СПОСОБ ТРЕНИРОВКИ МЕЖКОНТАКТНОГО ЗАЗОРА ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2007 года по МПК H01H33/664 H01H11/00 

Изобретение относится к технологии изготовления высоковольтных вакуумных выключателей и касается тренировки в них межконтактного зазора высоким напряжением в процессе вакуумно-технологической обработки.

Предлагаемый способ может найти применение при изготовлении вакуумных выключателей, переключателей и реле, а также ряда других высоковольтных электровакуумных приборов.

Вакуумные выключатели с целью получения в них высокой электрической прочности межконтактного зазора и высокого вакуума, необходимых для надежной работы, подвергаются на откачных постах вакуумно-термической обработке, которая включает в себя операцию тренировки высоким напряжением при разомкнутых (разведенных) контактах.

Известен способ тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей переменным напряжением частотой 50 Гц [1]. Однако этот способ тренировки имеет существенные недостатки, один из которых состоит в следующем. При тренировке высоким напряжением напряжение на межконтактном зазоре изменяется плавно от одного максимума до другого в течение полупериода. Однако в реальных условиях эксплуатации рабочее напряжение на межконтактный зазор подается не плавно от нуля до максимума, а прикладывается сразу полное рабочее напряжение, при этом скорость его нарастания настолько велика, что она часто ведет к пробою межконтактного промежутка и к снижению тем самым надежности работы выключателя.

Известен также способ тренировки межконтактного зазора импульсным напряжением одной полярности, при котором скорость нарастания напряжения на межконтактном зазоре соизмерима со скоростью нарастания напряжения в реальных условиях эксплуатации. Однако при тренировке межконтактного зазора вакуумных выключателей импульсным напряжением одной полярности поверхности контактов тренируются не равной степени ввиду того, что во время тренировки не происходит смена анода с катодом. В реальных условиях эксплуатации, например при работе вакуумного выключателя в цепях высокочастотного тока, происходит попеременная смена анода с катодом, ведущая, вследствие неравномерной тренировки поверхностей контактов, к вероятности пробоя межконтактного зазора и, следовательно, к снижению надежности и срока службы вакуумных выключателей.

Чтобы повысить качество тренировки, был предложен способ тренировки межконтактного зазора импульсным напряжением разной полярности [2]. Это позволило получить в равной степени тренированные поверхности контактов и более высокое качество их тренировки, что существенно уменьшило вероятность пробоя межконтактного зазора в реальных условиях эксплуатации при работе вакуумных выключателей с разомкнутыми контактами. Однако и этот способ тренировки, как и описанные выше, имеет существенный недостаток, который состоит в следующем. Известно, что элементы схемы, используемые при тренировке, имеют достаточно большую индуктивность (индуктивность проводов, служащих для подключения тренируемого вакуумного выключателя к источнику высокого напряжения, выводов и токопроводов изделий и т.д.). В момент пробоя через разрядный промежуток кратковременно идет разрядный ток. Вследствие малой длительности пробоя скорость изменения тока во времени di/dt имеет большое значение, а это ведет к возникновению в цепи ЭДС самоиндукции, значительно превышающей величину подаваемого при тренировке на межконтактный зазор тренировочного напряжения. Возникающие из-за ЭДС самоиндукции в цепи перенапряжения приводят к повторному пробою межконтактного зазора, так как в описанных выше способах не приняты меры по их предупреждению. Следствием этого является дополнительное интенсивное распыление материала электродов (контактов) за счет мощных пробоев от перенапряжений. Распыляемый при этом материал контактов частично осаждается на внутренней поверхности оболочки. Наличие на внутренней поверхности изоляционной оболочки металлической пленки распыления материала контактов повышенной толщины, за счет пробоев от перенапряжений, увеличивает токи утечки и нагрев изоляционной оболочки, а также способствует увеличению коэффициента вторичной эмиссии электронов, что является причиной возникновения вторично-электронного резонансного (или полифазного) разряда. В случае работы вакуумных выключателей с разомкнутыми контактами, особенно на высоких частотах, это в совокупности ведет к локальному проплавлению стеклянных или треску керамических оболочек и к снижению тем самым надежности работы и срока службы (долговечности) вакуумных выключателей.

