Исследование электрической прочности коммутаторов РВУ-43, РВУ-53 и их модификаций

Сильноточные управляемые вакуумные разрядники применяются в качестве коммутирующих элементов при создании генераторов импульсных токов вплоть до нескольких мегаампер. Особый класс занимают отпаянные управляемые вакуумные разрядники, разрабатываемые с 80-х годов прошлого века в ВЭИ. Они достаточно компактны o100−140 мм, h=200 мм, при весе 2−7 кг; имеют достаточно высоковольтную область применения — вплоть до 40−50 кВ, пропускают токи до 500 кА и обладают ресурсом срабатывания от десятков до сотен тысяч включений в зависимости от коммутируемой мощности.

У вакуумных разрядников есть определенные положительные качества: отсутствие накальных цепей (в противоположность тиратронам), и как следствие постоянная готовность к работе, вакуум внутри разрядника позволяет использовать РВУ в приборах при наличии радиационных полей. Эти достоинства вакуумных разрядников позволяют успешно использовать их в прикладных задачах при создании быстродействующих сильноточных систем автоматики.

Развитие импульсных технологий и электроэнергетики предъявляет жесткие и противоречивые требования к коммутирующим устройствам, которые являются одним из важнейших узлов любой энергетической установки: коммутатор должен пропускать большие импульсные токи (до сотен килоампер), выдерживать высокое напряжение (до 100 кВ) и при этом быть надежным, долговечным и обеспечивать экономическую эффективность технологии.

Примером использования может служить ГИН (генератор импульсного напряжения) (рис. 1.1.). Принцип создания генераторов основан на относительно медленном накоплении энергии в первичном накопителе с последующим быстрым ее разрядом. Используются для получения большой импульсной мощности, т. е. для получения больших импульсов тока ускоренных частиц. Наибольший ток и удельную мощность можно получить, применив, например, в качестве первичного накопителя конденсаторы (генератор Маркса), время удержания которых составляет по порядку величины минуты, а плотность энергии достигает ~105 Дж/м3. Типичные параметры ГИН-ов: энергозапас ~1 МДж, выходное напряжение ~1 МВ, длительность импульса 10−1-102 мкс.

Рис 1.1. Принципиальная схема ГИН

Вторым, но не по распространенности, примером использования является применение РВУ в релейной защите (РЗ). Релейная защита — комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Принцип использования заключается в том, что при обнаружение предельных значений тока и угрозе короткого замыкания (КЗ) ток отводится от основной цепи шунтирующим включением коммутаторов. Отключение происходит за микросекунды и обеспечивает снижение уровня тока в защищаемой цепи и уменьшает уровень восстанавливающегося напряжения на разрыве сетевого выключателя. Пример приведен на рис. 1.2 с сайта института ВЭИ АВИС.

Высоковольтный быстродействующий коммутатор (ВБК) подключается параллельно основной цепи из группы защищаемых выключателей. Сами коммутаторы внутри ВБК, в данном случае, подключены параллельно, и при КЗ включаются блоками запуска (БЗ). Также возможно последовательно включение, все зависит от поставленных задач и примененных РВУ.

Рис. 1.2. Первый пример использования РВУ в релейной защите

Q — вводной выключатель, Q1… n — группа защищаемых выключателей, ВБК — высоковольтный быстродействующий коммутатор, РЗ — система релейной защиты, БЗ — блок запуска.

Область примения таких схем — в сетях свыше 110 кВ и токах КЗ более 80 кА, где требуется подключение нескольних последовательно-параллельно соединенных РВУ. Разработанные в ВЭИ разрядники типа РВУ-43 широко используются для многократных сильноточных импульсных коммутаций в диапазоне токов 10−500 кА с величиной передаваемого заряда в импульсе от 40 Кл до 300 Кл и более при рабочем напряжении 1−30 кВ. Испытания этого разрядника изложены в параграфе 3.4.

По результатам исследований можно сказать, что разрядники отвечают всем основным требованиям высоковольтной защиты. И показывают отличные результаты, как компоненты релейной защиты, по всем основным свойствам: быстродействие, надежность и ресурс включений.

Сфера применения релейной защиты достаточна велика — начиная от защиты от замыканий на землю электрооборудования, до измерения расстройки компенсации и автоматической настройки дугогосящих реакторов. Что может быть применено на гидрои атомных электростанциях, различных исследовательских работах.

Основным элементом РВУ является управляемый вакуумный промежуток (УВП), который представляет собой конструкцию из двух основных и одного управляющего электродов. Управляющий электрод устанавливается на одном из основных электродов и отделяется от него с помощью диэлектрической вставки. Обычно УВП размещается в керамическом герметизированном корпусе, который выполняет также функции изолятора. Внутренняя поверхность корпуса защищается от продуктов эрозии основных электродов с помощью экранной системы, которая заметно влияет на распределение электрического поля в РВУ. Основные элементы конструкции приведены на рис. 2.4.

Для успешного применения РВУ в сетях среднего и более высокого класса напряжения необходимо повысить их электрическую прочность и надежность включения в широком диапазоне коммутируемых токов. В связи с этим становится актуальной задача исследования экранной системы и влияния потенциала управляющего электрода на распределение полей, с целью повышения электрическая прочности коммутирующих и защитных устройств на основе УВП и их предельных параметров.

В настоящей работе рассмотрена возможность повышения электрической прочности РВУ путем увеличения радиуса экранной системы и изменения потенциала управляющего электрода.

Данная дипломная работа посвящена рассмотрению и решению ряда перечисленных ниже задач:

Во первой главе, на основе известных литературных источников, делается обзор теоретического описания процессов, протекающих в управляемых вакуумных разрядниках, приводятся технические характеристики вакуумных разрядников. Описываются общие характеристики вакуумной дуги, условия развития пробоя, электрическая прочность вакуумных промежутков.

Во второй главе исследуется электрическая прочность РВУ-43, РВУ-53 и их различных модификаций в практических экспериментах, приводится схема испытательного стенда, статистическая обработка данных.

