Artur HEJDUK WYBRANE ZAGADNIENIA Z BADAŃ I PROJEKTOWANIA KOMÓR PRÓŻNIOWYCH STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące właściwości komór próżniowych, ich budowy, projektowania i badania. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniom wytrzymałości elektrycznej przerwy pomiędzy stykami w komorze jak i rozkładu pola elektrycznego w całej przestrzeni pomiędzy jej zaciskami. Ponadto zwrócono uwagę na wymagane charakterystyki mechaniczne komór dla zapewnienia prawidłowej pracy komory próżniowej oraz wpływu na procesy gaszeniowe. Słowa kluczowe: komora próżniowa, rozkład pola elektrycznego, łuk elektryczny, charakterystyki mechaniczne 1. WSTĘP Próżnia głównie ze względu na dużą wytrzymałość dielektryczna oraz nieszkodliwość dla środowiska znalazła zastosowanie w urządzeniach do gaszenia łuku elektrycznego. Jednakże projektowanie komór próżniowych obwarowane jest wymaganiami, zarówno co do samej budowy, jak i parametrów działania tj.: prędkość ruchu przy zamykaniu i otwieraniu, dopuszczalnym całkowitym czasem odbić styków, i siłą docisku styków. mgr inż. Artur HEJDUK e-mail: Hejduk@iel.waw.pl Zakład Wielkich Mocy, Instytut Elektrotechniki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 246, 2010
144 A. Hejduk Ważną rzeczą jest zapewnienie równomiernego rozkładu pola elektrycznego w całej komorze oraz odpowiednich parametrów w jakich dana komora będzie pracować. Należy uwzględnić wpływ działania łuku elektrycznego na zużywanie nakładek stykowych i konieczności stosowania ekranów kondensacyjnych. Ważną rzeczą jest zapewnienie szczelności połączeń oraz zapewnienie równomiernego rozkładu pola elektrycznego w całej komorze. Dla prawidłowej pracy komory niezbędne jest również zapewnienia odpowiednich parametrów w jakich dana komora będzie pracować. 2. BUDOWA KOMORY PRÓŻNIOWEJ Na rysunku 1 przedstawiono przekrój komory próżniowej 7,2 kv, 400 A. Wewnątrz obudowy ceramicznej znajduje się tor prądowy, składający się doprowadzeń oraz pary styków (1, 2). Kształt styków jest tak dobierany aby palący się, podczas operacji otwierania lub zamykania łuk elektryczny w jak najmniejszym stopniu zużywał nakładki stykowe, wykonane ze spieku miedzi z chromem (Cu 75%, Cr 25%). Rys. 1. Przekrój poprzeczny komory próżniowej: 1 styk nieruchomy, 2 styk ruchomy, 3 mieszek, 4 obudowa ceramiczna, 5 ekran kondensacyjny, 6 osłona mieszka, 7 okucia Ruch styku ruchomego (2) możliwy jest przez zastosowanie mieszka (3), który zapewnia szczelność całego układu oraz ma dużą wytrzymałość mechaniczna (rzędu kilkuset tysięcy cykli Z-W).
Wybrane zagadnienia z badań i projektowania komór próżniowych 145 Wewnątrz obudowy umieszcza się metalowy ekran kondensacyjny (5) w celu osłonięcia ceramicznej obudowy (4) od metalowych cząsteczek uwalnianych podczas palenia się łuku elektrycznego między stykami. Cząstki, które osadziłyby się na ceramicznej obudowie mogłyby zmniejszyć wytrzymałość dielektryczna komory. Podobną funkcję spełnia osłona mieszka (6) zabezpieczając mieszek przed osadzaniem się cząstek metali mogących pogorszyć jego prawidłowe działanie. Ciśnienie wewnątrz obudowy wynosi około 10-7 mbar i musi utrzymywać na tym poziomie przez cały okres eksploatacji komory. Aby to zapewnić komora powinna być wykonana ze specjalnych materiałów, wytrzymywać różnicę ciśnień, jak i udary mechaniczne podczas działania wyłącznika. Ponadto powinna mieć pewne i szczelne połączenia z metalowymi okuciami (7) i przejść wiele procesów technologicznych, a przed jej zainstalowaniu w wyłączniku podlega kondycjonowaniu. Kondycjonowanie, to proces usuwania chropowatości powierzchniowych: mikroostrzy powstałych na powierzchni styków. Może być wykonane udarami napięciowymi o zmiennej biegunowości lub prądem. Długa żywotność komory zależy głównie od jej trwałości mechanicznej, która z kolei uzależniona jest głównie od wytrzymałości mechanicznej mieszka [7]. 3. ŁUK ELEKTRYCZNY I JEGO GASZENIE W komorze próżniowej łuk elektryczny powstaje w chwili rozdzielenia się styków, co wiąże się ze zmniejszeniem powierzchni styczności, wzrostem rezystancji oraz temperatury miejsca styczności. Środowisko próżni charakteryzuje się brakiem elektronów swobodnych pomiędzy sykami. Pod wpływem silnego pola elektrycznego wyzwalane są one z materiału stykowego i przemieszczane w przestrzeń pomiędzy stykami. Następnie są one przyspieszane w silnym polu i z dużą energią uderzają w anodę. Inicjowanie przeskoku może wystąpić albo w wyniku rozgrzania i parowania anody na skutek bombardowań lub parowania mikroostrz katody [1]. W zależności od wartości prądu i fazy trwania łuku możemy rozróżnić różne formy łuku. Przy wartościach do około 10 ka łuk ma postać łuku dyfuzyjnego o jednakowej gęstości na całej powierzchni styków. Przy większych prądach łuk przybiera postać skupioną, przyciągany siłami elektrodynamicznymi poszczególnych kanałów prądowych, która powoduje wypalanie się nakładek stykowych. Postać łuku zmienia się też wraz z fazami powstawania wyładowania [6].