Ближайшим техническим решением по снижению распыления материала контактов в процессе тренировки является способ, описанный в [3]. Снижение распыления материала при тренировке высоким напряжением межконтактного зазора по этому способу достигнуто за счет ограничения мощности повторных пробоев, от возникающих перенапряжений в цепи после первичных пробоев, путем подачи напряжения при тренировке одновременно на разомкнутые контакты и параллельно включенный с ними срезающий разрядник, срабатывающий при достижении перенапряжений выше в 1,2...1,3 раза напряжения при тренировке.

Однако и этот способ, как и выше описанные, имеет существенный недостаток, который состоит в следующем. По мере увеличения амплитуды импульса тренирующего напряжения возрастает мощность пробоев, которые из-за значительного газоотделения и образования большого количества паров материала контактов (электродов) в момент пробоя переходят в газовый разряд. В результате это ведет к интенсивному распылению материала электродов (контактов) и появлению эффекта «перетренировки» их поверхностей, что проявляется в резком снижении электропрочности межконтактного зазора из-за существенного ухудшении микрорельефа поверхностей контактов вследствие мощных пробоев, повышению токов утечки и коэффициента вторичной электронной эмиссии электронов. В совокупности отмеченное снижает надежность и долговечность работы вакуумных выключателей при разомкнутых контактах.

Таким образом, в рассмотренных выше способах тренировки межконтактного зазора проблема существенного снижения распыления металла с поверхностей контактов, при пробоях в процессе тренировки высоким напряжением, не нашла эффективного решения, т.е. не найдены эффективные пути повышения надежности и долговечности работы вакуумных выключателей при разомкнутых контактах.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа тренировки, включающего подачу напряжения на разомкнутые контакты, выдержку межконтактного зазора при установленном напряжении до исчезновения пробоев и последующего увеличения амплитуды тренирующего напряжения, по предлагаемому способу тренировку ведут путем подачи напряжения одновременно на разомкнутые контакты и параллельно включенный с ними управляемый разрядник, напряжение на поджиг которого, при возникновении мощного пробоя или газового разряда между контактами, подают с установленного последовательно с контактами резистивного делителя напряжения на управляющий электрод разрядника. Кроме того, управляемый разрядник одновременно выполняет функцию срезающего разрядника, а резистивный делитель напряжения цепи обратной связи выполнен регулируемым.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ тренировки межконтактного зазора высоким напряжением отличается тем, что по предлагаемому способу тренировку ведут путем подачи напряжения одновременно на разомкнутые контакты и параллельно включенный с ними управляемый разрядник, напряжение на поджиг которого, при возникновении мощного пробоя или газового разряда между контактами, подают с установленного последовательно с контактами резистивного делителя напряжения на управляющий электрод разрядника. Кроме того, управляемый разрядник одновременно выполняет функцию срезающего разрядника, а резистивный делитель напряжения цепи обратной связи выполнен регулируемым.

Таким образом, заявляемый способ тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей высоким напряжением соответствует критерию изобретения «новизна». Анализ известных технических решений [1-3] позволяет сделать вывод об отсутствии у них признаков, сходных с отличительными (существенными) признаками заявляемого способа тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей высоким напряжением, и признать заявляемое техническое решение соответствующим изобретательскому уровню.

