ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 1, с. 98-104
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.387.35
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ УПРАВЛЯЕМОГО ВАКУУМНОГО РАЗРЯДНИКА
© 2010 г. Д. Ф. Алфёров, П. К. Козмиди, В. А. Сидоров
Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина Россия, 111250, Москва, Красноказарменная ул., 12
Поступила в редакцию 26.05.2009 г.
Приводятся результаты статистического исследования электрической прочности управляемого вакуумного разрядника РВУ с дисковой электродной системой. Электрическая прочность разрядника измерялась после коммутации токов амплитудой 3.5 кА промышленной частоты. Определена зависимость напряжений пробоя РВУ от межэлектродного расстояния. Показано, что испытанный образец РВУ при увеличении межэлектродного расстояния до 20—25 мм может послужить основой для разработки высоковольтных РВУ, предназначенных для использования в электроэнергетике в составе коммутирующих и защитных устройств в сетях промышленной частоты с номинальным напряжением 35 кВ.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с интенсивным развитием электроимпульсных технологий и необходимостью совершенствования коммутационных и защитных аппаратов в электроэнергетике представляется перспективным использовать для этих целей управляемые вакуумные разрядники (РВУ) [1, 2]. Одним из таких применений является создание аппаратов с управляемым временем коммутации на основе комбинации РВУ с высоковольтными вакуумными выключателями, способными быстро подключать реактивную нагрузку к сети без заметных бросков тока [3]. Другим не менее важным применением РВУ является создание быстродействующих устройств защиты электротехнического оборудования от перенапряжений и токовых перегрузок [4].
Существующие РВУ коммутируют токи до сотен килоампер при рабочем напряжении до 50 кВ. Для применения в сетях переменного тока они соответствуют классу напряжений 10 кВ. Для использования РВУ в сетях более высокого напряжения необходимо повысить их электрическую прочность. Максимальное рабочее напряжение определяется статистическими свойствами пробоя вакуумного промежутка и может быть увеличено путем последовательного соединения нескольких вакуумных промежутков [5]. С другой стороны, увеличение числа последовательно соединенных разрядников приводит к удорожанию и усложнению конструкции высоковольтного коммутирующего устройства, так как необходимо обеспечить надежный поджиг всех разрядников. Поэтому задача повышения электрической проч-
ности одного вакуумного промежутка сохраняет свою актуальность.
Очевидно, что для обеспечения надежной работы сильноточных вакуумных коммутирующих устройств важно знать возможные минимальные напряжения пробоя при большом числе (~104) коммутаций. Математическая модель, описывающая электрическую прочность кондиционированных вакуумных промежутков, изложена в работе [6]. В ней показано, что вероятность пробоя может быть описана распределением Вейбулла. Аналогичные результаты получены в работе [7], в ней показано, что электрическая прочность вакуумных дугогасительных камер зависит от режима коммутации, и статистические свойства напряжений пробоя подчиняются закону Вейбулла для всех исследуемых режимов.
В [8] исследовалась электрическая прочность сильноточного вакуумного управляемого разрядника РВУ-43 со стержневой электродной системой. Возможность повышения электрической прочности такой электродной системы ограничена из-за большого числа (шести) вакуумных промежутков, включенных параллельно. Более высокой электрической прочностью обладает вакуумный промежуток с плоской дисковой электродной системой. Для повышения его коммутационной способности следует использовать электродные системы, создающие в межэлектродном промежутке собственное магнитное поле со значительными аксиальной и радиальной составляющими. Аналогичные конструкции используются в контактных системах сильноточных вакуумных дуго-гасительных камер [9].
4 6 1 7 2 5 3
Рис. 1. Конструкция РВУ. 1, 2 — дисковые электроды, 3 — корпус, 4 — экранная система, 5 — сильфон, 6 — управляющий электрод, 7 — диэлектрическая вставка.
их = 0-5 кВ
и*
ДП
(У) РВУ (кВ
гл
и2 = 0-100 кВ
-АЛЛ-
=±= С2
я
я
я
2
ш
Рис. 2. Схема испытательного стенда. ДП — датчик проб.
В настоящей работе выполнены статистические исследования электрической прочности РВУ с дисковой электродной системой в зависимости от расстояния между электродами.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Объектом исследований являлся РВУ-81, электродная система которого выполнена из композиционного материала Сг—Си (50% Сг) в виде двух дисковых электродов 1 и 2 (рис. 1) с 0внеш 55 мм. Электродная система размещена в герметичном керамическом корпусе 3. Экранная система 4 защищает внутреннюю поверхность корпуса от металлического пара, образующегося при эрозии электродов под действием дуги. Расстояние между электродами изменялось путем перемещения электрода 2, токоввод которого соединен с корпусом 3 через сильфон 5. В центре неподвижного электрода 1 установлен управляющий электрод 6, отделенный от основного электрода диэлектри-
ческой вставкой 7. Расстояние й между рабочими поверхностями основных электродов изменяли в диапазоне 1—20 мм. Для повышения электрической прочности внешней изоляции РВУ все металлические части корпуса залиты кремнийорга-ническим компаундом.