В третьей главе проведены расчеты распределения электрического поля в РВУ при помощи программного пакета Comsol, приводится анализ результатов исследований, предлагаются на основе результатов возможные улучшения системы.

1. Теоретический обзор управляемых вакуумных разрядников

электрический пробой прочность генератор

1.1 Управляемые вакуумные разрядники

РВУ — управляемый вакуумный разрядник — это отпаянный герметизированный прибор, который состоит из керамического цилиндра и двух металлических фланцев на которых установлена электродная система.

Разрядник предназначен для подключения мощных импульсных высоковольтных источников энергии к нагрузке и может использоваться в качестве быстродействующего сильноточного короткозамыкателя.

Рис. 2.1. РВУ-43 (Управляемый вакуумный разрядник) производимый в ООО «ВЭИ-АВИС»

РВУ представляет собой безнакальный трехэлектродный герметизированный прибор с давлением остаточных газов, не превышающим 10−4 Па. Включение РВУ осуществляется подачей пускового импульса напряжения на управляющий электрод. Управляющий импульс напряжения вызывает пробой по поверхности диэлектрической вставки узла поджига и генерацию инициирующего искрового разряда. Плазма искрового разряда быстро заполняет основной вакуумный промежуток между стержнями, разряд переходит из искровой стадии в дуговую и разрядник включается.

Металлическая плазма вакуумной дуги способна пропускать большие токи между основными электродами без их существенного разрушения. Вакуумный дуговой разряд сам себя поддерживает и погасает, когда ток в основной цепи спадает до нуля. Вследствие быстрой деионизации плазмы и конденсации металлического пара на электродах, вакуумный промежуток характеризуется высокой скоростью восстановления электрической прочности.

Вакуумные коммутирующие устройства сравнимы по электрической прочности c газовыми разрядниками высокого давления. Однако они обладают более высокой скоростью восстановления электрической прочности и имеют значительно меньший межэлектродный зазор, что позволяет существенно уменьшить габариты устройства.

Мощные РВУ серийного производства уже в настоящее время широко используются в различных высоковольтных источниках питания благодаря следующим своим свойствам:

*по сравнению и тиратронами они не требуют накала и постоянно готовы к работе;

*по сравнению с игнитронами не требуют термостабилизации, не боятся вибрации, работают при любой ориентации в пространстве и экологически безопасны;

*по сравнению с газоразрядными коммутаторами могут работать в широком диапазоне рабочих напряжений без изменения времени запаздывания включения;

*по сравнению с полупроводниковыми коммутаторами обладают значительно большей мощностью на один элемент, в несколько раз дешевле, обладают большой устойчивостью в аварийных режимах работы.

РВУ способны выполнять операции включения в широком диапазоне рабочих напряжений с очень высоким быстродействием (время включения ед. микросекунд) и с высокой точностью (погрешность до 1 мкс) в заданной фазе питающего напряжения и при любой последовательности чередования фаз.

В качестве примера основных характеристик коммутаторов приведены показатели РВУ-43−1

Табл 2.1. Основные характеристики РВУ-43

Объектами испытаний являются РВУ-53 и РВУ-43−1. Первый коммутатор отличается повышенной электрической прочности со стержневой системой электродов, разработанные на основе модификации РВУ-43−1. Схемы стержневых электродных систем представлены на рис. 2.2. и 2.3. Поперечное сечение РВУ-53 стержней имеет форму, близкую к трапецеидальной, а РВУ-43 схожа с прямоугольной. Межстержневой зазор для обоих устройств порядка 18 мм. Внешний диаметр электродной системы также равны и составляют 86 мм. Диаметр экранной системы 59 и 92,5 мм, т. е. диаметр у РВУ-53 в полтора раза больше. Площадь рабочей поверхности катодных стержней ~ 78 см². Рабочей поверхностью является та часть плоской поверхности катодных стержней, которая находится напротив анодных стержней.

Рис 2.2. РВУ-43

Рис 2.3. РВУ-53

Рис. 2.4. Основные элементы РВУ

Ток поджига должен иметь форму затухающей синусоиды с амплитудой первой полуволны не менее 1 кА. Максимальный ресурс РВУ обеспечивается при правильном выборе длительности тока поджига в зависимости от формы импульса основного тока. Для коммутации токов промышленной частоты амплитуда тока поджига может быть меньше, а длительность импульса поджига должна быть не менее 100 мкс.

Электрическая прочность внутренней изоляции разрядников удовлетворительно аппроксимируется вейбулловским законом распределения пробивных напряжений с коэффициентом вариации ~ 0,1 характерным для вакуумных промежутков. Рабочее напряжение разрядников (см. таблицу 2.1.) определялось для вероятности пробоя ~ 0,01, что соответствует выдерживаемому напряжению промышленной частоты. Видно, что РВУ по испытательным напряжениям соответствуют классу напряжений 10 кВ.

1.2 Условия пробоя в вакууме

Пробой — возникновение между основными электродами электрического разряда с резко падающей вольтамперной характеристикой

Быстрое нарастание разрядного тока сопровождается резким снижением напряжения на электродах. Для возникновения и существования такого разряда в вакууме необходимо образование на одном из электродов интенсивного источника заряженных частиц — эктона. Эктоны возникают в результате микровзрыва на поверхности электрода (взрывная эмиссия).

После образования эктона происходит развитие искрового вакуумного разряда. На этой стадии необходимо создать условия для генерации достаточно интенсивной плазмы, которая затем заполняет межэлектродный зазор. Такие условия обеспечиваются в результате воздействия приложенного напряжения. Так с ростом тока разряда начинается циклический процесс самоподдержания эктонов и их размножения. В результате образуются катодные пятна, которые можно определить, как групповую совокупность эктонов. Катодные пятна обеспечивают необходимую для поддержания разряда плотность заряженных частиц. После заполнения вакуумного промежутка плазмой разряд переходит в дуговую стадию.

Таким образом, для зажигания вакуумной дуги необходимо выполнение двух условий: возбуждение первичного эктона на катоде и достаточно большой ток разряда, который обеспечивает генерирование новых эктонов.

