автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Физические процессы в вакуумных дугогасительных камерах и технические решения их разработки, производства и эксплуатации

На правах рукописи

Муллин Виктор Валентинович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ИХ РАЗРАБОТКИ, ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат 2 3 СЕН

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов-2015

005562451

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Фурсаев Михаил Александрович

Официальные оппоненты: Лопин Михаил Иванович,

доктор технических наук, председатель научно-экспертного совета АО «НПП «Исток» имени Шокина А.И. (г. Фрязино Московской области),

Григорьев Юрий Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий сотрудник Саратовского филиала учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова,

Шеин Александр Георгиевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики Волгоградского государственного технического университета.

Ведущая организация: ОАО «Светлана» (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится «29» октября 2015 года в 13.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru.

Автореферат разослан « 3 » 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / Димитрюк Александр Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной технике коммутации электрических цепей переменного тока высокого напряжения нашли широкое применение вакуумные дугогасительные камеры (ВДК). Они являются исполнительными элементами коммутационной аппаратуры, применяемой во многих отраслях промышленности.

ВДК представляет собой, как правило, металлокерамическую конструкцию. В ее вакуумной полости при осуществлении механического замыкания и размыкания контактов загорается и гаснет дуга. Таким образом, средой, в которой происходит непосредственная коммутация электрической цепи, является вакуум.

Коммутационная аппаратура на базе ВДК имеет существенные преимущества перед однотипной аппаратурой, использующей другие среды (воздух, масло, элегаз). Применение ВДК обеспечивает компактность и простоту конструкции аппаратуры, ее малый вес и высокий коммутационный ресурс. ВДК не требует ухода в течение всего срока службы, поскольку ее контакты герметически защищены от внешних загрязнений, не требует специального оборудования, необходимого для поддержания нужного давления, как в газовых камерах. Процесс коммутации происходит практически бесшумно. Эти, а также другие достоинства аппаратуры на ВДК дают основание для прогноза дальнейшего развития и расширения применения этих камер.

Разработка ВДК и коммутационной аппаратуры на их основе активно ведется во многих странах, в том числе в Японии, Германии, Китае, США. Разработчиками и изготовителями этих изделий в России являются ВЭИ (г. Москва), «Таврида-Электрик» (г. Москва), «Контакт)) (г. Саратов), «Светлана» (г. С.-Петербург), «Вакуумная технология» (г. Рязань).

Большой вклад в развитие теории, конструировании и разработки ВДК на ее базе внесли Д. Лафферти, П. Слейд, М. Шульман, Г. Финк, Е. Даллини, X. Миллер, С. Янаби, В.И. Раховский, И.Г. Кесарев, Г.С. Белкин, Ю.Г. Ромоч-кин, И.А. Лукацкая, С.М. Школьник, A.M. Чалый и др. Особо следует отметить публикацию в 2008 году монографии П. Слейда, в которой обобщен опыт разработки и применения ВДК.

Наибольшее распространение получили ВДК, работающие в цепях переменного тока с напряжением до 52 кВ. При увеличении напряжения существенно усложняется конструкция ВДК и увеличивается стоимость. Кроме того, увеличивается уровень рентгеновского излучения. Поэтому коммутационная аппаратура на напряжение более 100 кВ строится при последовательном соединении ВДК, работающих при низком напряжении.

Расширение областей применения ВДК и аппаратуры, построенной на их основе, а также возрастающие требования к их эксплуатационным характеристикам обусловливают необходимость проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований. Эти исследования должны быть направлены в первую очередь на увеличение коммутационного ресурса и продвижение к большим токам и напряжениям. При исследовании должны учи-

тываться конструктивные особенности коммутационной аппаратуры, использующей ВДК, и специфика работы ВДК в составе этой аппаратуры, в том числе высоковольтной, где они включены последовательно. Кроме того, постоянным фактором является дальнейшее повышение эффективности производства ВДК.

Существенным аспектом исследований являются физические процессы в ВДК, а также при их производстве и эксплуатации. В связи с этим представляется важным проведение сравнения ВДК и электронных приборов, в частности СВЧ электронных приборов высокого уровня мощности, с точки зрения общности физических процессов, происходящих в них, и используемых конструктивно-технологических решений.

Изложенное выше определило актуальность настоящей работы и ее цель.

Целью диссертационной работы является исследование физических процессов, происходящих в ВДК, а также условий их работы в составе коммутационной аппаратуры, направленное на дальнейшее улучшение эксплуатационных характеристик, в том числе коммутационного ресурса ВДК и надежности работы ВДК в составе коммутационной аппаратуры.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Проведение сравнения физических процессов, происходящих в ВДК и СВЧ электронных приборах высокого уровня мощности.

2. Дальнейшее развитие представлений о физических процессах, определяющих влияния поперечного и аксиального магнитных полей на процессы в ВДК при токах короткого замыкания. Исследование движения носителей заряда в пространстве между контактами ВДК с поперечным магнитным полем при номинальном токе с учетом факторов, действующих в реальных условиях эксплуатации.

3. Проведение комплекса ресурсных испытаний ВДК и анализа состояния их контактов с целью уточнения представлений о развитии эрозионных процессов контактов, приводящих к потере отключающих свойств и ограничению коммутационного ресурса, а также износу контактов в процессе эксплуатации.

4. Исследование влияния состава коммутируемой цепи и значений параметров ее элементов на условия, в которых находится ВДК в процессе выполнения операции «отключение».

5. Создание методики определения распределения напряжения между ВДК при их последовательном соединении в составе аппаратуры в режиме холостого хода и проведение экспериментальной проверки ее применимости.

6. Разработка принципов конструирования полюсов высоковольтной коммутационной аппаратуры, использующих последовательное соединение ВДК и обеспечивающих надежность их работы.

7. Реализация результатов выполненных исследований при проектировании и промышленном выпуске высоковольтного выключателя на напряжение 110 кВ с последовательным соединением двух ВДК.

Итогом решения этих задач является получение новых научных результатов, из числа которых следует особо отметить следующие:

1. Впервые проведено моделирование траекторий электронов слаботочной вакуумной дуги и определены места бомбардировки ими рабочей поверхности контактов в ВДК с поперечным магнитным полем. При этом учитывались неоднородность магнитного поля в пространстве между контактами, его зависимость от времени, скорость изменения расстояния между контактами и величина фазы напряжения, при которой происходит их размыкание. Показано, что при номинальных токах в течение полупериода напряжения происходит изменение места контакта, бомбардируемого электронами. Теоретическая оценка условий, при которых происходит срыв горения дуги с ВДК с поперечным магнитным полем, подтверждена имеющимися экспериментальными данными.

2. Показана возможность использования статического приближения и замены неоднородного магнитного поля между контактами на однородное при определении траекторий электронов слаботочной дуги в ВДК с поперечным магнитным полем при отношении максимальной величины магнитной индукции к минимальной не более 1,75.

3. Обоснована определяющая роль в износе контактов ВДК в процессе эксплуатации эффекта механического выдавливания металла, расплавляемого под действием короткой дуги с рабочей поверхности контактов на боковую при их соприкосновении. В свою очередь, по мере износа контактов увеличивается интенсивность развития в них эрозионных процессов и сокращается коммутационный ресурс ВДК.

4. Дано объяснение экспериментальным данным, согласно которым изменение скорости перемещения столба вакуумной дуги в пространстве между контактами ВДК с поперечным магнитным полем в течение полупериода напряжения коммутируемой цепи происходит подобно тому, как изменяется мгновенное значение этого напряжения. Это связано с нелинейностью участка вольт-амперной характеристики дуги, где она пребывает в сжатой форме, которая близка к степенной функции.

5. Предложены методики определения параметров и частотного состава возвратного напряжения, действующего между контактами ВДК при выполнении операции «отключение», позволяющие выявить их зависимость от состава коммутируемой цепи, в том числе при наличии кабеля большой длины между источником напряжения и ВДК, а также от тока среза ВДК.