Проведение тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей путем подачи напряжения одновременно на разомкнутые контакты и параллельно включенный с ними управляемый разрядник, напряжение на поджиг которого при возникновении между контактами газового разряда или «мощных» пробоев снимают с установленного последовательно с контактами резистивного делителя напряжения, позволяет резко ограничить длительность существования газового разряда и «мощных» пробоев между контактами. Обусловлено это тем, что при их возникновении с резистивного делителя напряжения на управляющий (поджигающий) электрод разрядника за счет цепи обратной связи мгновенно подается напряжение и, как только разность потенциалов между поджигающим (управляющим) и заземленным электродами разрядника достигает потенциала зажигания, разрядник мгновенно срабатывает и шунтирует межконтактный зазор. При этом происходит принудительное прерывание газового разряда или мощных пробоев между разомкнутыми контактами. Следовательно, при использовании для тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей предлагаемого способа за счет наличия обратной связи происходит принудительное гашение газового разряда и (или) автоматическое прерывание «мощных» пробоев при резком ограничении длительности их существования.

Ограничение длительности существования газового разряда и (или) мощных пробоев резко снижает распыление металла с поверхностей контактов, т.е. в итоге снижает напыление металла контактов на внутреннюю поверхность диэлектрической оболочки. В результате этого уменьшается ток утечки, улучшается микрогеометрия поверхностей контактов благодаря «мягкой» их тренировки, снижается нагрев изоляционной оболочки при работе вакуумных выключателей с разомкнутыми контактами в высокочастотных цепях, что повышает их надежность работы, срок службы и процент выхода годных. Кроме того, ограничение длительности «мощных» пробоев повышает качество тренировки, так как при предлагаемом способе тренировки сводится до минимума вероятность перетренировки поверхностей контактов, что также способствует повышению надежности работы, срока службы и процента выхода годных вакуумных выключателей.

Резистивный делитель напряжения выполнен регулируемым для обеспечения оптимального режима тренировки, который зависит от конструкции контактной группы, теплофизических свойств материала контактов, межконтактной емкости, исходного состояния поверхности контактов, расстояния (зазора) между ними и ряда других факторов.

Управляемый разрядник при тренировке может быть использован совместно со срезающим разрядником или без него. В последнем случае напряжение срабатывания управляемого разрядника между его высокопотенциальным и заземленным электродами устанавливают аналогичным, как для срезающего разрядника (в 1,2...1,3 раза выше максимального напряжения при тренировке) при отключенным от цепи обратной связи управляющим (поджигающим) электродом разрядника. После установки величины «срезающего» напряжения управляющий электрод подключают к резистивному делителю напряжения цепи обратной связи. Это позволяет упростить схему тренировки и ее стоимость, поскольку в этом случае управляемый разрядник одновременно выполняет и функцию срезающего разрядника.

Тренировку согласно предлагаемому способу проводят в следующей последовательности с использованием схемы, приведенной на чертеже. Сначала для каждого конкретного типа выключателя определяют экспериментальным путем оптимальную величину сопротивления цепи обратной связи, с которого подается напряжение «поджига» на управляющий электрод разрядника, т.е. величину сопротивления, при которой обеспечивается наилучший режим тренировки при минимальном распылении металла контактов. Затем на разомкнутые контакты 2 и 3 вакуумного выключателя 1 подают напряжение от высоковольтного источника питания 4 постоянного, импульсного или переменного тока. По мере увеличения величины напряжения на разомкнутых контактах возникают пробои межконтактного промежутка. Они ведут к выделению в разрядный промежуток остаточных газов, адсорбированных на поверхности и растворенных в толще контактов, и паров распыляемого металла контактов под воздействием электронной бомбардировки их поверхностей и локального расплавления и испарения металла в зоне пробоя. Наличие в межэлектродном (межконтактном) зазоре при высоком напряжении такой парогазовой среды способствует возникновению «мощных» пробоев и (или) газового разряда. При их возникновении на сопротивлениях резистивного делителя напряжения 5 создается падение напряжения, которое автоматически подается на управляющий (поджигающий) электрод 6 управляемого разрядника 7. Как только разность потенциалов между поджигающим (управляющим) электродом 6 и заземленным электродом 8 управляемого разрядника 7 достигнет потенциала зажигания, между электродами 6 и 8 возникает газовый разряд, который мгновенно перебрасывается к высокопотенциальному электроду 9 управляемого разрядника 7. В результате управляемый разрядник срабатывает и шунтирует тем самым межконтактный зазор. При этом автоматически происходит прерывание газового разряда или мощного пробоя между разомкнутыми контактами вакуумного выключателя. Для приведения управляемого разрядника в исходное состояние напряжение с тренируемого межконтактного зазора и управляемого разрядника снимают.