146 A. Hejduk Zasadniczy wpływ na rodzaj łuku ma pole magnetyczne. Dobierając odpowiednio kształt styków oraz nacięć na nakładkach stykowych możemy oddziaływać na pole magnetyczne generowane przez przepływający prąd zwarciowy. Składowa osiowa pola magnetycznego wymusza przepływ łuku. Natomiast składowa promieniowa wypycha łuk na obrzeża styku. Dlatego dąży się do zapewnienia równomiernego rozkładu składowej osiowej, aby zminimalizować wypalenie nakładek stykowych. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy kształt styku unipolarnego, oraz jego rozkład składowej osiowej pola magnetycznego rysunek 3. Rys. 2. Styk unipolarny Rys. 3. Styk unipolarny rozkład składowej osiowej, bez nacięć nakładek stykowych [5] W komorach próżniowych łuk elektryczny gaszony jest w wyniku szybkiej dyfuzji jonów i elektronów. Przy zbliżaniu się prądu do zera ciśnienie jonów i elektronów spada, i w wyniku intensywnej dejonizacji następuje zgaszenie łuku.
Wybrane zagadnienia z badań i projektowania komór próżniowych 147 Z uwagi na fakt że łuk gaśnie w pierwszej chwili przejścia przez zero, ilość energii wydzielonej podczas gaszenia jest mała co zapewnie dużą trwałość łączeniową. Eksperymentalne badania zjawisk związanych z łukiem elektrycznym wykonuję się w wykorzystaniem komór rozbieralnych powalających na analizę procesów w niej zachodzących. 4. OBLICZANIE ROZKŁADU POLA ELEKTRYCZNEGO Podczas projektowania komór jednym z etapów jest obliczenie rozkładu pola elektrycznego, którego celem jest określenie maksymalnych naprężeń w poszczególnych punktach projektowanej komory. Na rysunku 4 pokazano rozkład pola elektrycznego w różnych położeniach styku ruchomego, linie ekwipotencjalne rozmieszczone są co 2,5% napięcia. Rys. 4. Rozkład pola projektowej komory Na różnych etapach projektowania jesteśmy wstanie wyeliminować miejsca krytyczne, które mogły być źródłem lokalnych wyładowań niezupełnych, oraz możemy uzyskać równomierny rozkład pola. Z rysunku 5 wynika, że największe natę-
148 A. Hejduk żenie pola zlokalizowane jest na obrzeżach ekranu jak i na końcu metalowych okuć. Z uwagi na fakt że wytrzymałość dielektryczna próżni jest około 10 wyższa niż powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym możemy rozpatrywać tylko słabe punkty w izolacji w powietrzu (zaznaczony fragment literą A rys. 5). Jeśli przyjąć napięcie udarowe rzędu 60 kv 1,2/50 µs linie ekwipotencjalne rozmieszczone są co 1,5 kv. A zatem na dwa milimetry odstępu okucia od ceramiki gdzie przypada około 9 kv, czyli jest kilkakrotnie przekroczona wartość wytrzymywana. Jest to miejsce gdzie wystąpią lokalne wyładowania. Rys. 5. Pole elektryczne pomiędzy ekranem a metalowymi okuciami projektowanej komory 7,2 kv, linie ekwipotencjalne co 2,5% W kolejnych krokach projektowania dąży się do wyeliminowania tych naprężeń przez zastosowanie np.: pierścieni ekranujących oraz zmieniony kształt ekranu kondensacyjnego. Wyliczenie rozkładu pola pozwala na szybkie określenie właściwej budowy komory bez konieczności wykonywania prób sprawdzających. 5. CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE KOMORY Cały proces zamykania i otwierania jest ściśle określony konkretnymi wymaganiami producenta komór jakie muszą być uwzględnione przy ich instalowaniu w gotowym urządzeniu rysunek 6.