Такие условия реализуются при пробое вакуумного промежутка с заданным расстоянием между электродами; при сближении или разведении металлических электродов; при возбуждении искрового разряда путем пробоя между управляющим электродом и основным электродом (как правило, по поверхности диэлектрической вставки); при воздействии мощного лазерного импульса на поверхность одного из основных электродов; а также вследствие удара микрочастиц об электроды или под воздействием плазмы внешнего источника на катодную поверхность. 11]

Рис. 2.5.Пояснительный рисунок к теме условия пробоя в вакууме

Взрывная электронная эмиссия (микровзрывы) — электронная эмиссия с поверхности металла при его переходе из твёрдой фазы в газообразную (плазму) в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера. Это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получать плотность тока величиной 109А/см2, и потоки электронов мощностью — 1013 Вт.

Для инициирования взрывной электронной эмиссии необходимо создание на поверхности эмиттера фазового перехода металл-плазма, который являлся бы источником тока, поддерживающего этот переход. Такой переход может быть создан путём организации микровзрывов. Ток автоэлектронной эмиссии разогревает электроны в микрообъёме металла за счёт эффекта Ноттингема. Эффект Ноттингема — выделение тепла на катоде при автоэлектронной эмиссии и поглощение тепла при термоэлектронной эмиссии, обусловленные разницей между ср. энергией электронов, подходящих к поверхности катода и покидающих его. Разогретые электроны передают свою тепловую энергию решётке благодаря электрон-фононному взаимодействию. В результате происходит микровзрыв и образование так называемого катодного факела, состоящего из плазмы и испарившихся паров металла. Образовавшаяся плазма начинает расширяться и переходит на стержневой промежуток.

Величина тока искрового разряда в отсутствие магнитного поля и без учёта релятивистских эффектов определяется выражением

где B — некая константа,

U — разность потенциалов между фронтом образовавшейся плазмы и анодом,

d — расстояние между электродами,

vt — радиус плазменного сгустка,

t — время. F (x) — функция, определяемая геометрией межэлектродного промежутка, в простейшем случае функция F (x) является линейной функцией своего аргумента.

Если ток насыщения достаточно велик (около 10 А), то через некоторое время режим насыщения сменяется неустойчивым режимом, сопровождающийся хаотическими всплесками тока. В этом режиме переход электронов из катода в плазму определяется термоавтоэлектронной эмиссией, вызванной электростатическим полем на границе эмиттер-плазма. Это поле начинает увеличиваться, и при достижении им величины порядка 108 В/см происходит ещё один взрыв. Если же ток насыщения мал (около 1 А), то после фазы насыщения происходит обрыв тока.

В настоящее время нашла признание нестационарная, циклическая модель процессов в катодном специалистов пятне вакуумной дуги. За время 10−9- 10−8с в объемах на поверхности катода с линейными размерами 10−5- 10−4см. происходит бурное выделение энергии со скоростью1012- 1013 Дж с-1 г-1. Этот процесс сопровождается эрозией катода со скоростью истечения массы 108- 109А см-2 в электрическом эквиваленте и прохождением электрического тока с плотностью 108- 109 А/см-2. Продукты эрозии в результате взрывной эмиссии превращаются в прикатодную плазму. Совокупность описанных выше явлений носит кратковременный характер. В результате эрозии линейные размеры области локализации тока увеличиваются, плотность тока и скорость выделения энергии падают, процесс прекращается. Согласно принятой терминологии, имело место возникновение и функционирование центра взрывной эмиссии или эктона. Для поддержания условий существования дуги необходимо образование нового, повторного эктона и так далее. На данный момент нет устоявшегося мнения относительно механизмов доставки и концентрации энергии на катоде в количестве, достаточном для образования центра взрывной эмиссии. Физическая модель образования центра взрывной эмиссии.

Рис. 2.6. Рисунки с микроостриями и кратером на катоде

Появление искрового разряда необходимого для образования дуги часто связанно с пробоем между катодом и управляющим электродом.

Обычно поверхностный пробой диэлектрика происходит при значительно меньшей напряженности, чем пробой через толщу диэлектрика. Это явление иногда называют поверхностным разрядом. [1]

Рис. 2.7. Поверхностный пробой 1 — точки приложения испытательного напряжения, 2 — диэлектрик, 3 — пути токов утечки

Искровая инициация вакуумной дугой используется в различных устройства, в том числе и коммутаторах. Идея поджига состоит в том, что при помощи внешнего маломощного импульса образуется первичный эктон, а затем с использованием электрического поля между основными электродами создаются условия самоподдержания эктонного процесса. Следует иметь ввиду, что не вся энергия импульса идет на образование эктона, часть расходуется на другие процессы: нагрев плазмы, излучение, бомбардировка катода. Также, с другой стороны, энергия внешнего электрического поля идет на образование первичного эктона.

Наличие диэлектрика в вакуумном промежутке существенно влияет на процесс разряда. При медленном подъеме напряжения предразрядный ток состоит из двух компонент: стационарной и импульсной, обусловленной развитием микроразрадов в межэлектродном промежутке, в случае РВУ, это промежуток между управляющим электродом и катодом. Иногда на поверхности изолятора появляются светящиеся области, из которых происходит интенсивное газовыделение. При последующем увеличении напряжения вдоль изолятора проскакивают искры, переходящие затем в дугу. В предразрядной фазе происходит зарядка диэлектрика положительным зарядом.

Сравнивая феноменологию скользящего разряда с пробоем между металлическими электродами в вакууме, можно видеть, что внесение диэлектрика в вакуумный зазор приводит к резкому снижению электрической прочности промежутка. Это связанно с таких явлений как: усиление поля в зазоре металл-диэлектрик, зарядка диэлектрика в результате бомбардировки электронами и десорбции газа с изолятора. Усиление поля наблюдается в результате невозможности идеального контакте, а части соприкасаются лишь выступами.