6. Предложена методика оценки распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК в составе аппаратуры при разомкнутых контактах и экспериментально подтверждена ее применимость. Показана эффективность применения этой методики при оценке использования емкостей, шунтирующих ВДК, с целью выравнивания распределения напряжения между ними.

7. Разработаны принципы и конструкция полюса высоковольтной коммутационной аппаратуры с последовательным соединением ВДК, обеспечивающие надежность их эксплуатации. Реализация этих принципов позволила

создать первый отечественный вакуумный двуразрывный трехфазный выключатель на номинальное напряжение 110 кВ, который освоен в серийном производстве и нашел широкое применение в электроэнергетике РФ.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается данными выполненного анализа физических процессов как в ВДК, так и в различных типах СВЧ электронных приборов, данными проведенных экспериментальных исследований с использованием аттестованного испытательного оборудования, многолетним опытом разработки и серийного производства этих изделий электровакуумной техники. Она также обеспечивается корректностью применения апробированных методов моделирования и расчета, использующих фундаментальные уравнения электроники и теории электрических цепей, аттестованных методик металловедческого анализа.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Предложенные математические модели, основанные на решении уравнений движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях, позволяют определить траектории электронов слаботочной дуги в ВДК с поперечным магнитным полем и место бомбардировки электроном рабочей поверхности контактов ВДК с учетом неоднородности магнитного поля в пространстве между контактами и его изменения во времени, скорости изменения расстояния между ними и величины фазы напряжения, при которой происходит размыкание контактов.

2. Использование статического приближения и пренебрежение неоднородностью магнитного поля между контактами при определении траекторий электронов слаботочной дуги в ВДК с поперечным магнитным полем и места бомбардировки электроном рабочей поверхности контактов ВДК возможно при отношении максимальной величины магнитной индукции к минимальной не более 1,75. При этом максимальная величина перемещения места бомбардировки анода электроном с фиксированной точки катода в течение полупериода напряжения составляет 1,57 расстояния между контактами.

3. Изменение скорости перемещения столба дуги в ВДК с поперечным магнитным полем в течение полупериода напряжения, происходящее подобно тому, как изменяется мгновенное значение этого напряжения объясняется нелинейностью участка вольт-амперной характеристики дуги, где она пребывает в сжатой форме, описываемой степенной функцией с величиной показателя степени более 1.

4. Физические процессы, происходящие в ВДК при непосредственном замыкании и размыкании контактов, являются основными факторами, формирующими необходимые условия, приводящие к ограничению ее коммутационного ресурса.

5. Износ контактов ВДК при эксплуатации главным образом определяется процессом механического выдавливания с их рабочей поверхности металла, расплавляемого под действием короткой дуги при непосредственном замыкании контактов. В результате имеет место ослабление силы поджатая, что увеличивает время горения дуги, повышает интенсивность эрозионных процессов и сокращает коммутационный ресурс.

6. Методики определения частотного состава возвратного напряжения, используемые для выбора состава коммутируемой цепи и значений ее параметров, в том числе с учетом наличия кабеля большой длины между источником напряжения и ВДК. При наличии такого кабеля в зависимости от величины фазы переменного напряжения, при которой происходит размыкание в цепи, минимальная величина отношения амплитуды возвратного напряжения к амплитуде переменного напряжения изменяется в пределах 2,04-2,7.

7. Методика прогнозирования работоспособности последовательно соединенных ВДК в составе высоковольтной коммутационной аппаратуры, в том числе при наличии шунтирующих емкостей, основанная на расчете распределения напряжения между ними, когда их контакты разомкнуты.

8. Конструкция полюса с последовательным включением ВДК и вертикальной установкой блоков, обеспечивающая надежность их работы в составе высоковольтного выключателя, и ее реализация при разработке первого отечественного трехфазного выключателя на напряжение 110 кВ.

Теоретическая значимость выполненных исследований заключается:

- в использовании для анализа физических процессов в ВДК уравнений движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях с учетом действующих в ВДК факторов, что позволяет расширить представления об этих процессах, происходящих в ВДК;

— в построении математических моделей, позволяющих определить характеристики возвратного напряжения, действующего между контактами ВДК при выполнении операции «отключение», а также их зависимость от состава и значений параметров элементов коммутируемой цепи и от тока среза ВДК.

Практическая значимость выполненных исследований:

1. Развитие представлений о процессе эрозии и износе контактов ВДК, а также о влиянии магнитного поля на состояние вакуумной дуги при коммутации токов короткого замыкания позволяет выработать направления по увеличению коммутационного ресурса этих изделий. Одним из них является разработка материала контактов и технологии его изготовления, обеспечивающих устойчивость к развитию механических дефектов под действием короткой дуги.

2. Предложенная методика оценки распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК может найти применение при решении вопросов разработки коммутируемой высоковольтной аппаратуры, в том числе при определении величины емкостей, шунтирующих ВДК с целью выравнивания распределения напряжения между ними.

3. Полученные технические решения по конструированию полюса с последовательным включением ВДК для выключателя на напряжение 110 кВ могут быть использованы при создании других видов высоковольтной коммутационной аппаратуры.

Результаты работы использованы при разработке ряда типов ВДК и выключателя на напряжение 110 кВ, а также в процессе их серийного производства на ОАО «НПП «Контакт» (г. Саратов).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006, 2010, 2012, 2014), XVII Congress «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electro-technologies» (Петербург, 2011), «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу» (Жуковский, 2011), «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов. 2012), «70 лет ФГУП «НИИ «Исток», Фрязино, 2013), 2nd International Conference on Electric Power Equipment, Япония, 2013), а также на заседаниях научно-технического совета ОАО «НПП «Контакт» и семинарах кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ. Автором диссертации опубликована 51 печатная работа, в том числе 20 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и две монографии. Получено пять патентов на изобретение и три патента на полезную модель.

Личный вклад автора. Разработка общей концепции диссертации и постановка задач исследований. Участие в разработке программы и методик исследований, в проведении расчетных, экспериментальных и конструктор-ско-технологических работ, а также при анализе их результатов. Руководство работами и непосредственное участие во внедрении результатов диссертации в производство.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа изложена на 257 страницах, содержит 84 рисунка. Список используемой литературы содержит 140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель, основные задачи исследования, определены новые научные результаты, полученные при выполнении этих исследований, а также их теоретическая и практическая значимость. Представлены сведения об апробации работы.

Первая глава содержит краткий обзор материалов, касающиеся основных свойств вакуумной дуги, особенностей ее проявления в ВДК и физических принципов работы ВДК при коммутации цепи переменного тока.

Вакуумная дуга, которая представляет собой плазменный разряд, горит между контактами ВДК в процессе выполнения операций «включение» и «выключение». Именно плазма определяет важные показатели ВДК, как коммутационная способность и коммутационный ресурс. Это позволяет считать ВДК не только изделием электровакуумной техники, но и изделием плазменной электроники, несмотря на то, что в отличие от традиционных приборов плазменной электроники в ВДК плазма формируется лишь в переходных режимах, когда происходит замыкание и размыкание контактов.

В ВДК дуга в основном существует в двух формах: диффузной и сжатой. В диффузной форме нейтральная плазма распределена равномерно между

контактами (за исключением узкого прикатодного слоя). В сжатой форме формируются «столбы», сгустки плазмы с резкими границами.

Во второй главе рассматриваются особенности физических процессов при работе ВДК в качестве ключа электрической цепи переменного тока. При этом сравниваются условия работы ВДК с условиями работы в ключевом режиме электронных и полупроводниковых приборов.

Основное внимание уделено анализу влияния состава коммутируемой цепи и величин параметров ее элементов на характер возвратного напряжения, действующего между контактами ВДК при выполнении операции отключения. Его наличие приводит не только к затягиванию процесса отключения, но и к потере ВДК отключающих свойств.

Рисунок 1 - Эквивалентная схема, на базе которой проводится анализ возвратного напряжения, действующего на ВДК при выполнении операции отключения

/

Исследование зависимости частотного состава возвратного напряжения и его параметров от величины тока среза в ВДК и параметров элементов коммутируемой цепи проведено с использованием аналитической модели на примере эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 1. В исследуемой цепи в отличие от цепи, рассмотренной в монографии Слейда, все реактивные элементы находятся в отключаемом участке цепи.

