при тренировке обеспечивает одинаковую тренировку поверхностей обоих контактов вакуумного выключателя (переключателя), что способствует повышению надежности их работы при эксплуатации в номинальных режимах.
Тренировку согласно предлагаемому способу проводят в следующей последовательности.
Сначала на разомкнутые контакты подают первую ступень напряжения постоянного тока величиной 0,3…0,5 номинального рабочего напряжения и одновременно вдоль направления зазора создают поле постоянного магнита, величину напряженности которого плавно повышают от нуля до момента установления предпробойного тока через межконтактный зазор порядка 0,6…0,8 от величины пробойного тока при испытательном напряжении, выдерживают межконтактный зазор при установленном напряжении до снижения по крайней мере в 2…3 раза предпробойного тока от установленного вначале на первой ступени тренировки, затем величину напряженности магнитного поля снижают до нуля, а далее устанавливают следующую ступень тренирующего напряжения и вновь плавно повышают величину напряженности магнитного поля от нуля до момента достижения той же величины предпробойного тока через межконтактный зазор, которая имела место вначале на первой ступени тренировки, а далее указанный цикл повторяют на следующих ступенях тренировки, причем на последней ступени тренирующее напряжение устанавливают в 1,2…1,5 раза выше испытательного напряжения. Затем повторяют процесс тренировки при обратной полярности тренирующего напряжения и обратного направления поля постоянного магнита.
Использование предлагаемого способа тренировки межконтактного зазора обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Снижает распыление материала электродов и уменьшает тем самым вероятность возникновения вторично-электронного резонанса.
2. Исключает эффект «перетренировки» поверхностей контактов, что в совокупности с вышеизложенным позволяет повысить надежность работы и срок службы вакуумных выключателей при работе их с разомкнутыми контактами и обеспечивает повышение процента выхода годных.
3. Решает проблему тренировки выключателей (переключателей), у которых невозможно изменять межконтактный зазор при тренировке.
4. Снижает интенсивность и дозу «жесткого» рентгеновского излучения, повышает электробезопасность, что в совокупности оздоровляет условия труда.
5. Позволяет экономить электрическую энергию.
Источники информации
1. Попов Н.А и др. Вакуумная дугогасительная камера КДВак-5, Передовой научно-технический опыт, ГОСИНТИ, 1962. БИ №11.
2. Авторское свидетельство СССР №312316, кл. H01H 33/66. БИ №25, 1971.
3. Авторское свидетельство СССР №710081, кл. H01H 33/66. БИ №2, 1980.
4. Авторское свидетельство СССР №799038, кл. H01H 33/66. БИ №3, 1981.