Микроразряды на поверхности диэлектрика появляются при значениях напряжения меньше пробивных, а стационарная компонента тока обусловлена зарядкой поверхности диэлектрика. При подачи напряжения на промежуток, опять повторюсь, управляющего электрода и катода электроны частично попадают на изолятор; при коэффициенте вторичной эмиссии диэлектрика больше единицы, место бомбардировки заряжается положительно, что усиливает притяжение частиц. В результате чего происходит перераспределение потенциала на поверхности диэлектрика.

Появление микроразрядов на поверхности диэлектрика в вакууме связано не с полного приложенного напряжения, а с локальными напряженностями поля в промежутке. Также можно считать явление микроразрядов примером не самоподдерживающихся эктонов, которые, напомню, необходимы для поддержания дугового разряда.

Также хотелось бы отметить, что при воздействие на диэлектрик импульсного напряжения перекрытие наступает не сразу, а после некоторого времени запаздывания t3, которое зависит от различных материалов.

Одним из возможных пробоев является разрушение диэлектрика. Этот тип пробоев не свойственен для РВУ и не будет рассмотрен в данной работе. Следует отметить то, что разрушение диэлектрика не гарантирует 100% пробой.

По полученным результатам входе работы в спектре разряда в вакууме наблюдались частица как металла, так и диэлектрика.

Г. А. Месяц приводил следующие три возможных механизма появления эктонов в случае вакуума с диэлектриком:

*Высокое электрическое поле в зазоре металл-диэлектрик способствует появлению эктонов на катоде под действием тока АЭЭ

*Взрывы микроучастков катода в тройной точке, что обусловлено взаимодействием плазмы с катодом или под влиянием токов объемного заряда

*Перемыкание плазмой промежутка между катодом и анодом (управляющим электродом)

1.3 Вакуумная дуга

Вакуумная дуга является специфическим плазменным объектом, в котором поддержание электрического разряда обеспечивается сильно ионизированной многокомпонентной неоднородной плазмой, образуемой в результате эрозии металлических электродов под воздействием тока разряда. В отличие от других типов разряда она способна пропускать практически неограниченные токи, и характеризуется сравнительно малой разностью потенциалов на электродах и положительной вольтамперной характеристикой, а также при достижение порогового значения может погаснуть.

Вакуумная дуга состоит из трех основных участков. Один из них находится в прикатодной области и имеет вид ярко светящихся подвижных пятен — катодные пятна. Плотность тока в этих небольших пятнах очень высока ~108А/см2. Катодные пятна являются также источником направленных в сторону анода потоков положительных ионов и капель металла. Параметры ионной компоненты катодной плазмы (скорость v около 106 см/с и средний заряд q = +1 — +3 при токах менее 1 кА) зависят только от вида материала катода. Согласно модельным представлениям, ускорение ионов в режиме квазистационарного горения вакуумной дуги обусловлено в основном электрон-ионным трением в прикатодной области на расстоянии прядка 10 мкм.

Другой участок занимает область между катодом и анодом и имеет вид яркого диффузионного свечения — столб дуги. При сравнительно малых токах (I<1 кА) столб дуги характеризуется однородным распределением электрического поля с низким градиентом потенциала и занимает практически весь межэлектродный зазор — диффузная мода вакуумной дуги. В этом режиме горения дуги вблизи анода образуется слой пространственного заряда с положительным анодным падением потенциала — анодная область. В диффузной моде поведение вакуумной дуги в основном определяется прикатодной областью. С ростом тока происходит размножение катодных пятен путем деления. В результате катодные пятна занимают практически всю поверхность катода.

При увеличении тока происходит сжатие столба дуги под действием магнитного поля, формируемого собственным током разряда. Это приводит к возбуждению неустойчивой фазы развития, сопровождающейся высокочастотным шумом напряжения на дуге и образованием малоподвижных светящихся пятен на аноде — анодные пятна. В этом режиме значительная часть напряжения приходится уже на столб вакуумной дуги, а знак анодного падения меняется. Ток дуги, при котором возникают анодные пятна, существенно зависит от величины межэлектродного зазора и скорости нарастания тока. Различные режимы функционирования анодных пятен подробно рассмотрены в.

Существенно отметить, что в случае сильноточного разряда анодные пятна представляют собой расплавленные ванны металла, которые являются интенсивным источником металлического пара. Вследствие этого вакуумная дуга с анодным пятном характеризуется значительной эрозией электродов и пониженной отключающей способностью.

Уменьшить влияние этого эффекта на отключающую способность вакуумных дугогасительных камер можно путем формирования в межэлектродном зазоре поперечного радиального или продольного по отношению к току дуги магнитного поля. В поперечном магнитном поле контрагированная дуга вращается с достаточно большой скоростью, что предотвращает создание интенсивных анодных пятен. Продольное магнитное поле затрудняет контрагирование, и дуга распределяется в ограниченной области межконтактного промежутка. Размеры основания дуги определяются индукцией магнитного поля и геометрией промежутка.

В дуговой стадии импульсного разряда при скорости нарастания тока di/dt > 2*109 А/с и длине вакуумного промежутка d ~ 10 мм обнаружено фор-мирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. В работе показано, что с увеличением di/dt > 1010 А/с происходит нарушение устойчивости развития сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающееся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Там же впервые было установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах.

Вследствие малого расстояния между основными электродами сильноточная дуга в вакууме может существовать бесконечно долго при постоянном токе, если не применяется принудительное прерывание тока. При приближении тока дуги к нулю катодные пятна постепенно погасают, и дуга гаснет. Однако она гаснет не при нулевом, а при некотором конечном значении на спаде тока. Величину тока в момент, предшествующий его резкому спаду до нуля, называют током среза. Ток среза зависит от режима горения дуги и от материала электродов.

После нуля тока на вакуумном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Если скорость восстановления электрической прочности вакуумного промежутка превышает скорость нарастания напряжения, дуга не возникает вновь и цепь будет разорвана. При погасании дуги быстрое восстановление электрической прочности определяется, в частности, большой скоростью ухода и конденсации металлического пара в промежутке.