Ключом S в схеме рисунке 1 представляется ВДК, индуктивностью L -сумма индуктивностей элементов цепи, емкостью С - суммарная емкость элементов цепи на землю.

Моделирование проводится в два этапа. Вначале рассматривается стационарный режим при замкнутом ключе S, при котором определяется мгновенное значение тока, протекающего через ВДК в фиксированный момент времени t„:

i.(t) = Imscos (cat - а), (1)

где ImS = a/i^il -2IttiL ■1mcsinf\. + Imc , а = -arctg( Csc(pL + tgcpL),

mL

Ep o)L

ImL = 2 +0J2L2 > W = coCEo, q>L = arctg —,

где 1т1,, 1тс - амплитудные значения токов, протекающие через соответствующие элементы схемы рисунка 1, Е0- амплитуда ЭДС источника.

Значение этого тока, которое в дальнейшем полагается током среза, используется в составе начальных данных при рассмотрении на втором этапе переходного процесса, который наступает после размыкания ключа 8. При решении системы дифференциальных уравнений находится в явном виде зависимость возвратного напряжения (на ключе Б) от времени.

и50) - Е0СО5Ю(10 + г) - —

Юп

^ 1 Е0—со5^0-1гаь-соз(а*0-^)

• БШСй^ - е^'сОЗйЛ0СО5Ю01.

(2)

Р = я/2Ь, ®о=1/—

1 ^ ЬС 4Ь2

0.005 0,01 0.015 0.02

Рисунок 2 — Результаты расчета зависимости возвратного напряжения в цепи с эквивалентной схемой рисунка 1 от времени

На рисунке 2 приведена расчетная зависимость возвратного напряжения от времени при коммутации цепи с напряжением источника 1 кВ. Как видно, временная зависимость этого напряжения представляет собой сумму двух компонент. Частота одной их них совпадает с частотой источника ЭДС, частота второй, высокочастотной компоненты — с резонансной частотой со0 образующегося в цепи колебательного контура. Этот результат находит экспериментальное подтверждение. Другие результаты проведенного моделирования практически совпадают с данными в монографии Слейда. В частности, совпадают данные относительно линейного увеличения максимальной величины возвратного напряжения при увеличении тока среза.

Проведено исследование возвратного напряжения при наличии передающей линии между источником переменного напряжения и ВДК. Рассмотрен случай активной нагрузки, отсутствия активных потерь в линии

передачи и согласования этой линии как со стороны источника переменного напряжения, так и со стороны нагрузки. Проведена оценка нижней границы амплитуды возвратного напряжения как функции фазы переменного напряжения, при которой происходит размыкание в цепи, т.е. учтено явление среза тока в ВДК. Это определило необходимость численного решения телеграфных уравнений с использованием метода конечных разностей. Согласно проведенному анализу в зависимости от величины фазы переменного напряжения, при которой происходит размыкание в цепи, величина отношения амплитуды возвратного напряжения к амплитуде переменного напряжения изменяется в пределах 2,04 - 2,7.

Среди рассмотренных вопросов, касающихся величины сопротивления ВДК при замкнутых контактах, определяющей уровень потерь в ней энергии, разработана методика оценки величины переходного сопротивления (места соприкосновения контактов) и исследовано влияние ряда факторов на величину этого сопротивления, таких как геометрия контактов и величина контактного поджатая в составе аппаратуры.

Величина переходного сопротивления ВДК определяется как разность между измеренной величиной сопротивления ВДК при замкнутых контактах и расчетной величиной суммарного сопротивления элементов ее токо-провода. Возможность использования расчета при определении сопротивления спаянных между собой элементов токопровода подтверждена сравнением величин сопротивления отдельных элементов для ряда конструкций ВДК с экспериментальными данными. В таблице 1 приведены данные для трех типов выпускаемых серийно ВДК с различной конструкцией узлов контактов.

Таблица 1. Данные измерений сопротивления ВДК, расчета величин сопротивления их токопровода и переходного сопротивления

Тип ВДК Измеренные значения сопротивления ВДК, мкОм Расчетная величина сопротивления токопровода ВДК, мкОм Величина переходного сопротивления ВДК, мкОм

КДВА5-10-20/1600 22-30 18,2 3,8-11,8

КД ВХ4-10-20/1600 14-20 7,5 6,5-12,5

КДВА2-10-31,5/1600 15-21 12 3-9

Согласно проведенным исследованиям величина переходного сопротивления контактов может составлять до 60% от величины сопротивления ВДК в зависимости от ряда факторов, в том числе формы соприкасающихся поверхностей и величины контактного поджатая. Дано объяснение факту, что при сферических контактах эффективная площадь их соприкосновения значительно больше, чем при плоских контактах. Делается вывод, что при равных условиях в ВДК со сферическими контактами после выбора опти-

мальных допусков на радиусы сфер можно ожидать получения меньших величин переходного сопротивления, чем в камерах с плоскими контактами.

Третья глава посвящена уточнению последовательности развития эрозионных процессов контактов ВДК, приводящих к ограничению коммутационного ресурса, в частности при коммутации номинальных токов, а также исследованию процессов, способствующих износу контактов при эксплуатации. С этой целью проведены ресурсные испытания и анализ состояния контактов образцов серийно выпускаемых двух типов ВДК (КДВА5-10-20/1600 и КДВА-60-31,5/2000), прошедших эти испытания и сохранивших свою работоспособность. В обоих типах ВДК контакты выполнены из сплава хром-медь (из материала ХД-70) и используется аксиальное магнитное поле, при котором обеспечивается равномерная термическая нагрузка контактов при больших величинах тока дуги.

Комплекс испытаний включал:

- испытание при большом числе циклов коммутации тока короткого замыкания (число циклов операций «включение - отключение» - 55, число циклов операций «отключение» - 150, число испытуемых ВДК - 3);

- испытание при большом числе циклов коммутации номинального тока (число циклов операций «включение - отключение» - 42000, число испытуемых ВДК - 3);

- испытание при малом числе циклов коммутации тока короткого замыкания и при малом числе циклов коммутации (число циклов операций «отключение» - 15, число циклов операций «включение-отключение» - 15, число испытуемых ВДК - 2).

Рисунок 3 -Фотография контакта ВДК КДВА-60-31,5/2000 после ресурсных испытаний

Анализ не выявил отличий в состоянии рабочей поверхности контактов всех ВДК, прошедших испытания. Она была оплавлена, а на боковых поверхностях имеются наплавления. Для примера на рисунке 3 приведена фотография контакта ВДК КДВА-60-31,5/2000, на которой отчетливо видны

наплывы на боковой поверхности. Их образование объясняется выдавливанием материала контактов, расплавленного под действием дуги, которая загорается при их замыкании. Наплывы имеют слоистую структуру.

Металлографический анализ контактов всех ВДК, испытанных как при номинальном токе, так и при токе короткого замыкания, не выявил принципиальных отличий также и в структуре их поверхностного слоя. В результате оплавления в этом слое сформирована вторичная структура, отличная от исходной. В связи с преимущественным испарением меди во вторичной структуре изменяется соотношение хром-медь, и структура хрома становится мелкозернистой.

Важно отметить, что контакты ВДК, прошедших испытания при большом числе циклов коммутации как номинального тока, так и тока короткого замыкания, имеют механические дефекты в виде трещин, пор и раковин во вторичном слое. Контакты ВДК, прошедшие испытания при малом числе циклов коммутации тока короткого замыкания, таких механических дефектов не имеют. Образование механических дефектов, по всей видимости, связано с неоднородностью охлаждения расплава материала контакта после очередного окончания горения дуги. Они развиваются по мере увеличения циклов коммутации.

Проведенный анализ контактов ВДК после ресурсных испытаний позволил выработать следующие представления о развитии эрозионных процессов, приводящих к потере камерой отключающих способностей в процессе эксплуатации вне зависимости от величины коммутируемого тока.

