Результаты ресурсных испытаний вакуумных дугогасительных камер полюса высоковольтного выключателя

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.316

В.В. Муллин, И.И. Сиберт РЕЗУЛЬТАТЫ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР ПОЛЮСА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Проанализировано состояние поверхностного слоя контактов двух последовательно включенных вакуумных дугогасительных камер после ресурсных испытаний. Проведено сравнение их состояния с состоянием поверхностного слоя контактов камеры другого типа, также прошедшей ресурсные испытания. Выявлен одинаковый характер оплавления рабочих поверхностей контактов камер вне зависимости от геометрии контактов, значений коммутируемого тока и числа циклов коммутации.

Вакуумная дугогасительная камера, контакт, коммутационный ресурс, оплавление

V.V. Mullin, I.I. Sybert LIFE TEST RESULTS FOR VACUUM INTERRUPTERS OPERATING IN HIGH-VOLTAGE CIRCUIT BREAKER POLE

Two vacuum interrupters in the series have been subjected to testing, and the surface of their contacts has been thoroughly examined. The obtained results are related to the vacuum interrupter of another type tested earlier. It has been established that the character of the work surface melting is not affected by the contact geometry, or load current or the number of switching operations.

Vacuum interrupter, contact, switching life, melting

В вакуумных дугогасительных камерах (ВДК) за счет механического замыкания и размыкания контактов в вакуумной среде осуществляется коммутация электрических цепей. Ресурс ВДК ограничивается потерей ее отключающей способности, при которой исключается повторный пробой вакуумного промежутка между расходящимися контактами при переходе тока через нуль. На эффективность отключения влияют процессы в вакуумной дуге, физическое состояние материала контактов в процессе отключения и величина напряжения цепи.

При увеличении напряжения коммутируемой цепи требуется увеличение зазора между контактами. Однако с увеличением зазора возникают затруднения с сохранением параметров дуги и состояния контактов, исключающего повторный пробой вакуумного промежутка. Поэтому при напряжениях свыше 100 кВ вместо одной ВДК с габаритами и зазором между контактами, рассчитанными на полное напряжение, в выключателе применяются конструкции полюса с соединенными последовательно несколькими ВДК с габаритами и межконтактными промежутками, рассчитанными на меньшее напряжение.

В таком полюсе ВДК соединяются шиной. Из-за образования емкости «шина-земля» эти ВДК будут работать в разных режимах, а следовательно, их контакты будут находиться в различных условиях. Очевидно, чем больше величина емкости «шина-земля» тем это различие будет больше. Существует два варианта построения полюса выключателя: с вертикальным и горизонтальным расположением ВДК. Известно, что при вертикальном расположении ВДК величина емкости «шина-земля» больше, чем при горизонтальном расположении. Однако при вертикальном расположении ВДК

упрощается конструкция полюса. Именно с таким расположением ВДК в качестве примера приведена конструкция полюса в монографии [1].

Ниже представлены результаты анализа состояния контактов ВДК типа КДВА-60-31,5/2000 в составе полюса выключателя на 110 кВ после ресурсных испытаний при токе короткого замыкания, равном 31,5 кА. В полюсе две камеры включены последовательно и расположены вертикально. Также проведено сравнение состояние контактов этих ВДК с состоянием контактов ВДК типа КДВА5-10-20/1600 после ресурсных испытаний при токе короткого замыкания, равном 20 кА [2]. Конструктивные данные этих ВДК приведены в табл. 1. Как видно, в ВДК КДВА5-10-20/1600 удельная токовая нагрузка контактов меньше. В ВДК КДВА-60-31,5/2000 контакты плоские, в ВДК КДВА5-10-20/1600 один контакт имеет выпуклую поверхность, а другой - вогнутую. В обеих камерах контакты выполнены из материала ХД-70, а в межконтактном промежутке при прохождении тока создается аксиальное магнитное поле.

Таблица 1

Конструктивные данные ВДК

Тип ВДК Диаметр контактов, мм Расстояние между контактами, мм

КДВА-60-31,5/2000 90 25-30

КДВА5-10-20/1600 45 6-8

При испытании* ВДК КДВА-60-31,5/2000 в составе полюса сначала выполнялось 15 операций «отключение», а затем 15 операций «включение-отключение». После испытаний износ контактов обоих камер одинаков и составляет 0,8-0,9 мм.

Анализ поверхности контактов обеих ВДК после коммутационных испытаний, а также структуры их поверхностного слоя не выявил существенных отличий. На рис. 1 приведена фотография рабочей поверхности одного из контактов. Как видно, рабочая поверхность контакта оплавлена, а на боковой поверхности имеются наплавления его материала. Последнее объясняется выдавливанием материала контактов, расплавляемого под действием дуги, которая загорается при их замыкании. Тем более, что замыкание происходит при дополнительном поджатии, равном 3000 Н. Выдавливанием расплавленного материала можно объяснить также износ контактов при испытании полюса.