1.4 Особенности развития разряда в РВУ

Среди отмеченных выше способов инициации вакуумной дуги наиболее широкое распространение получила инициация вспомогательной искрой, которая генерируется в результате поверхностного пробоя диэлектрической вставки между управляющим и основным электродами. Элемент конструкции управляемого вакуумного промежутка включающий в себя управляющий электрод и диэлектрическую вставку мы в дальнейшем будем называть узлом поджига, как указано на рис. 2.4.

Развитие начальной фазы разряда, которая отсчитывается от момента поджига инициирующего разряда вплоть до перехода в дуговую фазу между стержнями электродов, существенно зависит от конструкции узла поджига, параметров тока поджига, а также от места расположения узла поджига: на катоде или на аноде. Но в данном случаи имеет смысл рассмотреть случай с расположение на катоде.

При поджиге на катоде развитие начальной стадии разряда определяется динамикой плазменного потока, генерируемого катодными пятнами, образованными вблизи узла поджига. Концентрация плазмы в катодном плазменном потоке пропорциональна суммарному току, который включает в себя ток поджига и ток основного разряда. Время заполнения межэлектродного промежутка катодной плазмой является основной составляющей времени задержки включения вакуумного промежутка. На этой стадии развития разряда ток переносится электронами, эмитированными с периферийной границы расширяющейся катодной плазмы и ограничен проводимостью вакуумного зазора между плазмой и анодом в соответствии с «законом 3/2». При большой скорости нарастания тока концентрации частиц на эмиссионной границе плазмы может оказаться недостаточно для устойчивого токопрохождения, и эмиссионная поверхность катодной плазмы перейдет в режимы насыщения. В этом режиме ток эмиссии уже не может обеспечить тока, пропускаемого вакуумным зазором. Объемный заряд электронов перестает экранировать эмиссионную поверхность, и скорость ее расширения начинает замедляться под действием электрического поля. Этот процесс, как правило, сопровождается немонотонностью спада напряжения, и неравномерным поступлением плазмы из катодных пятен, что может быть обусловлено цикличностью образования эктонов.

При подходе эмиссионной поверхности к аноду завершается формирование проводимости плазменного столба, и сопротивление разрядного промежутка становится сравнимым с сопротивлением разрядного контура. В этот момент завершается спад напряжения, а скорость нарастания тока достигает своего максимального значения. Поэтому полное время задержки включения вакуумного промежутка мы определяем, как интервал времени между началом тока поджига и моментом достижения максимальной скорости нарастания тока. С увеличением тока поджига время задержки уменьшается и повышается устойчивость горения разряда.

При заданном межэлектродном зазоре d и оптимальной конструкции узла поджига существует минимальное время задержки включения tз ~ d/v, определяемое подбором параметров тока поджига, где v — скорость катодной плазмы.

После завершения начальной фазы инициируемый разряд переходит в дуговую фазу, развитие которой имеет много общего по сравнению с неуправляемыми вакуумными промежутками (например, вакуумные дугогасительные камеры).

Одно из отличий заключается в режиме использования управляемых вакуумных промежутков, которые применяются как для коммутации длинных импульсов тока (несколько миллисекунд) при сравнительно малых скоростях нарастания тока dI/d < 105 А/с, так и для коммутации импульсных токов с высокой скоростью нарастания dI/dt до 1011 — 1012 А/с.

В последнем случае на фронте тока могут возникать сильные неустойчивости, сопровождаемые резкими всплесками напряжения и обрывом тока. В периоды кратковременных всплесков тока в ряде работ регистрировались пучки ускоренных ионов материала катода, энергия которых достигала нескольких Мэв при напряжении разряда порядка сотен киловольт. Ускоренные ионы наблюдались на начальной стадии развития разряда в случае превышения током пороговой величины. В работе показано, что средняя энергия ионов Cu+ практически линейно возрастает с увеличением dI/dt при превышении порогового значения ~ 108 А/с. Максимальная энергия ионов тоже практически линейно растет с увеличением заряда.

Обнаружение указанных неустойчивостей свидетельствует о наличии в импульсных вакуумных разрядах дополнительных механизмов образования и ускорения многозарядных ионов. В качестве такого механизма в работе предложен захват в глубокую потенциальную яму, которая формируется в движущемся фронте катодного плазменного потока при условии перехода эмиссионной поверхности в режим насыщения. В работе аномальное ускорение ионов объясняется микропинчеванием расширяющейся катодной струи под действием сил магнитного сжатия. Быстрое локальное уменьшение сечения плазменного потока вызывает резкое увеличение плотности плазмы и температуры электронов, что приводит к увеличению среднего заряда ионов и формирует всплеск потенциала плазмы.

Возникновение рассмотренной неустойчивой фазы в начальной стадии сильноточного вакуумного разряда приводит к значительной эрозия узла поджига и основных электродов. Эти факторы существенно влияют на долговечность УВП и его отключающую способность в нуле тока.

При малых dI/d (например, при коммутации тока промышленной частоты) на начальном участке фронта тока возможен срез тока, что может привести к отказу включения УВП. Это обстоятельство следует учитывать при выборе параметров инициирующего разряда. К сожалению, нам неизвестно о работах, посвященных исследованию инициирующего разряда в таком режиме.

2. Исследование электрической прочности

2.1 Объекты и методика исследования модификаций РВУ-53

Объектами испытаний в работе являлись РВУ-53−1 и РВУ-53−2 повышенной электрической прочности со стержневой системой электродов, разработанные на основе модификации РВУ-43−1. Схема стержневой электродной системы РВУ-53 представлена на рис. 2.3. Поперечное сечение стержней имеет форму, близкую к трапецеидальной. Междустержневой зазор d = 8−10 мм. Внешний диаметр электродной системы 86 мм. Диаметр экранной системы 185 мм. Площадь рабочей поверхности катодных стержней составляла ~ 78 см². Рабочей поверхностью является та часть плоской поверхности катодных стержней, которая находится напротив анодных стержней. Разрядник РВУ-53 содержит аналогичную РВУ-43−1 электродную систему, и отличается увеличенным в 1.5 раза расстоянием между внешней поверхностью стержневой электродной системы и внутренней поверхностью цилиндрического экрана. Соответственно увеличены и габаритные размеры РВУ. Габаритные размеры РВУ 53 увеличены примерно на 15% по сравнению с размерами корпуса РВУ-43−1, рабочая площадь электродов увеличена на 23%.