На начальном этапе эксплуатации под действием короткой дуги, горящей при замыкании и размыкании контактов, происходит образование механических в поверхностном слое. По мере увеличения числа циклов коммутации число и размеры дефектов увеличиваются. Именно они, развиваясь постепенно, являются составляющей эрозионного процесса, приводящего с течением времени к ухудшению отвода тепла от поверхности контактов. В результате этого при выполнении операции отключения, когда изменение температуры контактов в течение горения дуги максимально, их температура достигает значения, при котором теряются отключающие свойства. Свидетельством того, что в образование механических дефектов большой вклад вносит короткая дуга, является наличие механических дефектов и наплывов расплавленного металла на боковых поверхностях контактов в ВДК, прошедших испытания при большом числе циклов коммутации номинальных токов.

Очевидно, интенсивность развития механических дефектов в контакте зависит от величины коммутируемого тока. При токах короткого замыкания этот процесс развивается намного интенсивнее. Кроме того, для достижения температуры поверхности контактов, при которой перестают проявляться отключающие свойства ВДК, при большей величине тока требуется меньшая степень разрушения поверхностного слоя. Этим объясняется существенно меньший (на два порядка) коммутационный ресурс ВДК при токе короткого замыкания по сравнению с номинальным током.

Из выработанных представлений о развитии эрозионных процессов в ВДК следует, что наличие во вторичном слое контактов механических дефектов является необходимым условием, приводящим к ограничению коммутационного ресурса ВДК. Роль эрозии контактов, связанной с образованием пятен на их рабочей поверхности, в ограничении ресурса ВДК, особенно при номинальных токах, незначительна. В связи с этим к комплексу требований, предъявляемых к материалам, используемым в контактах, добавляется еще одно: они должны быть устойчивы к развитию механических дефектов под действием короткой дуги. Таким образом, одним из направлений решения проблемы увеличения коммутационного ресурса ВДК должны быть поиск материалов и разработка технологии их производства, обеспечивающие это требование.

При выполнении операций включения и отключения термическая нагрузка контактов кратковременная. На основании этого проводится аналогия между условиями термической нагрузки контактов ВДК и электродов импульсных электронных приборов высокого уровня мощности, подверженных электронной бомбардировке.

Из анализа состояния контактов ВДК, прошедших ресурсные испытания, следует также заключение, что выдавливание расплавленного металла с рабочей поверхности контактов на боковую при их замыкании является еще одним фактором, способствующим износу контактов ВДК при эксплуатации наряду с уносом металла с катодных и анодных пятен. Выдавливание расплавленного металла можно считать основной причиной износа контактов, поскольку при замыкании контактов выдавливается и тот металл, который в виде капель и паров с катодных и анодных пятен осаждается на рабочей поверхности контактов.

Выработанные представления о развитии эрозионных процессов позволяют заключить, что износ контактов способствует увеличению скорости их развития, а следовательно сокращает коммутационный ресурс ВДК. Это связано с тем, что при износе увеличивается расстояние между разведенными контактами, вследствие чего происходит ослабление силы поджатая. В результате с учетом явления дребезга при замыкании контактов увеличивается время горения короткой дуги, которой определяется образование в их вторичном слое механических дефектов.

В четвертой главе развиваются представления о физических процессах с участием магнитного поля, обеспечивающих равномерное распределение тепловой нагрузки на рабочей поверхности контактов ВДК при больших значениях тока дуги, что способствует увеличению ресурса при коммутации токов короткого замыкания.

Различают ВДК с поперечным магнитным полем (ВДК ПМП) и аксиальным магнитным полем (ВДК АМП). Под действием поперечного магнитного поля происходит перемещение столба дуги, что приводит к распределению тепловой нагрузки по рабочей поверхности контакта. Под действием аксиального магнитного поля происходит увеличение значения тока,

при котором дуга пребывает в диффузной форме, и обеспечивается равномерное распределение тепловой нагрузки по рабочей поверхности контакта,

В монографии Слейда при интерпретации процессов в ВДК АМП, способствующих увеличению величины тока дуги, при которой сохраняется диффузная форма дуги, не учитывается ее пребывание в состоянии, когда у анода формируется область с малой концентрацией ионов. Такое состояние дуги, как подтверждено экспериментом, является необходимым условием для ее перехода в сжатую форму.

Согласно представлениям, развитым в работе, область с малой концентрацией ионов у анода создается из-за того, что часть ионов дуги, поставляемых катодными пятнами, при больших токах не достигают анода. Аксиальное магнитное поле в ВДК оказывает фокусирующие действие на ионы, имеющие радиальную компоненту скорости и покидающие пространство между контактами, вследствие чего они возвращаются в это пространство. В результате обеспечивается нейтральность плазмы в пространстве вблизи анода и сохраняется диффузная форма дуги. Следовательно, действие аксиального магнитного поля в ВДК аналогично фокусирующему действию магнитного поля на электронный поток в приборах О-типа.

В работе дано объяснение имеющимся экспериментальным данным относительно соответствия между изменением скорости перемещения столба вакуумной дуги в пространстве между контактами ВДК ПМП в течение полупериода напряжения и изменением мгновенного значения самого напряжения. При этом используется представление столба дуги в виде проводника тока, совершающего в соответствии с законом Ампера движение при наличии поперечного магнитного поля. На носители заряда в столбе дуги действуют скрещенные электрическое и магнитное поля. В этих условиях они под действием силы Лоренца приобретают азимутальную скорость, с которой и происходит угловое перемещение столба дуги.

Магнитное поле в ВДК образуется за счет протекания тока дуги по индукторам в конструкции контактов. Поэтому мгновенное значение магнитной индукции, пропорциональное мгновенному значению тока дуги, изменяется, как напряжение между контактами. Мгновенное значение напряженности электрического поля, действующее на носители заряда столба дуги, изменяется во времени, так же как и это напряжение. Следовательно, изменение скорости перемещения столба дуги в течение полупериода напряжения определяется зависимостью динамического сопротивления сжатой дуги от напряжения между контактами, т.е. ходом вольт-амперной характеристики дуги в той ее части, где дуга пребывает в сжатой форме.

Адекватность развитых представлений подтверждается данными на рисунке 4, на котором приведена расчетная зависимость скорости перемещения столба дуги в течение полупериода переменного напряжения, полученная на их основе. Величина скорости нормирована к максимальной ее величине, которую приобретает столб, когда между контактами действует амплитудное значение напряжения. Величина показателя степени при ап-

проксимации степенной функцией участка вольт-амперной характеристики сжатой дуги принималась равной 3. Точками отмечены данные эксперимента, полученные Слейдом с использованием высокоскоростной фотосъемки.

V

1 V-»тах

/ / Л Ф.град

> \

30 60 90 120 150

Рисунок 4 - Расчетные и экспериментальные (точки) значения относительной скорости перемещения столба дуги под действием поперечного магнитного поля в течение полупериода напряжения

В пятой главе проводится анализ траекторий электронов в ВДК ПМП при номинальном токе, одним из результатов которого является обоснование факта перемещения места бомбардировки электроном рабочей поверхности контакта в течение полупериода напряжения.

При анализе полагается, что при слаботочной дуге диффузной формы «ионы и электроны перемещаются, почти не взаимодействуя между собой» (Слейд). Электрическое поле между контактами, за исключением узкого прикатодного слоя, однородно. Катодом считается внешняя граница прика-тодного слоя. Учитывается изменение величины магнитной индукции между контактами. Используются двухмерное приближение и система уравнений движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях. С учетом системы координат, приведенной на рисунке 5, она имеет вид

у = пЕ(0-пВ(у,1)х, ^ =ПВ (у, 0у,

_ е

где Л — ~, е и ш - заряд и масса электрона,

Еф = иат/с15т(й* + ф0), В(уИ) = Вт(у) зт(«Л + ф0),

а ияш и Вт(у) - амплитудные значения анодного напряжения и магнитной индукции, (3 - расстояние между электродами, ф0 - фаза напряжения, при которой электрон покидает катод. Изменение индукции магнитного поля в пространстве между анодом и катодом описывается соотношением

Вшах и В0 - максимальная и минимальная величины индукции.