Исследования проводились на импульсном стенде, состоящем из двух частей: сильноточной и высоковольтной (рис. 2). Сильноточная часть импульсного стенда состоит из батареи конденсаторов С1 = 2.4 мФ на максимальное напряжение 5 кВ и реактора с Ь1 = 3.4 мГн. Собственная частота разрядного контура равна 50 Гц. Высоковольтная часть испытательного стенда состоит из высоковольтного испытательного трансформатора Тр (ИОМ 100/25), к вторичной обмотке которого присоединена емкость С2 = 1 нФ через ограничительное сопротивление Я0 = 50 кОм. Напряжение первого пробоя РВУ измерялось при подаче переменного (50 Гц) напряжения от испытательного трансформатора. Регистрация пробоев осуществлялась датчиком пробоев ДП. В момент пробоя
10 мс :.....:.... i_i.... :.....:.
75 кВ ::
. :
р!
Рис. 3. Осциллограмма напряжения при пробое на отрицательной полуволне (С = 5 мм).
регистрировалась форма напряжения на РВУ, что позволило определить полярность напряжения пробоя.
Сильноточный стенд служит для генерации в РВУ импульсного тока с амплитудой Im ~3.5 кА. В каждом цикле измерений осуществлялось пять коммутаций тока, после чего прикладывалось высоковольтное напряжение. Напряжение в течение 1 мин поднималось до пробоя. Такая методика позволила исключить возможность кондиционирования электродов РВУ при высоковольтных измерениях на высоковольтной части испытательного стенда и считать пробои как независимые события. Включение РВУ осуществлялось с помощью схемы поджига, формирующей ток инициирующего разряда в форме затухающей синусоиды амплитудой ~300 А и периодом 23 мкс.
Ток основного разряда I измеряли с помощью низкоомного шунта Rm = 1.1 мОм, ток поджига измеряли с помощью пояса Роговского с чувствительностью 115 А/В, а напряжение U на разряднике измеряли омическим делителем R1, R2 (коэффициент деления 7560). Электрические сигналы регистрировали с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS3000B.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
В момент каждого пробоя регистрировали форму напряжения на РВУ, что позволило определить полярность напряжения пробоя. Типичная осциллограмма напряжения при пробое на отрицательной полуволне приведена на рис. 3.
Было проведено пять циклов измерений при межэлектродном зазоре d = 1.8 мм, 3.5 мм, 5 мм, 10 мм и 15 мм. Из результатов экспериментов следует, что число пробоев при положительной полярности напряжения значительно превышает число пробоев при отрицательной полярности. Это свидетельствует о существенном влиянии узла поджига на электрическую прочность внутренней изоляции исследуемого разрядника.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Порядковый номер пробоя, N
Рис. 4. Хронологическая последовательность напряжений пробоя.
Для иллюстрации стохастического характера изменения напряжения пробоя на рис. 4 представлены в хронологической последовательности напряжения пробоя разрядника при С = 10 мм.
Статистическая обработка данных измерений проводилась согласно методике [8]. Выполнен статистический анализ данных измерений первого пробоя РВУ. Для описания экспериментальной функции распределения пробоя РВУ использовалось двухпараметрическое распределение Вей-булла [10]
F(td) = 1 - exp
U
(1)
где а — параметр масштаба, Ь — параметр формы. Параметр а определяет напряжение пробоя РВУ, соответствующее вероятности ¥ = 0.63, а параметр Ь определяет форму распределения. Эти параметры определяют математическое ожидание ц и дисперсию а2
ц = a Г( 1 / b + 1 ),
а2 = a2[Г(2/b + 1 ) - Г2( 1 /b + 1 )],
(2)
где Г(х) — табулированная у-функция.
Относительный разброс времени задержки включения td определяется коэффициентом вариации у = а/ц.
Результаты обработки представлены на вей-булловской координатной сетке (рис. 5). Здесь совокупности точек 1—4 представляют эмпирические распределения вероятности пробоя разрядника при значениях межэлектродного зазора С = = 1.8 мм, 5 мм, 10 мм и 15 мм соответственно. Там же построены аппроксимирующие экспериментальные данные прямые 1—4, изображающие двухпараметрические вейбулловские функции распределения (1).
Вероятность, F
0.995 0.98 0.95
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
0.3 0.2
0.1
0.05 0.04 0.03 0.02
0.01
3/ /
о
30
50
70
90
110 130 150
и, кВ
Рис. 5. Распределение вероятности пробоя внутренней изоляции РВУ при различных значениях межэлектродного зазора:
1 2 3 4
А, мм 1.8 5 10 15
а, кВ 54 79.7 108.84 123.9
Ь 4.8 6.6 8.7 8.9
a, кВ 150 г
100
50
6 8 10 12
Рис. 6. Зависимость а = f(d).
14 16 А, мм
Значения параметров вейбулловского распределения а, Ь и среднеквадратического отклонения а для различных значений зазора А представлены в табл.1.
На рис. 6 показана эмпирическая зависимость параметра масштаба а от зазора d.
Данная зависимость удовлетворительно описывается выражением
а = 43.2 • А039. (3)
Воспользовавши
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.