Испытаны две модификации РВУ-53 (РВУ-53−1 и РВУ-53−2), отличающиеся конструкцией узла поджига. В разряднике РВУ-53−1 используется такой же узел поджига, как и РВУ-43−1. В разряднике РВУ-53−2 поджиг заглублен и экранирован таким образом, чтобы уменьшить вносимое им изменение потенциала в центральной области катода.

Исследование электрической прочности разрядников проводилось на испытательном стенде, электрическая схема которого представлена на рис. 3.1. Испытательный стенд состоит из двух частей: источника тока и источника напряжения. Источник тока содержит накопительную конденсаторную батарею емкостью С1 = 12 000 мкФ и катушку индуктивности L1. Максимальное напряжение на конденсаторной батарее U1 = 3,5 кВ. Режим работы стенда регулировался изменением индуктивности L1 и напряжения U1. Ток I измерялся с помощью пояса Роговского, напряжение Uд на разряднике снималось с омического делителя R1R2.

Рис. 3.1. Электрическая схема измерений

Напряжение пробоя разрядников измерялось при подачe напряжения U от источника напряжения, который состоит из высоковольтного испытательного трансформатора Тр. (ИОМ 100/25), ко вторичной обмотке которого присоединена емкость С2 = 1 нФ через ограничительное сопротивление R = 50 кОм. Регистрация пробоев осуществлялась с помощью датчика пробоя ДП.

Методика испытаний: после 5 коммутаций тока к РВУ прикладывалось медленно (в течение 1 мин.) нарастающее напряжение U промышленной частоты от высоковольтного трансформатора Тр. Пауза между протеканием тока через коммутатор и приложением напряжения к нему была 3−5 мин. Измерялись действующие значения напряжения пробоя РВУ электростатическим киловольтметром kV (С-100).

Статистическая обработка данных измерений проводилась согласно методике, описанной в 18. Был выполнен статистический анализ данных измерений первого пробоя РВУ. Для описания экспериментальной функции распределения пробоя РВУ использовалось двухпараметрическое распределение Вейбулла где, а — параметр масштаба,

b — параметр формы.

Параметр, а определяет напряжение пробоя РВУ, соответствующее вероятности F = 0.63, а параметр b определяет форму распределения.

2.2 Результаты испытаний РВУ-53

Измерение электрической прочности каждого РВУ проводилось после коммутации пяти импульсов тока с амплитудой порядка 50 кА длительностью 1 мс (Uз = 600 В). Падение напряжения на РВУ при амплитудном значении тока составляло менее 100 В. Средняя мощность на единицу площади, выделяемая при коммутации тока в РВУ составляла около 104 Вт/cм2, что соответствует режиму эрозии преимущественно в паровой фазе.

В таком режиме были проведены измерения напряжения пробоя каждого из испытуемых РВУ. Измерялась электрическая прочность РВУ-43−1, РВУ-53−1 и РВУ-53−2. Для каждого разрядника проводилось 15−20 измерений напряжений пробоя.

Результаты обработки представлены на вейбулловской координатной сетке (рис. 3.2). Здесь совокупности точек 1 — 3 представляют эмпирические распределения вероятности пробоя разрядников. Там же построены аппроксимирующие экспериментальные данные прямые 1 — 3, изображающие двухпараметрические вейбулловские функции распределения (1).

Анализируя эти графики можно сделать заключение, что вейбулловский закон удовлетворительно описывает пробивные напряжения РВУ.

С увеличением расстояния между внешней поверхностью электродной системы и экраном в 1.5 раза параметра увеличился примерно на 40%. При этом вероятность пробоя при малых напряжениях менее 40 кВ практически не изменилась (прямые 1 и 2).

Модернизация узла поджига позволила почти на порядок уменьшить вероятность пробоя РВУ при малых напряжениях (прямая 3). [13]

Рис. 3.2. Функции распределения напряжения пробоя РВУ.

Проведенные исследования показали, что модернизированный образец РВУ-53−2 может послужить основой для создания высоковольтных сильноточных коммутирующих и защитных устройств в сетях промышленной частоты с номинальным напряжением 110 кВ и выше.

2.3 Объекты и методика исследования модификаций РВУ-43

Объектами испытаний являлись РВУ-43, РВУ-43−1, РВУ-43−4 повышенной электрической прочности со стержневой системой электродов. Схема стержневой электродной системы РВУ-43 представлена на рис. 2.2. Поперечное сечение стержней имеет форму, близкую к прямоугольной. Междустержневой зазор d ~ 20 мм. Внешний диаметр электродной системы 86 мм. Диаметр экранной системы 120 мм. Площадь рабочей поверхности катодных стержней составляла ~ 78 см². Рабочей поверхностью является та часть плоской поверхности катодных стержней, которая находится напротив анодных стержней. Сравнение с разрядником РВУ-53 можно найти в главе 3.1.

Испытывались как выпускаемые промышленно разрядники типа РВУ-43, так и новые экспериментальные образцы разрядников РВУ-43−1 и РВУ-43−4.

Испытания отключающей способности РВУ проводились на генераторе ударного тока «ТИ-12» промышленной частоты. При напряжении 400−800 В ток короткого замыкания мог достигать действующих значений Iд до 43 кА. РВУ присоединялись к генератору встречно-параллельно, как показано на рис. 3.3. Включение РВУ осуществлялось с помощью блоков запуска БЗ. Каждый разрядник включался при положительной полярности напряжения. Подавалось 8 импульсов запуска с задержкой 0,2−0,5 мс после момента перехода тока через нуль.

Отключающая способность разрядников проверялась методом постепенного повышения амплитуды пропускаемого тока. Ток в цепи поднимали до амплитуды, когда РВУ уже не отключал ток. В этих случаях отключение тока осуществлялось защитным выключателем.

