авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Физико-технические основы создания вакуумных электрических аппаратов для коммутации импульсных и постоянных токов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Алферов Дмитрий Федорович

физико-технические основы создания

вакуумных электрических аппаратов для

коммутации импульсных и постоянных токов

Специальность: 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина».
Государственный научный центр РФ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ульянов Константин Николаевич
доктор технических наук, профессор Пупынин Владимир Николаевич
доктор технических наук, Лавринович Валерий Александрович
Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), г. Троицк

Защита состоится «___» _________ 2010 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 217.039.02 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский
электротехнический институт им. В.И. Ленина».

Автореферат разослан «___» ___________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Корявин А.Р.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время в электрических сетях среднего и высокого (до 110 кВ) класса напряжения все более широкое применение находят традиционные вакуумные коммутационные аппараты (выключатели и контакторы переменного тока и др.). Значительный вклад в разработку вакуумных выключателей переменного тока в нашей стране внесли сотрудники ВЭИ: Белкин Г.С., Воздвиженский В.А., Лукацкая И.А., Перцев А.А., Потокин В.С., Ромочкин Ю.Г и др. Однако существуют области техники, в которых возможности применения традиционных вакуумных аппаратов сильно ограничены. К таким областям нетрадиционных применений можно отнести электроимпульсные технологии (мощные электрофизические установки, магнитно-импульсная сварка и штамповка, электрогидравлическая и электроимпульсная обработка материалов и др.), в которых коммутационный аппарат должен быстро (единицы микросекунд и менее) включаться и обеспечивать многократное пропускание импульсных токов до сотен килоампер длительностью до единиц миллисекунд. Малое время включения и его разброса требуется, в частности, для параллельного подсоединения большого (десятки) количества аппаратов. Другой областью нетрадиционных применений является коммутация цепей постоянного тока, которая невозможна с помощью вакуумных выключателей переменного тока без применения специальных мер.



Одним из востребованных типов импульсных вакуумных коммутационных аппаратов являются разрядники вакуумные управляемые (РВУ). Основным элементом РВУ является электродная система, содержащая два основных и один управляющий электроды. Электродная система размещается в герметизированном корпусе отпаянной конструкции, который выполняет также функции изолятора. Управляющий электрод устанавливается на одном из основных электродов и отделяется от него с помощью диэлектрической вставки – поджигающего промежутка. Расстояние между основными электродами всегда фиксировано и определяется требуемой электрической прочностью вакуумного промежутка. Разрядник содержит также экранную систему, которая защищает внутренние стенки корпуса от металлизации продуктами эрозии основных электродов.

В связи с возрастающими требованиями потребителей и расширением области применения возникла необходимость в повышении предельных параметров РВУ в соответствии с потребностями электроимпульсных технологий и энергетики. В частности, для успешного применения РВУ в мощных электроимпульсных технологиях необходимо было повысить коммутируемый ими ток от 100 кА до 500 кА, количество электричества в импульсе от десятков до сотен кулон и ресурс от тысячи до сотен тысяч включений в широком диапазоне коммутируемых токов. Весьма важным направлением совершенствования вакуумных разрядников является также уменьшение уровня рассеиваемой в вакуумном промежутке энергии на начальной стадии формирования проводимости разрядного канала, что особенно существенно при коммутации микросекундных импульсов тока. Однако дальнейшее совершенствование конструкции РВУ было невозможно без более глубокого понимания физических процессов, определяющих инициацию и развитие сильноточного дугового разряда в вакуумных промежутках. Поэтому задача разработки физико-технических основ создания РВУ с повышенными технико-экономическими параметрами является актуальной.

Другой актуальной задачей, которая может быть решена с помощью вакуумных коммутационных аппаратов, является замена существующих высоковольтных выключателей постоянного тока с открытой электрической дугой, например, на железнодорожном транспорте. В вакуумных выключателях в качестве дугогасительного устройства используются вакуумные дугогасительные камеры (ВДК). Дуга отключения, возникающая при размыкании контактами ВДК цепи тока, горит в парах материала контактов и гаснет при переходе переменного тока через нулевое значение. Для отключения постоянного тока в ВДК необходимо применять специальные меры.

Одним из известных способов гашения дуги постоянного тока является формирование в вакуумном промежутке поперечного магнитного поля. Поперечное магнитное поле нарушает устойчивость горения вакуумной дуги, что приводит к быстрому росту напряжения на вакуумном промежутке и обрыву тока в ВДК. Однако, несмотря на многолетнее изучение возможности реализации такого способа гашения дуги, его применение сдерживалось недостаточной надежностью отключения тока, что могло быть обусловлено отсутствием адекватной физической модели гашения дуги в поперечном магнитном поле. Эта задача сохранила свою актуальность и до настоящего времени. В связи с этим исследование гашения дуги в ВДК с поперечным магнитным полем на напряжение до 4 кВ является важной научно-технической задачей, на решение которой направлена данная работа.

