СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР (ВДК)
MANUFACTURING METHOD OF VACUUM ARC-EXTINGUISHING CHAMBERS (VEC)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технологии изготовления вакуумных дугогасительных камер (ВДК) для вакуумных выключателей на номинальное напряжение 110 кВ и выше.
Особенностью этих ВДК является то, что они имеют большие размеры. Так, внутренний диаметр корпуса ВДК на 110 кВ достигает 200 мм, а его высота 800 мм. Внутренний объем такой ВДК составляет около 25 л. В то время как ВДК в классе напряжения 10 кВ имеет внутренний объем 0,5-2 л.
В настоящее время изготовление ВДК на напряжение 110 кВ осуществляется с применением способа штенгельной откачки, который заключается в том, что вакуумирование внутреннего объема полностью собранной ВДК производится через медную откачную трубку (штенгель), которая соединена с вакуумным насосом. Для ускорения откачки и лучшего обезгаживания камера подвергается нагреву. После проведения обезгаживания и достижения предельного уровня вакуумирования осуществляется пережатие трубки (холодный отпай) и отделение ВДК от насоса. Эта технология использовалась для изготовления ВДК класса 10-35 кВ еще 30-40 лет назад. В настоящее время ВДК этого класса изготавливаются по бесштенгельному способу. Бесштенгельный способ заключается в проведении операций откачки внутреннего объема собранной из деталей или узлов ВДК и герметизации швов ее корпуса в вакуумной печи. Причем откачка и обезгаживание ВДК осуществляется через зазор или зазоры в швах незагерметизированного корпуса, а его герметизация происходит в результате плавления припоя предварительно, заложенного в этих швах, после того как температура в печи поднимается выше точки плавления припоя, а затем отвердение после снятия нагрева.
Преимущество бесштенгельного способа состоит в том, что возможна групповая (до 100 шт. ВДК и более) одновременная откачка и герметизация за одну загрузку в вакуумную печь, если она имеет достаточно большой объем. Известно большое число технических решений по бесштенгельному способу изготовления ВДК, например Патент СССР №938756 от 15.07.1977 г., Patent EP 0409047 от 23.01.1991 г., Patent US 5222651 от 29.06.1993 г., Patent US 8039771 от 18.10.2011 и другие.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ откачки и герметизации ВДК, предложенный в патенте Patent EP 0682351 от 15.11.1995 г.
-3
Этот способ заключается в том, что откачка и герметизация вакуумных дугогасительных камер осуществляется в вакуумной печи, причем вакуумные дугогасительные камеры собраны из предварительно спаянных первым припоем узлов и имеют один или несколько незапаянных между узлами швов, в которые заложен второй припой, имеющий более низкую, чем первый, температуру плавления, с последующими операциями: откачки объема печи, нагревом до температуры обезгаживания, выдержки при этой температуре в течение времени, необходимого для обезгаживания поверхностей ВДК, кратковременного нагрева и выдержки при температуре плавления второго припоя, заложенного в швы между узлами, снятия нагрева, герметизации швов после отвердения второго припоя и остывания печи. График нагрева и охлаждения печи показан на фиг.1. Температура обезгаживания обычно равна 650-750°C. Давление во время проведения обезгаживания и плавления припоя в печи не должно превышать 10 Па.
Недостаток этого способа для откачки и герметизации ВДК на напряжение 110 кВ, имеющих большой внутренний объем, состоит в следующем. Поскольку откачка происходит через щелевые отверстия незапаянных швов, то снижение давления внутри самих ВДК происходит медленно, так как проводимость этих отверстий при молекулярном режиме течения газа мала, а количество газа, находящегося во внутреннем объеме ВДК, велико. Если одновременно с этим происходит нагрев печи, то газовыделение приводит к еще большему замедлению процесса снижения давления внутри ВДК. При подъеме температуры свыше 100°C может начаться процесс окисления деталей внутри ВДК из меди и хрома в результате взаимодействия с остаточным газом, содержащим кислород. Контролировать давление непосредственно внутри ВДК, невозможно, поэтому невозможна и корректировка скорости нагрева печи.
Способ, предлагаемый в данной заявке, позволяет исключить этот недостаток и использовать бесштенгельную откачку и герметизацию для изготовления вакуумных дугогасительных камер на высокое напряжение (100 кВ и выше). От известного способа, в котором откачка и герметизация в объеме вакуумной печи вакуумных дугогасительных камер, собранных из предварительно спаянных первым припоем узлов и имеющих один или несколько незапаянных швов между этими узлами с заложенным в них вторым припоем с более, чем у первого припоя, низкой температурой плавления, и содержащего операции: откачки объема печи, нагрева до температуры обезгаживания, выдержки при этой температуре, кратковременного нагрева и выдержки при температуре плавления второго припоя в швах между узлами, снятия нагрева, герметизации швов и остывания печи, данный отличается тем, что после окончания операции откачки объема печи проводится дополнительная операция выдержки при температуре не более 100°C, длительностью, достаточной для откачки газа из внутреннего объема камер через незапаянные швы при температуре.
Необходимость введения дополнительной операции - выдержки для откачки газа из внутреннего объема ВДК при температуре не более 100°C - поясняется на следующем примере.
На фиг.2 изображена ВДК, которая собрана из трех узлов (количество может быть различным):
1 - узел корпуса камеры;
2 - узел подвижного контакта;
3 - узел неподвижного контакта.