Wybrane zagadnienia z badań i projektowania komór próżniowych 149 Głównym wymogiem jest zapewnienie odpowiednich prędkości otwierania i zamykania wyłącznika. Prędkość zamykania mierzona w ostatniej 1/3 fazy schodzenia się styków powinna wynosić 1 m/s ± 0,2. Natomiast prędkość otwierania mierzona w pierwszych 2/3 fazy rozchodzenia się styków powinna wynosić 1,2 m/s ± 0,2. Mierzenie prędkości w tych przedziałach czasowych ma konkretne uzasadnienie ponieważ zachodzą w nich najważniejsze procesy łączeniowe. Pozwala to właściwie ocenić zdolności łączeniowe tj. uwzględnia m.in. wpływ prędkości otwierania na proces zgaszenia łuku, oraz możliwość trwałego szczepienia komory w wyniku samozapłonów przy zamykaniu. Rys. 6. Charakterystyka mechaniczna komory próżniowej wraz z podstawowymi parametrami Kolejnym ważnym wymogiem jest siła docisku styków. Na skutek zużywania się powierzchni nakładek stykowych zmniejsza się powierzchnia zestyku. Z tego względu konieczna jest zapewnienie odpowiedniej siły działające bezpośrednio na styki komory aby przez cały czas eksploatacji komory styczność a tym samym oporność przejścia była jednakowa. Siły te zależą od wartości prądów wyłączalnych i tak dla: 12,5 ka 550 F 650 N, 16 ka 710 F 1200 N, 25 ka -1800 F 2100 N. Przy operacji zamykania zwykle występują drgania styków tj. odskoki. Związane jest to z zderzeniem się styków. Aby w tej fazie nie następowała
150 A. Hejduk inicjacja łuku czas trwania odskoków styków jest także określony. Aparat, w którym zainstalowane będą komory musi zapewniać właściwe tłumienie drgań. Maksymalny dopuszczalny całkowity czas odskoków (tc1) max 5 ms. Największy dopuszczalny czas przerwy bezstykowej (tc2) max 2 ms. Dodatkowo określone są inne parametry widoczne na charakterystyce rysunek 6. 6. PODSUMOWANIE Komory próżniowe znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle. Przewiduje się że 2010 przeszło 80% wszystkich sprzedawanych wyłączników średniego napięcia będzie miało komory próżniowe. Stopniowo wypierają wyłączniki pneumatyczne, małoolejowe czy z izolacja SF 6. Dąży się do opracowania komór na wysokie napięcie powyżej 120 kv oraz do minimalizacji wymiarów styków jak i całych komór. LITERATURA 1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć, WNT 1983, str. 9-134. 2. Groszkowski J.: Zagadnienia próżni w nauce, technice i przemyśle, WNT 1983. 3. Janiszewski J., Józefowicz K.: Oddziaływanie elektrycznego łuku łączeniowego na powierzchnie zestyków łączników próżniowych, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 10/2008, str. 155-158. 4. Krasuski K.: Pole magnetyczne pomiędzy stykami komór próżniowych, Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 243, 2009. 5. Sibilski H., Dzierżyński A., Krasuski K.: Rozkład pola magnetycznego pomiędzy stykami w komorach próżniowych wyłącznika, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 24 2008, Politechnika Gdańska 2008, str. 83-88. 6. Maksymiuk J.: Aparaty elektryczne, WNT 1992, str. 183-217. 7. Slade P. G.: The Vacuum Interrupter. Theory, Design, and Application, CRC Press 2008. Rękopis dostarczono dnia 11.05.2010 r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Marian Pasko
Wybrane zagadnienia z badań i projektowania komór próżniowych 151 A SELECTED PROBLEMS JOIN WITH DESIGNING OF THE VACUUM INTERRUPTER A. HEJDUK ABSTRACT The paper briefly discusses the selected problems concerning properties of vacuum chambers, their construction, design and testing. Special attention was paid to electrical withstand between contacts and electrical field distribution in the whole vacuum chamber. Attention was paid to the mechanical characteristics responsible for the proper behavior of vacuum chambers during switching of short circuit currents. Mgr inż. Artur HEJDUK, w 1997 r. ukończył Technikum Elektryczno-Mechaniczne w Celestynowie i rozpoczął studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. W 2003 r. uzyskał dyplom magistra specjalizując się w zakresie Elektroenergetyki. W tym samym roku rozpoczął pracę w Instytucie Elektrotechniki (IEL) w Warszawie w Laboratorium Badawczym Aparatury Rozdzielczej na stanowisku inżynier laborant. Brał czynny udział w przygotowaniu i wykonaniu badań aparatów i urządzeń elektrycznych, również jako kierownik badań. W styczniu 2007 został zatrudniony w Zakładzie Wielkich Mocy IEL na stanowisku inżyniera, a od grudniu 2007 pracuje jako pracownik naukowy na stanowisku asystenta, gdzie bierze czynny udział w pracach badawczo-rozwojowych i kontrolno-pomiarowych. Jego działalność naukowa skoncentrowana jest w zakresie projektowania i obliczeń urządzeń elektroenergetycznych oraz aparatury rozdzielczej. W pracy posługuje się specjalistycznym oprogramowaniem m.in. Alibre Design do projektowania przestrzennych modeli projektowanych urządzeń oraz Autodesk Algor Simulation do obliczeń i analiz mechanicznych wykorzystującą metodę elementów skończonych. Od lutego 2008 roku jest słuchaczem na studiach doktoranckich w IEL.
152 A. Hejduk