После погасания управляемого разрядника напряжение на тренируемый межконтактный зазор и параллельно включенный с ним управляемый разрядник подают вновь, повышая его плавно или ступенями до возникновения следующего пробоя и (или) газового разряда, повторяя указанный выше цикл до завершения тренировки межконтактного зазора вакуумного выключателя. Тренировку считают законченной, если при граничном для данного типа вакуумного выключателя напряжении отсутствуют электрические пробои в течение определенного интервала времени, длительность которого определяется конструктивно-технологическими факторами, теплофизическими свойствами металла контактов, величиной граничного напряжения и другими факторами.

В случае возникновения в процессе тренировки перенапряжений в цепи управляемый разрядник работает в режиме срезающего разрядника и срабатывает по цепи высоковольтный (высокопотенциальный) электрод 9 - заземленный электрод 8, если в момент пробоя перенапряжения будут превышать в 1,2...1,3 раза максимальную величину напряжения тренировки.

Таким образом, использование предлагаемого способа тренировки межконтактного зазора высоким напряжением обеспечивает, по сравнению с существующими, следующие преимущества:

- снижает распыление металла контактов и тем самым уменьшает токи утечки и снижает нагрев изоляционной оболочки;

- исключает эффект «перетренировки» контактов.

В совокупности отмеченное выше позволяет повысить надежность работы и срок службы вакуумных выключателей при разомкнутых контактах, а также процент их выхода годных.

Источники информации

1. Попов Н.А и др. Вакуумная дугогасительная камера КДВак-5. Передовой научно-технический опыт, ГОСИНТИ, 1962. БИ №11.

2. Авторское свидетельство СССР №312316, кл. Н01Н 33/66. БИ №25, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР №710081, кл. Н01Н 33/66. БИ №2, 1980.

Изобретение относится к технологии изготовления высоковольтных вакуумных выключателей и касается тренировки в них межконтактного зазора высоким напряжением в процессе вакуумно-технологической обработки. Согласно способу тренировку ведут путем подачи напряжения одновременно на разомкнутые контакты и параллельно включенный с ними управляемый разрядник, напряжение на поджиг которого, при возникновении мощного пробоя или газового разряда между контактами, подают с установленного последовательно с контактами резистивного делителя напряжения на управляющий электрод разрядника. Предлагаемый способ может найти применение при изготовлении вакуумных выключателей, переключателей и реле, а также ряда других высоковольтных электровакуумных приборов. Технический результат - повышение надежности работы и срока службы выключателей, а также процента выхода годных выключателей за счет снижения распыления металла контактов, уменьшения токов утечки и нагрева изоляционной оболочки, а также за счет исключения эффекта «перетренировки» контактов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей высоким напряжением, включающий подачу на разомкнутые контакты напряжения, выдержку при установленном напряжении до исчезновения пробоев и последующем увеличении амплитуды подаваемого напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества тренировки и надежности работы, по предлагаемому способу тренировку ведут путем подачи напряжения одновременно на разомкнутые контакты и параллельно включенный с ними управляемый разрядник, напряжение на поджиг которого при возникновении мощного пробоя или газового разряда между контактами подают с установленного последовательно с контактами резистивного делителя напряжения на управляющий электрод разрядника.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляемый разрядник одновременно выполняет роль срезающего разрядника.3. Способ по пп.1 или 2, отличающийся тем, что резистивный делитель напряжения цепи обратной связи выполнен регулируемым.