Откачка камеры осуществляется через два шва между узлами, в которые заложен припой, имеющий более низкую температуру плавления, чем припой, который использовался при пайке узлов ВДК. Диаметр шва обозначен как D, высота щели шва - b, длина щели - l.
-2
-2
-3
Проведем оценку, за какое время произойдет снижение давления в ВДК от атмосферного, которое было в ней при загрузке в печь, до уровня 10 Па. Уровень 10 Па выбран в связи с тем, что при этом давлении не происходит окисление меди и хрома из-за низкой концентрации кислорода и может производиться нагрев до температуры плавления припоя. Считаем, что давление остаточного газа в самой вакуумной печи составляет 5·10 Па.
Изменение давления внутри ВДК описывается уравнением:
,
где Р - давление в ВДК;
n
P - давление в печи;
V - внутренний объем ВДК;
U - проводимость щелей между собранными узлами ВДК;
t - время.
Решение данного уравнения выглядит следующим образом:
,
0
0
где P - начальное давление внутри ВДК в момент времени t.
Известно, что проводимость отверстий и каналов в вакууме существенно зависит от режима течения газа. При молекулярном режиме течения газа проводимость в десятки и сотни раз меньше, чем при вязкостном и турбулентном режимах.
Известно, что молекулярный режим течения возникает, когда длина свободного пробега молекул газа становится соизмеримой с размерами сечения канала. Молекулярный режим течения наступает при выполнении следующего соотношения (Конструирование и расчет вакуумных систем. - Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А., М.: Энергия, 1979 г.)
ср
P·b≤0,02 [Па·м],
ср
где b - высота щели; P - среднее давление газа (воздух) в щели.
-4
При b=10 м (0,1 мм), находим, что
ср
ср
0
0
2
2
То есть при данной величине среднего давления в щели P наступает молекулярный режим течения газа, который характеризуется резким снижением проводимости щели и, следовательно, скорости откачки газа из внутреннего объема камеры. Давление в самой камере P=2 P=4·10 Па. Будем считать эту величину начальным значением давления P, т.е. P=4·10 Па.
Проводимость щелевого канала в молекулярном режиме определяется формулой (Конструирование и расчет вакуумных систем. - Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А., М.: Энергия, 1979 г.):
где b - высота щели;
a - ширина щели;
l - длина щели.
-3
-1
-2
Если принять, что b=0,1·10 м; a=πD=π·2·10 м = 0,628 м; l=10 м, то проводимость щели будет равна:
-2
3
2
-2
0
Учитывая, что внутренний объем камеры V=25 л=2,5·10 м, время снижения давления остаточного газа (воздуха) внутри ВДК, которое будет происходить в результате истечения через щель между собранными узлами, от начального значения P=4·10 Па до конечного P=1·10 Па будет равно
-3
Если же высота щели будет равна b=0,05·10 м, то время откачки возрастет до 57 мин.
Очевидно, чем больше высота щели между узлами, тем быстрее будет происходить откачка внутреннего объема ВДК. В то же время увеличение высоты щели приводит к снижению вероятности получения герметичного шва и неточному соединению. Оптимальная величина зазора между узлами для откачки внутреннего объема ВДК составляет 0,1-0,15 мм. При этом время, необходимое для откачки газа из объема ВДК, должно составлять от 15 до 45 минут. График нагрева печи с учетом дополнительной операции - выдержки для откачки газа из объема камеры через незапаянные швы при температуре не более 100°C представлен на фиг.3.
-2
При расчете времени откачки не учитывалось газовыделение с поверхностей деталей ВДК. После откачки основного количества газа из объема ВДК поток газовыделения с поверхности внутренних деталей становится основным фактором, определяющим величину давления. Скорость газовыделения зависит от температуры нагрева и времени обезгаживания. Поэтому в течение времени, когда происходит удаление газа из объема ВДК, температура нагрева должна быть ограничена. Как отмечалось выше, она не должна превышать 100°C. При более высокой температуре значительно возрастает скорость газовыделения и возможно окисление поверхностей деталей из меди и хрома. После завершения операции откачки газа из объема ВДК начинается операция подъема температуры печи до значения, при котором будет проводиться обезгаживание (650-750°C). При этом скорость подъема температуры должна быть такой, чтобы давление внутри ВДК не превышало 10 Па.
Давление Р внутри ВДК будет определяться по известной формуле:
P=Q/U,
где Q - суммарный поток газовыделения с внутренних деталей ВДК;
U - проводимость щелей между узлами ВДК.
При резком подъеме температуры и росте газовыделения давление внутри ВДК будет зависеть от проводимости щелей. График подъема температуры подбирается, исходя из размеров ВДК, чистоты подготовки деталей перед сборкой, величиной загрузки печи и других факторов. Остальные операции: выдержка для обезгаживания, кратковременный нагрев до температуры плавления второго припоя, снятие нагрева, герметизация швов, остывание печи - выполняются традиционным образом.
Предлагаемый способ откачки и герметизации ВДК в вакуумной печи с использованием дополнительной операции - выдержки с длительностью, достаточной для откачки газа из объема камер через незапаянные швы при температуре не более 100°C, позволяет применять бесштенгельную технологию для изготовления ВДК большого размера (на напряжение 110 кВ). При этом качество изготовления будет выше, так как обезгаживание проводится при более высокой температуре (650-750°C), чем при штенгельной технологии (400-450°C). Повышается также и производительность, так как возможна групповая обработка камер и совмещение операций сборки, откачки и герметизации.