анод

///////'У//'"////

Те Т

Т

©

л

в

ЪГ7777777Т77777777--*'

X >

катод

Рисунок 5 - Система координат, в которой решается задача движения электрона между контактами ВДКПМП

Решение уравнений движения при неоднородном магнитном поле требует применения численных методов. Они решались с использованием метода Рунге-Кутта IV порядка точности при предположении, что электроны покидают катод с нулевой скоростью.

На рисунке 6 проведено сравнение траекторий электронов между контактами ВДК ПМП, рассчитанных для случая однородного магнитного поля и с учетом изменения поперечной компоненты магнитной индукции в пространстве между контактами. При этом полагалось, что расстояние между ними <1 = 16 мм, а амплитудное значение напряжения иат = 50 В.

Рисунок 6 — Траектории электронов между контактами ВДК ПМП, рассчитанные для однородного (I) и неоднородного (2) магнитного поля

Сравнение проведено для электронов, которые покидают катод в момент действия амплитудного значения напряжения, и для случая, соответствующего критическому режиму, при котором уменьшение электрического поля или увеличение магнитной индукции приводят к тому, что электроны не могут достигнуть анода, следствием чего является срыв дуги.

им

20

Траектория 1 соответствует магнитному полю с величиной поперечной компоненты индукции, равной 0,0015 Тл, траектория 2 соответствует неоднородному магнитному полю, при котором отношение минимального к максимальному значению поперечной компоненты магнитной индукции равно Вта1/В0 = 2.58 (В0 = 0,0009 Тл и Вта1 = 0,00241 Тл). Как видно, неоднородность магнитного поля приводит к некоторому искажению траектории электрона от идеальной циклоиды. Весьма существенно она проявляется в изменении продольной координаты вершины циклоиды, т.е. места попадания электрона на анод. При уменьшении неоднородности разница между продольными координатами этого места при однородном и неоднородном магнитном поле уменьшается. Так, если при отношении ВП1М/В0 = 2,58 разница составляет 18,1%, то при отношении Вта/В0 = 1,64 оно составляет 10,9%.

На электроны, покидающие катод в фазах, отличающихся от 90°, будут действовать величины напряжения и магнитной индукции, меньшие амплитудных значений. Вследствие этого разность между продольными координатами места попадания электрона на анод при неоднородном и однородном магнитном поле будет уменьшаться. Так, относительное изменение величины этой разности между для электронов, покидающих катод в фазе 60°, обусловленное неоднородностью магнитного поля (при Втах/В0 = 2,58), составляет 3,1%, адля электрона, покидающего катод в фазе 45°, составляет 1,4%.

Проведенный анализ позволил заключить, что при определении траекторий движения электронов между контактами ВДК и места бомбардировки электроном анода при диффузной форме дуги неоднородность магнитного поля можно не учитывать, если величина отношения Втах/В0 не превышает 1,75. Анализ также показал, что при решении этих задач можно использовать статическое приближение. Его использование и пренебрежение неоднородностью магнитного поля позволяют упростить определение траекторий электронов и места бомбардировки ими анода в ВДК ПМП с учетом реальных условий эксплуатации, в том числе изменения расстояния между контактами.

На базе такого подхода эти задачи решались с учетом изменения расстояния между контактами при их размыкании, скорости изменения расстояния между ними, а также значения фазы напряжения, при котором начинается размыкание. Их решение сводилось к построению траекторий при использовании уравнений движения электрона, преобразованных к виду

Ах <ац1 - зто)^

У

(, е , В^т2^ 0ц1 = эгсоб 1--ау —-

соГ[1=агсоБ1--с!у—^=-

ц ^ ш и у {4>

где Дх - разность между продольными координатами начала и окончания движения электрона. С их использованием, в частности, показано, что мак-

симальная величина перемещения места бомбардировки анода электроном с фиксированной точки катода в течение полупериода напряжения составляет 1,57 расстояния между контактами и достигается лишь электронами, покидающими катод при максимальном значении мгновенного напряжения, когда контакты полностью разведены.

Рисунок 7 -Траектории электронов в ВДК, покидающих катод при различных фазах напряжения и расстояниях между электродами 1 - со! = 45°, <1 = 8 мм; 2 - со! = 67,5°, <1= 12 мм; 3-со1 = 90®, 16 мм; 4-оз1 = 112,5°, (1 = 16 мм; 5-аИ = 135°, а= 16 мм; 6 - <о/ = 155,5°, а = 16 мм

На рисунке 7 приведены результаты расчета траекторий электронов при величинах напряжения 50 В и магнитной индукции 0,00149 Тл, расстояние между разведенными контактами - 16 мм.

Рисунок 8 — Перемещение места бомбардировки анода электронами с фиксированной точки катода в течение полупериода напряжения

Величина магнитной индукции выбрана с учетом обеспечения режима, в котором при этих значениях расстояния между контактами и напряжения

электрон, покидающий катод при фазе 0,5л подводимого напряжения, достигает анода на вершине циклоиды. Рассмотрен случай, когда фаза напряжения, соответствующая началу размыкания контактов, rat = 0; скорость размыкания контактов такова, что к концу первой четверти периода напряжения расстояние между контактами достигнет 16 мм; во второй четверти периода расстояние между контактами не изменяется. Точками отмечены продольные координаты мест анода, бомбардируемых соответствующими электронами.

На рисунке 8 представлены расчетные данные относительно перемещения места бомбардировки анода электронами с фиксированной точки катода в течение полупериода напряжения для трех случаев. Зависимость 1 соответствует данным, представленным на рисунке 7. Зависимость 2 соответствует случаю, когда размыкание контактов начинается при фазе cot = 0, а скорость раздвижения контактов такова, что расстояние между ними, равное 16 мм, достигается к концу полупериода напряжения. Зависимость 3 соответствует случаю, когда размыкание контактов начинается при фазе (Ot = 0,25л, а скорость раздвижения контактов такая же, как в случае зависимости 1.

Из проведенного анализа следует, что в ВДК ПМП за счет действия магнитного поля происходит перемещение места бомбардировки контакта, выполняющего функцию анода, в течение полупериода напряжения не только при сжатой форме дуги, но при существовании ее в диффузной форме. Интервал перемещения этого места зависит от фазы напряжения, при которой начинается раздвижение контактов, и от скорости их разведения. Ширина этого интервала при диффузной форме дуги существенно меньше, чем при сжатой форме. Тем не менее сам факт перемещения места бомбардировки электроном анода во времени при диффузной форме дуги является дополнительным фактором, способствующим снижению удельной тепловой нагрузки контактов при коммутации номинальных токов.

Шестая глава посвящена вопросам использования ВДК при их последовательном соединении в составе коммутационной высоковольтной аппаратуры. Основное внимание уделено рассмотрению двух вопросов: распределению напряжения между последовательно соединенными ВДК при разомкнутых контактах и разработки конструкции полюса, элемента аппаратуры, которой обеспечиваются необходимые условия работы ВДК. Эти вопросы рассматриваются на примере применения ВДК в разработанном трехфазном выключателе на напряжение 110 кВ.

Одним из условий надежной работы выключателя, в котором ВДК соединены последовательно, является обеспечение электрической прочности ВДК при разомкнутых контактах, что предполагает равномерное распределения напряжения между ними. Такое распределение напряжения практически не выполняется, поскольку их соединение в полюсе осуществляется шиной, наличие которой обусловливает появление емкости «шина-земля».

Для выравнивания распределения напряжения между ВДК параллельно каждой из них часто подключаются емкости. Поэтому важно проведение оценки распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК при разомкнутых контактах, а также влияния на это распределение шунтирующих емкостей.

Для решения этих задач предложена методика, основой которой является эквивалентная схема, приведенная на рисунке 9. В этой схеме Хвдю и Хвдк-2 - емкостные сопротивления ВДК при разомкнутых контактах с учетом шунтирующих их емкостей, Хш - сопротивление емкости «шина-земля», 7н = Ян + ]ХН - сопротивление нагрузки.