В процессе испытаний измерялись токи, протекающие в разрядниках P1 и P2 с помощью шунтов, а также напряжение U источника при помощи трансформатора напряжений. Электрические сигналы регистрировались на ПК.

В ходе испытаний при положительном результате испытаний величина действующего значения тока поднималась с шагом 2−3 кА. Ток увеличивался от 5 до 43 кА действующего значения. Напряжение источника питания 200−600 В. Всего проведено 48 опытов.

Рис. 3.3. Схема испытательного стенда на низком напряжении. PВУ1 и PВУ2 — разрядники, БЗ1, БЗ2 — блоки запуска разрядников, ТИ-12 — генератор ударного тока, ТН — трансформатор напряжений, ТНи — трансформатор измерительный, ВВЗ — защитный воздушный выключатель, ВА — включающий аппарат, L — реактор, ШК-20 — токовые шунты

Электрическая прочность РВУ измерялась после пропускания тока амплитудой 20 кА с длительностью полупериода 650 мкс. После каждых 5 коммутаций указанного тока проводились измерения напряжения пробоя РВУ при приложении напряжения частотой 50 Гц. Измерение электрической прочности разрядников проводилась до и после коммутационных испытаний на ударном генераторе.

2.4 Результаты испытаний РВУ-43

В таблице 3.1. приведены модели испытанных разрядников, величина тока, при котором произошел отказ в отключении тока, и суммарное количество кулон, прошедшее через разрядники в течение испытаний. Характерные осциллограммы тока и напряжения при отключении и при отказе в отключении тока представлены на рис. 3.4−6.

Разрядник РВУ-43 (РВУ1) испытывался совместно с РВУ-43−1 (РВУ2). Оба РВУ успешно отключали все полупериоды тока Iд до 25 кА действующего значения. При увеличении тока более 25 кА, наблюдался отказ отключения на 6-м полупериоде тока с амплитудой 48 кА в РВУ-43.

Два разрядника РВУ-43−1 успешно отключили по 8 полуволн тока до 40 кА действующего значения (рис. 3.4.). При действующем значении тока 43 кА один из разрядников РВУ-43−1 не отключил 12-ю полуволну тока (рис. 3.5). Через разрядник прошли дополнительные 7 полуволн тока до момента срабатывания защитного выключателя. В следующем опыте при действующем значении тока 31 кА разрядник отключил 8 полуволн тока, что показало, что разрядник остался в рабочем состоянии. Разрядник РВУ-43−4 успешно отключал токи более 43 кА.

Также были проведены опыты с повышением амплитуды тока в последнем 16 полупериоде, что близко к режиму работы в реальных условиях. Так, на рис. 3.6. разрядник РВУ-43−4 после 7-и полуволн тока с амплитудой 54 кА в 8-м для него полупериоде отключил ток, с амплитудой 70 кА. Результаты испытаний приведены в таблице 3.1.

Таб. 3.1. Результаты исследований

Iд — действующее значение тока, которое РВУ успешно отключал и Qколичество электричества, прошедшее через разрядники во время испытаний.

Рис. 3.4. Осциллограммы токов и напряжений: сверху вниз — импульсы управления блоками запуска РВУ, ток в одном РВУ-43−1, ток во втором РВУ-43−1, напряжение на разрядниках. Iд = 40 кА Рис. 3.5. Осциллограммы токов и напряжений: сверху вниз — импульсы управления блоками запуска РВУ, ток в одном РВУ-43−1, ток во втором РВУ-43−1, напряжение на разрядниках. Iд = 43 кА Рис. 3.6. Осциллограммы токов и напряжений: сверху вниз — импульсы управления блоками запуска РВУ, ток в одном РВУ-43−4, ток во втором РВУ-43−4, напряжение на разрядниках. Iд = 38 кА

После обработки результатов эксперимента были построены вольт-амперные характеристики разрядников (рис 3.7.). Напряжение на разряднике измерялось в максимуме полуволны тока. Напряжение на дуге модернизированных разрядников РВУ-43−1 и РВУ-43−4 изменяется от 30 В до 70 В при росте амплитуды тока от 15 кА до 60 кА.

Рис. 3.7. Вольтамперные характеристики разрядников 1 — РВУ-43−1, 2 — РВУ-43−4

Магнитное поле, формируемое током в стержневых электродах, в каждом межстержневом промежутке имеет продольную и поперечную составляющие относительно направления тока дуги. Влияние продольной составляющей магнитного поля становится существенной при амплитуде тока Im > 20 кА, когда ток начинает протекать по всем стержневым электродам. В этом случае горение сильноточного разряда происходит в основном в межстержневых промежутках, разряд имеет относительно низковольтную вольт-амперную характеристику, медленно растущую с увеличением тока.

Высокую коммутационную способность показала модификация РВУ-43−4. Разрядник пропустил в общей сложности около 60 000 Кл и остался в рабочем состоянии.

Электрическая прочность РВУ измерялась на высоковольтном стенде при приложении напряжения промышленной частоты. Результаты измерения напряжений пробоя РВУ-43−1 до и после коммутационных испытаний в схеме с ударным генератором представлены на вейбулловской координатной сетке на рис. 8. Экспериментальные данные удовлетворительно аппроксимируются вейбулловским распределением. Согласно рис. 3.8, электрическая прочность разрядника возросла после коммутационных испытаний.

В результате исследования было показана надежность включение вакуумных разрядников при напряжении 200−300 В и определенны пределы отключающей способности разрядников. У РВУ-43−1 отказ (отключение тока защитным выключателем) произошел при действующем значении тока 43 кА. У модификации РВУ-43−4 отказов отключения тока не наблюдалось. И наиболее высокую коммутационную способность показала также модификация. Разрядник пропустил в общей сложности около 60 000 Кл и остался в рабочем состоянии.

Рис. 3.8. Электрическая прочность РВУ-43−1.