Цель работы. Разработка физико-технических основ создания вакуумных коммутационных аппаратов для электроимпульсных технологий и для цепей постоянного тока посредством изучения процессов, определяющих динамику проводимости сильноточного электрического разряда и его гашения в вакуумных промежутках различной конфигурации.

Работа ориентирована на разработку и создание новых типов высоковольтных вакуумных коммутационных аппаратов, обладающих высокой надежностью, малыми эксплутационными затратами и экологической чистотой.

Основные задачи исследований.

При совершенствовании конструкций РВУ возникает ряд проблем, связанных с обеспечением зачастую противоречивых требований: малые и стабильные времена включения, устойчивое развитие разряда в начальной и дуговой стадии, надежность включения, высокая коммутационная способность, большой ресурс и высокие номинальные напряжения. Решение каждой из перечисленных проблем непосредственно связано с изучением физических явлений, определяющих развитие разряда в РВУ. Работа велась по следую-щим направлениям:

- изучение влияния параметров разрядного тока и инициирующего разряда на развитие сильноточного импульсного дугового разряда в вакуумных промежутках различной конфигурации с целью определения способов повышения надежности и уменьшения времени включения РВУ;

- изучение различных способов инициации сильноточного вакуумного дугового разряда с целью повышения ресурса узла поджига РВУ;

- исследование коммутационных характеристик сильноточных разрядников с целью изучения возможности повышения ресурса РВУ при коммутации токов более 100 кА;

- разработка научных основ повышения предельных параметров РВУ путем совершенствования конструкции электродной системы и оптимизации параметров инициирующего разряда для различных режимов работы.

Другой задачей, на решение которой направлена настоящая работа, является определение условий, обеспечивающих отключение постоянного тока в поперечном магнитном поле. Для выполнения этой задачи, работа велась по следующим основным направлениям:

- выбор и обоснование конструкции контактной системы ВДК с внешним поперечным магнитным полем;

- экспериментальное и теоретическое исследование условий нарушения устойчивости и гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле в зависимости от индукции магнитного поля, геометрии вакуумного промежутка и параметров внешней цепи;

- разработка научных основ создания вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока для требуемых режимов коммутации.

Объект и предметы исследований. Объектом исследований являлся сильноточный разряд в вакуумных промежутках различной конфигурации, который обладает рядом специфических свойств, отличающих его от других форм газового разряда. Характер развития вакуумного дугового разряда существенно зависит от режима горения дуги, геометрии электродной системы вакуумного промежутка и распределения магнитного поля как собственного, так и внешнего.

В качестве предметов исследований использовались макетные образцы электродной системы РВУ различной конфигурации и макетные образцы ВДК. В межконтактном промежутке последних формировалось аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на высоковольтных сильноточных стендах отдела 0200 ФГУП ВЭИ, оснащенных современной системой управления и диагностики, обеспечивающей одновременную регистрацию электрических характеристик разряда, импульсов зондового тока и излучения плазмы. Результаты измерений обрабатывались и оформлялись с помощью программ WaveStar и ORIGIN. Теоретические исследования проводились путем разработки феноменологических и физических моделей. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки экспериментальных данных, методы матема-тического анализа, методы теории электрических цепей и методы численного решения уравнений на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Предложена и апробирована оригинальная методика времяпролетных измерений скорости ионов с помощью плоского ленгмюровского зонда. Методика позволяет определить среднюю и направленную скорость ионного потока по измеренной зависимости зондового тока во времени.

2. В дуговой стадии импульсного разряда при скорости нарастания тока di/dt > 2·109 А/с и длине вакуумного промежутка d ~ 10 мм обнаружено формирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. 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. Впервые установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах. Полученные результаты позволили определить требования к параметрам инициирующего разряда и длине вакуумного промежутка, обеспечивающие устойчивое развитие сильноточного разряда при высокой скорости нарастания тока и, следовательно, минимальные энергетические потери, что важно для повышения ресурса узла поджига РВУ.





3. Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия образования катодных пятен под плазмой вакуумного разряда с током It при напряжении U: , где постоянная G определяется материалом электродов и состоянием поверхности катода. Предложена и экспериментально апробирована методика расчета коммутационных характеристик РВУ с отделенным от катода вспомогательным импульсным источником плазмы. Методика позволяет оптимизировать параметры вспомогательного источника. Полученные результаты способствовали разработке новых способов инициации разряда с целью повышения ресурса РВУ.