X

ВДК1

»ВДК2

0-

1

2Н

-2Н

Рисунок 9 - Эквивалентная схема для определения распределения напряжения между ВДК с разомкнутыми контактами в составе полюса выключателя

Отношение падений напряжений между ВДК определяется как

"10,5

Ц, _ ХвДК!

^ВДКг

| | ХВДК2

X,

X

\2

ш у

(5)

где знак «минус» соответствует нагрузке с индуктивнои компонентой сопротивления, а знак «плюс» - с емкостной.

Адекватность предложенной методики подтверждена экспериментальными данными, полученными при измерении емкостей ВДК и «шина-земля», а также напряжений на ВДК в составе полюсов разработанного трехфазного выпрямителя, что следует из таблицы 2. Расчет проводился с использованием значения отношения емкостных сопротивлений ВДК и шина-земля, равного 0,68, усредненного по результатам измерений.

Таблица 2 - Экспериментальные и расчетные данные относительно распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК с разомкнутыми контактами

Распределение напряжения между ВДК Данные эксперимента, % Данные расчета, %

Ближайшая к источнику напряжения 68-75 71,1

Ближайшая к нагрузке 25-32 28,9

Рисунок 10 - Зависимости величин напряжения, приложенного к ВДК а) с разомкнутыми контактами в составе полюса, от отношения Лд/Лш для двух значений отношения Хвд^Хщ (1 -Хвдк/Хш = 1; 2 -Хвдк/Хш=0,5) приХн = О б) с разомкнутыми контактами и шунтируемыми конденсаторами в составе полюса, от отношения Хс/Хш для трех значений отношения Нц/Хш (1 - Пн'Хш = 0; 2- Нц/Хш = /;.?- П„/Хш = 2;) и при ХИ/Х„, = О

На рисунке 10 в качестве примера приведены данные расчета по соотношению (5). В этом соотношении при оценке влияния шунтирующих емкостей на распределение напряжения между последовательно соединенными ВДК сопротивления Хвдк заменяются на Хс, сопротивления параллельного соединения ВДК с разомкнутыми контактами и шунтирующей ее емкости.

Схема конструкции полюса разработанного выключателя приведена на рисунке 11. Полюс состоит из двух вертикально установленных блоков. ВДК крепится в верхней части каждого блока, а нижняя его часть является изолятором. Внутри изолятора проходит шток, приводящий в движение контакты ВДК. Выбор варианта конструкции с вертикальным расположением блоков определялся, в частности, тем, что при горизонтальном расположении штоки, приводящие в движение контакты ВДК, также расположены горизонтально. При таком их расположении создается консольная система, при которой может нарушаться параллельность соприкасающихся контактов при их замыкании, а тем самым увеличивается величина сопротивления ВДК при замкнутых контактах.

Рисунок II —Схема конструкции полюса выключателя

В блоке ВДК (5 на рисунке 11) расположены так, что сверху находятся фланцы неподвижного контакта, к которому подведены шины (3) для подключения коммутируемой цепи. Фланцы подвижных контактов ВДК через гибкий токопровод (6) соединены шиной (7), обеспечивающей их последовательное включение. Механическую прочность конструкции блока обеспечивает эпоксифенольный цилиндр (2), к которому крепятся ВДК и шины. Пространство между ВДК и цилиндром для дополнительной изоляции заполняется виниполом (4). Шток механизма переключения проходит через отверстие в шине, соединяющей две ВДК полюса. Внешняя изоляция блока (1) выполнена кремнийорганической резиной.

Описанная конструкция полюса реализована при разработке трехфазного выключателя на напряжение 110 кВ (ВБП-110 111 УХЛ1), который является первым отечественным двухразрывным выключателем на напряжение более 100 кВ. Его общий вид приведен на рисунке 12. В выключателе используется ВДК КДВА-60-31,5/2000, разработанная ГУП «ВЭИ» (г. Москва) совместно с ОАО «НПП «Контакт» (г. Саратов). Она является первой отечественной камерой на напряжение 60 кВ.

Основными составляющими выключателя, на конструкцию которого получен патент на полезную модель, являются три полюса, механизм переключения, с помощью штоков которого осуществляются замыкание и размыкание контактов ВДК, и привод. В механизме переключения предусмотрены элементы подстройки, регулировка которых обеспечивает синхронность процессов замыкания и размыкания в шести ВДК. Этим достигается идентичность режимов их работы, что является необходимым условием получения высоких показателей в части коммутационного ресурса выключателя, использующего последовательное соединение ВДК.

Рисунок 12 - Общий вид разработанного трехфазного выключателя на напряжение 110 кВ

Выключатель характеризуется следующими параметрами:

- номинальное напряжение - 110 кВ;

- наибольшее рабочее напряжение - 126 кВ;

- номинальный ток - 2000 А;

- номинальный ток отключения - 31,5 кА;

- электрическое сопротивление каждого полюса - не более 80 мкОм;

- ресурс по коммутационной стойкости при номинальном токе (циклов «включение - отключение») - не менее 10000;

- ресурс по коммутационной стойкости при номин&тьном токе отключения (при токе короткого замыкания нагрузки): операций «отключение» не менее 25, из них операций «включение-отключение» - не менее 13.

Проведенные испытания подтвердили коммутационный ресурс полюса разработанной конструкции. Разработанный выключатель освоен в серийном производстве. Его промышленный выпуск осуществляется с 2010 года. Выпускаемые выключатели входят в состав высоковольтных подстанций, расположенных во всех климатических районах России, в том числе в Якутии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведена аналогия фокусирующего действия аксиального магнитного поля в ВДК и в СВЧ электронных приборах О-типа, а также выполнено сравнение действие поперечного магнитного поля в ВДК и в СВЧ электронных приборов М-типа, позволившие обосновать возможность применения уравнений движения для описания переноса носителей заряда в ВДК.

2. Построены математические модели для определения траекторий электронов слаботочной дуги в ВДК ПМП и мест бомбардировки ими рабочей поверхности их контактов. Модели, использующие решения уравнения движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях, позволяют учитывать неоднородность магнитного поля в пространстве между контактами, скорость изменения расстояния между ними и значение фазы напряжения, при которой происходит размыкание контактов.

3. Проведено моделирование, которое показало, что при номинальных токах в ВДК ПМП в течение полупериода напряжения происходит изменение места контакта, бомбардируемого электроном. Получена теоретическая оценка условий, при которых происходит срыв горения дуги в такой ВДК, согласующаяся с экспериментом. Показана возможность использования статического приближения и замены неоднородного магнитного поля между контактами однородным при определении траекторий электронов слаботочной дуги в ВДК ПМП при отношении максимальной величины магнитной индукции к минимальной не более 1,75.

4. Дано объяснение экспериментальным данным, согласно которым изменение скорости перемещения столба вакуумной дуги в пространстве между контактами ВДК ПМП в течение полупериода напряжения происходит подобно тому, как изменяется мгновенное значение этого напряжения. Это связано с нелинейностью участка вольт-амперной характеристики дуги, где она пребывает в сжатой форме, которая близка к степенной функции.

5. Развиты представления относительно влияния аксиального магнитного поля на процессы в ВДК, препятствующие образованию у анода области с малой концентрацией ионов и, следовательно, способствующие сохранению диффузной формы дуги при больших величинах токах. Согласно этим представлениям оно оказывает фокусирующее действие непосредственно на ионы дуги с радиальной компонентой скорости, возвращая их в пространство между контактами, что обеспечивает нейтральность плазмы у анода при увеличении тока, необходимую для сохранения пребывания дуги в диффузной форме.

6. Проведен комплекс ресурсных испытаний ВДК и последующий анализ состояния их контактов с целью уточнения механизма эрозионных процессов, приводящих к ограничению коммутационного ресурса и износу контактов.

7. Определена последовательность развития эрозионных процессов в ВДК, приводящих к ограничению коммутационного ресурса. Она заключа-

ется в том, что под действием короткой дуги, которая загорается в моменты непосредственного замыкания и размыкания контактов, в их вторичном слое развиваются механические дефекты. По мере их развития из-за ухудшения отвода тепла достигается предельная температура рабочей поверхности контактов, при которой ВДК теряет отключающие свойства.