На рис. 2 приведена фотография шлифа поверхностного слоя контакта ВДК после ресурсных испытаний. Видно, что результатом оплавление является образование вторичного слоя с измененной структурой. Как показал металлографический анализ, распределение глубины оплавления следующие:

- в средней части (около половины диаметра) она находится в пределах от 40-60 до 240-270 мкм;

- на остальной поверхности плоской части контакта - в пределах от 40-60 до 240-270 мкм;

- на участке перехода с плоской части поверхности контакта на боковую - до 90-180 мм.

Рис. 1. Фотография рабочей поверхности Рис. 2. Фотография шлифа поверхностного

контакта ВДК после ресурсных испытаний слоя контакта ВДК после ресурсных испытаний

Полученные результаты анализа показывают, что внешний вид оплавления, структура оплавленного слоя и глубина оплавления во многом идентичны с данными, полученными с ВДК КДВА5-10-20/1600 [2], несмотря на существенные различия в геометрии, значениях испытательных токов и напряжений, а также количестве циклов коммутаций. При проведении ресурсных испытаний ВДК КДВА5-10-20/1600 выполнено 170 циклов коммутации, в том числе 54 операций «включение-отключение». Эта идентичность позволяет сделать следующие выводы. Неоднородность глубины

* Испытания проводились в НИЦ ВВА (г. Москва). 130

оплавления, особенно заметная в местах перехода с плоской части поверхности контакта на боковую, обусловлена нарушением соосности и параллельности контактов. Наибольшие глубина оплавления и величины выбросов оплавленного материала на боковую поверхность соответствуют местам с наименьшим зазорам. По мере износа контактов происходит более плотное их соприкосновение и более равномерное воздействие дуги. На сферических контактах КДВА5-10-20/1600 неравномерность оплавления определялась еще геометрией контактов, что приводит к преобладанию износа на краях контакта и выражается в изменении кривизны сферы.

1. Сопоставимая величина максимальной глубины оплавления рабочих поверхностей обеих камер свидетельствует об идентичности структуры дуги и удельных тепловых нагрузках этих поверхностей. Глубина оплавления при одной и той же плотности тока определяется физическими свойствами материала контакта и структуры сформировавшегося под воздействием дуги вторичного переходного слоя. В ходе испытаний происходят одновременно процессы формирования вторичного слоя на границе с основным материалом контакта и его испарения с поверхности контакта. Во вторичном слое в связи с преимущественным испарением меди изменяется соотношение хром-медь, и структура хрома становится мелкозернистой.

2. Слоистая структура наплывов на боковых поверхностях обеих камер свидетельствует о том, что вытеснение расплавленного материала из рабочей зоны происходит в места с меньшим тепловым воздействием дуги. Большие наплывы на боковой поверхности контактов со сферической формой обусловлены различием циклов коммутации и более интенсивным износом краев контактов такой формы.

Однако сравнение состояния поверхностного слоя контактов ВДК, прошедших ресурсные испытания, выявило одно существенное отличие. Вдоль вторичного слоя контактов ВДК типа КДВ5А-10-20/1600 имелись трещины, поры и раковины. Таких нарушений во вторичном слое контактов ВДК типа КДВ А-60-31,5/2000 не обнаружено. По всей видимости, это объясняется тем, что число циклов коммутации при испытании ВДК типа КДВ А-60-31,5/2000 было меньше, чем при испытании ВДК типа КДВ5А-10-20/1600.

Таким образом, анализ состояния рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытания позволяет заключить, что в процессе работы ВДК в составе выключателя происходит оплавление этих поверхностей. Причем такое состояние рабочих поверхностей контактов ВДК не зависит от их геометрии, значений коммутируемых токов и количества циклов коммутации.

1. Slade P. G. The Vacuum Interrupter. Theory, Design und Application / P.G. Slade. CPC Press. 2008. 510 p.

2. Муллин В.В. Результаты ресурсных испытаний вакуумных дугогасительных камер со сферическими контактами / В.В. Муллин, А.А. Смирнов, И.И. Сиберт. Электротехника. 2007. № 7. С. 30-33.

ЛИТЕРАТУРА

Муллин Виктор Валентинович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Victor V Mullin -

Ph. D., Associate Professor Department of Electronic Engineering and Welding,

Gagarin Saratov State Technical University

Сиберт Иван Игнатьевич -

ведущий инженер ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов

Ivan I. Sibert -

Project Engineer,

JSC «NPP Kontakt», Saratov

Статья поступила в редакцию 14.09.12, принята к опубликованию 20.02.13