1 — до коммутационных испытаний, 2 — после коммутационных испытаний

Новое поколение РВУ позволит сделать возможным создание токоограничивающих устройств нового типа для высоковольтных сетей. [12]

3. Моделирование в Comsol

3.1 Обзор программы Comsol

COMSOL Multiphysics — многомодулевая программа для эмуляции физических процессов, которые описываются дифференциальными уравнениями в частных производных (ДУЧП) Далее задачи решаются методом конечных элементов (МКЭ).

В пакете COMSOL Multiphysics возможно моделирование различных физических процессов, которые описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Далее задачи решаются методом конечных элементов. Программа содержит библиотеку УРЧП (уравнения с частными производными) и различные средства для моделирования и симуляции. К ним принадлежат: средства для геометрических построений, генераторы сетки, различные решатели, которые помогут быстро справиться даже с самыми сложными задачами линейных и нелинейных задач, а также постобработки. COMSOL Multiphysics позволяет решать мультифизические задачи, которые описываются комбинацией различных УРЧП и благодаря этому производиться комплексный анализ физической модели.

COMSOL Multiphysics может взаимодействовать с программой MATLAB.

Графическая среда COMSOL DesktopTM состоит из нескольких частей. Основная часть среды, в которой изображается структура модели называется Model Builder (Построитель моделей). Интерфейс аналогичен дереву построения в CAD системах, которые к настоящему времени представлены на рынке. Пользователь видит в процессе подготовки модели все ее основные части в четырех основных точках: подготовка геометрии (Geometry), генерирование сетки (Mesh), вариант анализа (Study) и обработка результатов расчетов (Results). Одновременно можно подготовить несколько вариантов модели.

Рис. 4.1 Пример интерфейса ComsolMultiphysics

В версии 4 включены новые свойства при генерации сетки. Сетку возможно генерировать двояко. Во-первых — это прямая разработка сетки пользователем, который может редактировать различные параметры сетки, такие, например, ее плотность, комбинацию типов сетки и т. д. Во-вторых, это новая возможность генерации в соответствии с физикой задачи. В этом случае программа автоматически настроит последовательность сетки отвечающей, например, аппликации динамики жидкостей (граничный слой), моделирование плазмы или физику вообще. Автоматически сформированную сетку возможно тоже редактировать. Программирование, ориентированное на материалы — это новый порядок для задания физических свойств материалов, заданных в модели. Его принцип заключается в том, что материал задан до определения прочих свойств анализируемой модели и все прочие задачи считывают свойства материалов из единого источника. Геометрические размеры модели можно описать через глобальные параметры и при помощи инструмента смещение параметров (parametric sweep) размеры в процессе расчета постепенно изменяются в соответствии с измененными параметрами и, таким образом, формируются геометрические варианты модели, соответствующие решению. Все найденные в процессе решения варианты доступны в узле обработки результатов расчетов, для их последующего сравнения. Начиная с версии 4 возможно сделать расчеты на компьютерных кластерах. Для Windows это операционная ситема Windows HPCS2008(R2) a для операционной системы Linux официально поддерживаются Debian, OpenSUSE, RedHat и Ubuntu.

Рис 4.2 Доступные модули Comsol Multiphysics

3.2 Моделирование РВУ в Comsol

Подробное описание коммутаторов можно найти во второй главе. Здесь же будут приведены только упрощенные схемы, на основе которых проводились расчёты.

Как можно заметить, общая конфигурация в обоих исследуемых разрядниках схожа, а главные отличия заключаются в размерах (137×175 мм у РВУ-43, 163×207 мм у РВУ-53), диаметре экрана и конфигурации стержневой системы, где в РВУ-53 стержни увеличивают внешний радиус ближе к межэлектродному расстоянию. Также различна структура экрана, которая в случаи РВУ-53 уменьшает влияние полей на УВП.

В ходе расчетов были применены упрощения, приведенные на рис. 4.3, рис. 4.4.С сохранением всех размеров, была упрощена система креплений и внутреннего устройства узла поджига. Прощу заметить, что минимальный зазор между управляющим электродом и катодом сохранен и равен 0,5 см.

Аналогичные упрощения применены для РВУ-53.

Рис 4.3. Упрощенный чертеж РВУ-43

Рис 4.4. Упрощенный чертеж РВУ-53

Также хотелось бы отметить различия между модификациями РВУ-43−1, РВУ-43.1 и аналогичные случаи.

3.4 Исследование влияния системы экрана на УВП

В ходе данного исследования использовались упрощенные схемы систем, приведенные выше. В программной среде Comsol в электростатической модели, которая работает на основе уравнений Максвелла без учета.

В ходе расчетов использовались следующие данные:

Потенциалы:

· Потенциал анода — 1000 В

· Потенциал узла поджига — 0 В

· Катода — заземлен Материалы:

· Электроды, экран, экранирующие кольца — медь (диэл. проницаемость 1)

· Диэлектрическая вставка в узле поджига и корпус — карбид кремний (диэл. проницаемость 10)

· Среда — воздух (диэл. проницаемость 1)

Хотелось бы отметить, что в оригинальной конструкции используется керамика алюмооксидная вместо карбида кремния, но с учетом равенства диэлектрических проницаемостей, можно использовать и этот материал для решения данной задачи.

Производилось 7 серий вычислений (6 — РВУ-43, 1 — РВУ-53), чтобы найти зависимость в изменениях. Указание элементов конструкции можно найти на рис. 2.4.

Табл. 4.1 Параметры конфигураций

Как следует из таблицы — размеры компонент РВУ-43.6 и РВУ-53 совпадают.

Первыми результатами стали измерения распределения силовых линий электрического поля, приведенные на рис. 4.6.

Рис. 4.9 Распределение силовых линий в различных конфигурациях РВУ-43.(1−6), РВУ-53

Было замечено, что наибольшая густота линий наблюдается в межэлектродном зазоре между стержнями анода и основанием катода (теоретический обзор представлен в главе 2.3.). На рис. 4.9. можно наблюдать разряжение густоты линий с увеличением радиуса и изменением конфигурации экрана. Что можно объяснить тем, что при том же количестве источников силовых линий (заряда), площадь их распределения увеличивается.