Развитие этих дефектов происходит вне зависимости от величины коммутируемого тока. Поскольку при номинальных токах их развитие происходит с меньшей скоростью, при коммутации таких токов ВДК обладает существенно большим ресурсом по сравнению с ресурсом при коммутации токов короткого замыкания.

8. Обоснована определяющая роль в износе контактов ВДК при эксплуатации процесса выдавливания расплавленного под действием короткой дуги металла с рабочей поверхности контактов на боковую при их соприкосновении. В свою очередь, из-за износа контактов увеличивается интенсивность развития в них эрозионных процессов и сокращается коммутационный ресурс.

9. Предложена методика оценки сопротивления элементов токопровода ВДК, в том числе величины переходного сопротивления контактов. Ее применимость обосновывается полученными данными измерений величин сопротивления ВДК, выпускаемых серийно. Показано, что величина переходного сопротивления может составлять до 60% от величины сопротивления ВДК при замкнутых контактах в зависимости от ряда факторов, в том числе от формы соприкасающихся поверхностей контактов и величины контактного поджатая.

10. Предложены методики, использующие аналитические и численные модели, для определения параметров и частотного состава возвратного напряжения, действующего между контактами ВДК при выполнении операции отключения, и их зависимость от состава коммутируемой цепи, в том числе при наличии кабеля большой длины между источником напряжения и ВДК, а также от тока среза ВДК.

Показано, что возвратное напряжение в общем случае представляет собой набор компонент, частота одной из которых совпадает с частотой сети. Высокочастотные компоненты в этом напряжении присутствуют, если цепь содержит реактивные элементы с индуктивным и емкостным сопротивлениями. При наличии длинной линии между ВДК и источником напряжения минимальная величина отношения амплитуды возвратного напряжения к амплитуде напряжения сети, получаемая при согласованной нагрузке, находится в пределах 2,04 - 2,7 и увеличивается при увеличении фазы напряжения сети до 90°, при которой осуществляется операция отключения.

11. Предложена методика оценки распределения напряжения между последовательно соединенными ВДК при разомкнутых контактах в составе высоковольтной аппаратуры. Методика использует модель, базирующуюся на эквивалентной схеме, в которой учитывается наличие емкости между

шиной, соединяющей ВДК, и «землей». Адекватность модели подтверждена экспериментом.

Показана зависимость распределения напряжения между такими ВДК от величин их емкости при разомкнутых контактах, емкости «шина-земля» и сопротивления нагрузки. Обоснована возможность использования предложенной методики и полученных соотношений для оценки эффективности применения емкостей, шунтирующих ВДК, с целью выравнивания распределения напряжения между ними при их последовательном соединении.

12. Разработана конструкция полюса с последовательным соединением ВДК для выключателя на напряжение 110 кВ. Полюс состоит из двух вертикально расположенных блоков, каждый из которых имеет собственный изолятор и содержит ВДК. Последовательное соединение ВДК блоков в полюсе осуществляется шиной через их подвижные контакты. Используемая в нем ВДК КДВА-60-31,5/2000 на напряжение 60 кВ, разработанная ГУП «ВЭИ» (г. Москва) совместно с ОАО «НПП «Контакт» (г. Саратов), является первой отечественной ВДК на такое напряжение. Экспериментально подтверждено обеспечение коммутационного ресурса разработанной конструкции полюса.

13. Разработан первый отечественный двухразрывный трехфазный выключатель ВБП-110 111 УХЛ1 на напряжение 110 кВ, в котором используется последовательное соединение ВДК (ОАО «НПП «Контакт»), Его параметры:

- номинальный ток — 2000 А;

- номинальный ток отключения - 31,5 кА;

- коммутационный ресурс при номинальном токе не менее 10000;

- коммутационный ресурс при токе короткого замыкания - не менее 25.

Выключатель освоен в серийном производстве (ОАО «НПП «Контакт»), Его промышленный выпуск осуществляется с 2010 года и успешно эксплуатируется в высоковольтных подстанциях, расположенных во всех климатических районах России, в том числе и в Якутии.

Таким образом, в диссертации представлены результаты исследования физических процессов как в самих ВДК, так и сопутствующих при их эксплуатации, а также результаты реализации ряда выработанных технических решений в обеспечении решения научной проблемы увеличения коммутационного ресурса ВДК и повышения надежности их работы в составе высоковольтной аппаратуры. Совокупность полученных в ней результатов позволяет заключить, что решена крупная народно-хозяйственная задача по дальнейшему развитию энергетической базы нашей страны.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Муллин В.В. Анализ влияния поперечного магнитного поля в вакуумных дугогасительных камерах / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 4. Вып. 3. С. 137-144.

2. Муллин B.B. Технология производства мощных СВЧ приборов и вакуумных дугогасительных камер / В.В. Муллин // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2006. Вып. 2. С. 69-72.

3. Муллин В.В. Опыт по переводу вакуумных дугогасительных камер на бесштенгельную откачку / В.И. Воронин, В.В. Муллин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. № 1. Вып. 3. С. 101-104.

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

5. Муллин В.В. Развитие эрозионных процессов в контактах вакуумных дугогасительных камер / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Вакуумная техника и технология. Т. 19. 2009. № 1. С. 21-24.

6. Муллин В.В. Износ контактов вакуумных дугогасительных камер в про-цессе эксплуатации / В.В. Муллин // Вакуумная техника и технология. Т. 20. 2010. № 1.С. 23-26.

7. Муллин В.В. Экспериментальное исследование переходного сопротивления вакуумных дугогасительных камер / В.В. Муллин // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2010. Вып. 3. С. 34-36.

8. Муллин В.В. Простая математическая модель расчета возвратного напряжения вакуумных дугогасительных камер как функция тока отсечки /

B.В. Муллин // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2010. Вып. 3.

C. 19-24.

9. Муллин В.В. Особенности переходных процессов в «длинной линии» в точке разрыва / В.В. Муллин, A.C. Розов, Б.Н. Максименко, В.Б. Байбурин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 3 (51). С. 52-55.

10. Муллин В.В. Факторы, ограничивающие коммутационный ресурс двухступенчатого вакуумного выключателя / В.В. Муллин // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2011. Вып. 3. С. 73-75.

11. Муллин В.В. Анализ траекторий в вакуумных дугогасительных камерах при разрыве контактов / В.Б. Байбурин, В.В. Муллин, A.C. Розов // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2012. Вып. 1. С. 25-29.

12. Муллин В.В. Аналитическое решение уравнения движения зарядов в скрещенных полях при больших амплитудах /В.Б. Байбурин, В.В. Муллин, A.C. Розов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 1. Вып. 1. С. 32-36.

13. Муллин В.В. Оценка скорости перемещения дуги в вакуумных дугогасительных камерах с поперечным магнитным полем / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 2. Вып. 2. С. 135-137.

14. Муллин В.В. Аксиальное магнитное поле и коммутационный ресурс вакуумной дугогасительной камеры / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2012. Вып. 4. С. 55-58.

15. Муллин В.В. Разработка выключателей на напряжение более 100 кВ, использующих вакуумные дугогасительные камеры / В.В Муллин, М.А. Фурсаев // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу. 2012. №4. С. 58-61.

16. Муллин В.В. Оценка величин токов в вакуумных дугогасительных камерах полюса высоковольтного выключателя / Е.В. Мазеев, В.В. Муллин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. №3(67). Вып. 1.С. 34-37.

17. Муллин В.В. Трехфазный выключатель на напряжение 110 кВ ! В.В. Муллин, Г.В. Крылов // Электротехника. 2013. № 7. С. 36-39.

18. Муллин В.В. Результаты ресурсных испытаний вакуумных дугогасительных камер полюса высоковольтного выключателя / В.В. Муллин, И.И. Сиберт // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. № 1 (69). Вып. 1. С. 49-51.

19. Муллин В.В. Распределение напряжения между вакуумными дуго-гасительными камерами, соединенными последовательно / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2014. № 2 (75). Вып. 1. С. 42-46.