4. В результате экспериментального исследования инициации и развития импульсного сильноточного вакуумного разряда в стержневой электродной системе обнаружено явление быстрого перехода разряда от узла поджига в межстержневые промежутки. Найдено пороговое значение тока перехода iK = 5 – 9 кА, которое практически не зависит от скорости нарастания тока. Установлена корреляция между моментом появления резкого спада напряжения на вакуумной дуге и моментом образования нового разрядного канала в межстержневом промежутке. Предложена феноменологическая модель развития сильноточного дугового разряда в нестационарном пространственно-неоднородном скрещенном электромагнитном поле стержневой электродной системы. Полученные результаты позволили определить требования к конструкции стержневой электродной системы, обеспечивающие высокую коммутационную способность РВУ.

5. Предложена оригинальная конструкция ВДК, в межконтактном промежутке которой формируется аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле. Обнаружены и исследованы две характерные стадии развития дуги отключения, присущие практически всем вакуумным промежуткам с аксиально-симметричным магнитным полем: устойчивая и неустойчивая, которая характеризуется значительными осцилляциями напряжения и тока. Обнаружено, что в момент перехода из устойчивой стадии дуги в неустойчивую дуговой канал в межконтактном промежутке погасает.

6. Впервые определено распределение длительности устойчивой стадии дуги и тока отключения в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем при различных значениях индукции магнитного поля и параметрах внешней цепи. Установлено, что в магнитном поле экспериментальные распределения продолжительности устойчивой стадии дуги и отключаемого тока до 300 А удовлетворительно описываются двухпараметрическим вейбулловским законом с параметром формы b > 1, т.е. отличаются от экспоненциального распределения, присущего вакуумным промежуткам без внешнего магнитного поля. Из этих результатов следует, что наложение аксиально-симметричного магнитного поля изменяет статистические свойства вакуумной дуги отключения.

7. Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование критической плотности тока jin, ниже которой происходит нарушение устойчивого горения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле и найдены зависимости jin от длины межконтактного промежутка и индукции магнитного поля. Найдены условия нарушения устойчивости дуги в случае разведения контактов ВДК с магнитным полем при растущем во времени токе. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нарушение устойчивости будет происходить, если скорость роста критического тока diin(z)/dt, определяемая скоростью хода dz/dt контактов ВДК, превысит скорость нарастания тока внешней цепи.

8. Предложена математическая модель развития нестационарного слоя отрицательного объемного заряда в прианодной области вакуумного промежутка при нарушении устойчивого горения дуги, в которой размер слоя растет с постоянным ускорением ad. Развитая модель динамики анодного слоя позволила оценить температуру поверхности анода на завершающей стадии гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле. Определены возможные механизмы отказа отключения тока в ВДК с поперечным магнитным полем.

Практическая ценность работы

Выполненный цикл теоретических и экспериментальных исследований способствовал углубленному пониманию физических процессов, определяющих динамику проводимости сильноточного инициируемого импульсного электрического разряда в вакуумных промежутках различной конфигурации и нарушение устойчивости вакуумной дуги постоянного тока в поперечном магнитном поле. Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:

- показано, что для обеспечения минимальных энергетических потерь в начальной стадии развития вакуумного разряда и надежности включения РВУ скорость нарастания тока инициирующего разряда должна быть сравнима со скоростью нарастания тока основного разряда, а его длительность должна превышать время пролета ионами вакуумного промежутка;

- предложена схема РВУ со вспомогательным источником инициирующего разряда и разработана методика определения условий включения и расчета его коммутационных характеристик;

- определены способы совершенствования конструкции существующих типов РВУ;

- разработана оригинальная конструкция ВДК, в межконтактном промежутке которой формируется аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле;

- определены условия успешного отключения постоянного тока в ВДК с внешним магнитным полем: должно произойти нарушение устойчивости дуги и вакуумный промежуток должен выдерживать восстанавливающееся на нем напряжение.

- предложена методика оценки индукции магнитного поля и длины межконтактного промежутка ВДК, при которых происходит отключение постоянного тока;

- определены возможные причины отказа отключения тока в ВДК с поперечным магнитным полем и разработаны требования к конструкции вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока.

Результаты исследований использовались при проектировании новых типов сильноточных РВУ, способных многократно (104 - 105) коммутировать импульсные токи до 500 кА с величиной передаваемого заряда до сотен кулон, которые по своим характеристикам превосходят известные мировые аналоги, и при разработке ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем. На основе этой камеры разработан и успешно прошел сертификационные испытания вакуумный контактор постоянного тока КВО-3-25 на напряжение до 4 кВ. На предприятиях ОАО «НПП «КОНТАКТ»», г. Саратов, и ООО «Вакуумные технологии», г. Рязань, освоено мелкосерийное производство новых типов РВУ и вакуумных контакторов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследований, изложенных в работе, обеспечивается корректностью постановки задачи теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов регистрации электрических сигналов и излучения плазмы, точностью измерений, и подтверждается сравнением результатов экспериментальных исследований с аналитическим расчетом и численным моделированием, а также эксплуатационной надежностью внедренных аппаратов, подтвержденных многолетним опытом их применения.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.