20. Муллин В.В. Моделирование траекторий электронов в вакуумной дугогасительной камере с поперечным магнитным полем при диффузной форме дуги / В.Б. Байбурин, В.В. Муллин, А.С. Розов, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2014. № 4 (77). С. 35-38.

Издания, входящие в базу цитирования Scopus

21. Mullin V.V. Vacuum technology as basis for production vacuum circuit / V.V. Mullin // International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2006. Pp. 417-420.

22. Mullin V.V. Prospects of application of vacuum switch electronic devices in power electronics / V.I. Perevodchikov, P.M. Statkov, T.M. Truhafchev, V.N. Shapenko, A.L. Shapiro, A.V. Scherbakov, V.V. Mullin // International Conference of Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2006. Pp. 417-420.

23. Mullin V.V. Test result dealing with contact resistance in vacuum interrupters / V.V. Mullin // International Conference of Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2010. Pp. 154-157.

24. Mullin V.V. Some features of the processes circuit breaker based on vacuum interrupter chamber / V.V. Mullin, A.S. Rosov // International Conference of Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2012. Pp. 20-22.

25. Mullin V.V. Transverse magnetic field as a factor defining arc motion speed in vacuum interrupters / V.V. Mullin, M.A. Fursaev // International Conference of Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2012. Pp. 391-395.

26. Mullin V.V. The spatial nonuniformity of transverse magnetic field and trajectories of electrons in a vacuum arc quenching chamber by the diffuse form arc / V.B. Bayburin, V.V. Mullin. A.S. Rosov, M.A. Fursaev // International Conference of Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2014. Pp. 318-323.

27. Mullin V.V. A method for detecting of voltage distribution among vacuum interrupters in circuit brealer / V.V. Mullin, M.A, Fursaev // International Conference of Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2014. Pp. 323-328.

Монографии

28. Муллин B.B. Вакуумные дугогасительные камеры / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев. Саратов: СГТУ, 2009. 84 с.

29. Муллин В.В. Пути повышения долговечности и эмиссионной способности катодов и КСУ в ЭВП СВЧ / И.П. Мельникова, В.В. Муллин, Д.А. Усанов. Саратов: СГУ, 2011. 202 с.

Патенты

30. Пат. на изобретение №2390067. Способ тренировки вакуумных ду-гогасительных камер высокого напряжения / Белкин Г.С., Муллин В.В., Ро-гинский А.С., Рожин М.А., Ромочкин Ю.Г., Сиберт И.И., Хабибуллин И.А. Заявка № 2008120090. Приоритет- 20 мая 2008 г.

31. Пат. RU №2293394Н 01 j 9/94. Способ изготовления металлопори-стых катодов из вольфрамового порошка / Мельникова И.П., Муллин В.В., Найденов Г.П., Семенов В.К. и др. Заявка № 2005114813/09. Приоритет -10.02. 2007.

32. Пат. RU №2297068Н 01 j 9/94. Способ изготовления металлопори-стых катодов из вольфрамового порошка / Мельникова И.П., Муллин В.В., Найденов Г.П., Семенов В.К. и др. Заявка № 2005114812/09. Приоритет -10.02. 2007.

33. Пат. RU №2293395Н 01 j 9/94. Способ изготовления метаплопори-стых катодов из вольфрамового порошка / Мельникова И.П., Усанов Д.А., Муллин В.В., Найденов Г.П. и др. Заявка № 2005114811/09. Приоритет -10.04. 2007.

34. Пат. RU №2369935Н С2 01 Н 1/02. Способ изготовления электрических контактов на основе хрома и меди / Мельникова И.П., Муллин В.В., Найденов Г.П., Семенов В.К. и др. Заявка № 2007131837/09. Приоритет -10.04. 2007.

35. Пат. на полезную модель № 112500. Высоковольтный вакуумный выключатель / Чайка В.Д., Муллин В.В., Крылов Г.В., Басов В.Г., Ивинский А.С., Непомнящий А.Я., Сиберт И.И., Хабибуллин И.А. Заявка № 2011139756. Приоритет - 29 сентября 2011 г.

36. Пат. на полезную модель №112503. Широкополосный клистрон / Царев В.А., Ширшин В.И., Муллин В.В., Семенов В.К., Пичугин П.А. Заявка № 2011135989. Приоритет-29 августа 2011 г.

37. Пат. на полезную модель №121958. Вакуумная дугогасительная камера / Белкин Г.С., Рожин М.А., Ромочкин Ю.Г., Мулл и н В.В., Рогинский

A.C., Сиберт И.И. Заявка №201218091. Приоритет-05 июля 2012 г.

Публикации в научных сборниках и других изданиях

38. Муллин В.В. Проблемы улучшения эксплуатационных показателей вакуумных дугогасительных камер / В.В. Муллин // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2006. С. 58-62.

39. Муллин В.В. Вакуумная дугогасительная камера как изделие электровакуумной техники / В.В. Муллин, И.И. Сиберт, М.А. Фурсаев // Электронная промышленность. 2006. № 2. С. 69-72.

40. Муллин В.В. Вакуумная дугогасительная камера как элемент ключевой схемы / В.В. Муллин // Электронная и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы: матер, науч.-техн. конф. Саратов: СГУ, 2007. Вып. 2. С. 118-120.

41. Муллин В.В. Особенности регенерации вакуумных дугогасительных камер / В.В. Муллин, И.И. Сиберт, М.А. Фурсаев // Радиотехника и связь: матер, науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2007. С. 70-74.

42. Муллин В.В. Анализ работы вакуумной дугогасительной камеры как коммутационного устройства высоковольтной цепи / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Вопросы электроэнергетики: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ 2007 С. 70-74.

43. Муллин В.В. Эрозия контактов вакуумных дугогасительных камер и электродов импульсных электронных приборов / В.В. Муллин, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Сара-тов:СГТУ, 2008. С. 67-69.

44. Муллин В.В. Анализ возможности улучшения структуры и свойств композиционного контактного Cr-Cu материала путем изменения морфологии частиц исходного порошка хрома / И.П. Мельникова, В.В. Муллин, Г.П. Найденов, Д.А. Усанов и др. // Электрические контакты и электроды: труды Института металловедения HAH Украины. Сер. Композиционные, слоистые и градиентные материалы и покрытия. Киев, 2008. С. 32-33.

45. Муллин В.В. Некоторые проблемы развития высоковольтных ВДК /

B.В. Муллин // Электронная и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы: матер, науч.-техн. конф. Вып. 3. Саратов: СГУ 2009. С. 56-59.

46. Муллин В.В. Нелинейные режимы вакуумных дугогасительных камер (ВДК) в системах силовой электроники / В.В. Муллин, В.Б. Байбурин,

A.C. Розов // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности: матер. Междунар. науч-практ. конф. Саратов: СГТУ, 2014. С. 214.

47. Муллин В.В. Расчет траекторий зарядов в дуговом пучке ВДК /

B.В. Муллин, В.Б. Байбурин, A.C. Розов // Логистика и экономика ресурсо-

сбережения и энергосбережения в промышленности: матер. Междунар. науч-практ. конф. Саратов: СГТУ, 2014. С. 214-216.

48. Mullin V. 110 kV three-phase circuit breaker / V. Mullin, G. Kiylov // XV11 Congress «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies». Proc. of the Congress. St. Petersburg, 2012, P. 134-137.

49. Муллин B.B. Высоковольтные вакуумные выключатели и перспективы их развития / В.В. Муллин, Г.В. Крылов // СВЧ-электроника, 70 лет развития: тез. докл. науч.-техн. конф., посвященной 70-летию ФГУП «НИИ «Исток». 2013. С. 53.

50. Mullin V.V. 110 kV three-phase circuit breaker / V.V. Mullin, G.V. Krylov // Electric Power Equipment - Switching Technology. 2nd International Conference. 2013. Pp. 1-3.

51. Муллин B.B. Исследование спектра возвратного напряжения вакуумной дугогасительной камеры при выполнении операции отключения / В.В. Муллин, Б.Н. Максименко, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2013. С. 43-50.

Подписано в печать 06.07.15 Формат 60><84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 2,0 Уч.-изд. л. 1,8

Тираж 100 экз. Заказ 81 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru