Физические и технологические факторы, определяющие коммутационный ресурс и эффективность производства вакуумных дугогасительных камер

В современной технике коммутации электрических цепей переменного тока высокого напряжения (до 35 кВ) нашли широкое применение вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) [1−3]. Они являются исполнительными элементами коммутационной аппаратуры-различного назначения, используемой в различных областях промышленности: металлургической, горно-рудной, нефтегазовой, транспорте и т. д.

ВДК представляет собой, как правило, металлокерамическую конструкцию, в полости которой обеспечивается вакуум порядка 10*5 — 10″ 4 мм рт.ст. и в которой осуществляются механические замыкания и размыкания контактов. Таким образом, средой, где осуществляется непосредственная коммутация электрической цепи, является вакуум, в котором загорается и гаснет дуга [4,5].

Коммутационная аппаратура на базе ВДК имеет существенные преимущества перед однотипной аппаратурой, использующей другие среды (воздух, масло, элегаз). Применение ВДК обеспечивает компактность и простоту конструкции аппаратуры, ее малый вес и высокий коммутационный ресурс. Она не требует ухода в течение всего срока службы, поскольку контакты герметически защищены от внешних загрязнений, не требует специального оборудования, необходимого для поддержания нужного давления, как в газовых камерах. Процесс коммутации происходит практически бесшумно. Особо следует отметить экологичность аппаратуры на ВДК, в которой не используется ни масло, ни элегаз. В связи с этим нет необхо-' димости в применении специальных мер при обслуживании, в том числе по защите здоровья персонала, а также утилизации отходов и вышедших из строя элементов аппаратуры. Отмеченные, а также другие достоинства коммутационной аппаратуры на ВДК дают возможность прогнозировать дальнейшее развитие и расширение применения этих камер [6].

Первые образцы ВДК были созданы в 1926 году Соренсеном. Однако их интенсивная разработка и широкое применение начались только с 70-х годов прошлого столетия. В настоящее время разработка промышленных образцов ВДК и их производство осуществляется рядом фирм США, Германии, Японии и Китая. Разработчиками и изготовителями этих изделий в России являются ВЭИ (г. Москва), «Таврида-Электрик» (г. Москва), «Контакт» (г. Саратов), «Светлана» (г. С.-Петербург), «Вакуумная технология» (г. Рязань). Значительные успехи в развитии теории, конструировании и разработке ВДК связаны с именами Д. Лафферти, М. Шульмана, Г. Финка, Е. Даллини, В. И. Раховского, И. Г. Кесарева, Г. С. Белкина, Ю. Г. Ромочкина, И. А. Лукацкой, С. М. Школьника, А. М. Чалого, Ю. А. Баринова, К. К. Забелло, Р. В. Минаковой и др.

Расширение областей применения ВДК и возрастающий объем их использования требуют дальнейшего увеличения номенклатуры этих изделий, выпускаемых промышленностью, улучшения их эксплуатационных показателей и, в первую очередь, увеличения коммутационного ресурса, снижения массогабаритных параметров, продвижения к большим величинам напряжения и тока. В связи с этим перед разработчиками стоят задачи по более глубокому познанию физических процессов, происходящих в ВДК, поиску оригинальных конструкторских решений, созданию новых технологических приемов и оборудования, а также материалов, обеспечивающих постоянно возрастающие требования эксплуатации.

Одной из важнейших задач, обусловленных увеличивающейся потребностью ВДК, является дальнейшее повышение эффективности производства этих устройств в условиях увеличения серийности и расширения номенклатуры при уменьшении энергопотребления и расхода материалов.

Таким образом, представляются актуальными задачи, решение которых направлено на дальнейшее улучшение эксплуатационных показателей ВДК, совершенствование конструкции и технологии этих изделий, а также повышение эффективности их серийного производства.

Успешное решение проблемы дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей ВДК, в основном, сводится к задаче снижения интенсивности эрозионных процессов поверхности контактов под действием дуги. В решении этой задачи имеются два главных направления. Первоесоздание материалов с повышенной устойчивостью против эрозии при термических нагрузках, обусловленных дугой. Второе — уменьшение удельной термической нагрузки рабочих поверхностей контактов. В развитии первого направления постоянно ведутся интенсивные поиски [6−9]. Требования, предъявляемые к материалам контактов ВДК, весьма противоречивы, что обусловливает использование для этих целей многокомпозитных материалов. В настоящее время в качестве материала контактов широко применяется сплав «хром-медь». Среди работ по второму направлению можно отметить переход к форме контактов, имеющих поверхность их соприкосновения, отличной от плоской, в результате чего достигается увеличение рабочей поверхности контактов [10,11]. Однако главное внимание в этом направлении уделяется использованию магнитного поля [1215].

Эффективность производства ВДК во многом определяется профилем предприятия ее изготовителя, что в свою очередь зависит от того, каким по существу является этот тип изделия. Ответ на данный вопрос дает история практической реализации идеи коммутации электрической цепи с помощью вакуумной дуги. Несмотря на получение обнадеживающих результатов на первых образцах ВДК, Соренсеном был «сделан вывод относительно невозможности использования вакуума в качестве дугогаситель-ной среды по причине высокой стоимости устройства и сильной зависимости размыкающей способности от качества вакуума» [16]. Такой вывод был связан с отсутствием в то время необходимых вакуумных технологий, а также необходимых материалов [17]. И только тогда, когда был достигнут определенный прогресс в области электровакуумной технологии, были начаты активная разработка и промышленный выпуск ВДК [16]. Очевидно, достигнутый уровень вакуумной техники во многом был обусловлен потребностями электронного приборостроения, и, в первую очередь, разработкой СВЧ электронных приборов высокого уровня мощности. Более категоричное суждение по данному вопросу делается в работе [18], где сказано, что «для производства ВДК необходимо наличие оборудования, технологических процессов и особенно применения материалов, свойственных только электронной промышленности». Таким образом, общепризнано, что ВДК является изделием электровакуумной техники.

Целью настоящей диссертационной работы, посвященной решению некоторых из перечисленных выше задач [19], является исследование физических и конструкторско-технологических факторов, определяющих коммутационный ресурс и эффективность промышленного производства ВДК.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Выявление аналогий между физическими процессами, происходящими в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.

2. Проведение сравнения конструктивных и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.

3. Получение аналитических соотношений и исследование на их основе влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка поверхности контакта ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной вакуумной дуги.

4. Анализ состояния поверхности сферических контактов ВДК после долговременной работы в режимах коммутации тока номинальной величины и тока короткого замыкания.

5. Уточнение сценария развития эрозионных процессов контактов, приводящих к потери ВДК отключающих свойств.

6. Изучейие возможности перехода на технологию бесштенгельной откачки ВДК при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования.

7. Разработка технологии регенерации узлов и деталей ВДК и внедрение ее в серийное производство этих изделий.

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

1. Показана общность конструкторских и технологических решений, используемых в ВДК и электровакуумных приборах высокого уровня мощности (обеспечение герметичности в изделиях с подвижными конструктивными элементами, находящимися в вакууме, необходимость тренировки изделий после их откачки и др.), а также аналогия физических процессов, определяющих работу ВДК и мощных СВЧ-электровакуумных приборов: влияние магнитного поля на перенос носителей заряда в межэлектродном пространстве, эрозия поверхности термически нагруженных электродов и др.

2. Построена аналитическая модель, описывающая движение электронов слаботочной вакуумной дуги между контактами ВДК с поперечным магнитным пойем и позволяющая исследовать факторы, определяющие перемещение участка контакта, бомбардируемого электронами, по его поверхности.

3. Выполнен анализ состояния рабочей поверхности сферических контактов ВДК, прошедших раздельные ресурсные испытания при коммутации токов короткого замыкания и номинальных токов, показавший возможность увеличения коммутационного ресурса за счет минимизации несоосности контактов, а также введения тренировки при токах короткого замыкания.

4. Уточнён сценарий развития эрозионных процессов, приводящих к потере ВДК отключающих свойств при коммутации как токов короткого замыкания, так и номинальных токов, в котором важная роль отводится появлению с течением времени эксплуатации механических дефектов в поверхностном слое контактов в виде трещин и пор под воздействием короткой дуги, горящей в моменты размыкания и замыкания контактов.

5. Предложено техническое решение, обеспечивающее перевод серийного производства ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования (вакуумной печи), заключающееся в замене штенгеля на откачное отверстие, которое герметизируется при откачке по специальной технологии.

6. Разработан комплекс технологических процессов по регенерации ВДК, обеспечивающий извлечение из изделий, забракованных при производстве, отдельных узлов и деталей и последующую доработку для их повторного использования, повышающий экономическую эффективность крупносерийного производства. .

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается всесторонним анализом конструкторских и технологических решений, используемых в различных типах современных изделий электровакуумной техники, обеспечивается и подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также многолетним опытом серийного производства этих изделий.

На защиту выносятся:

1. Выявленная аналогия ряда физических процессов, определяющих работу ВДК и мощных СВЧ-электронных приборов (влияние магнитного ' поля на перенос носителей заряда в межэлектродном пространстве, эрозия поверхностей термически нагруженных электродов и др.).

2. Аналитическая оценка влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка контактов ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной дуги.

3. Экспериментальное подтверждение возможностей увеличения коммутационного ресурса ВДК при одновременном уменьшении ее поперечных габаритов за счет использования контактов сферической формы.

4. Обоснование важной роли в потере ВДК отключающих свойств механических дефектов (трещин, пор и раковин), развивающихся в поверхностном слое контактов в результате их эрозии под действием короткой дуги при их размыкании и замыкании и приводящих к снижению теп-лоотвода от поверхности контакта.

5. Конструкторские и технологические решения по переводу ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования. г.

6. Разработка и внедрение в серийное производство технологических процессов, обеспечивающих регенерацию деталей и узлов ВДК (керамических изоляторов, узлов контактов и др.).

Практическая значимость выполненных исследований:

— сравнение физических принципов работы ВДК и электровакуумных приборов высокого уровня мощности, их конструкции и технологии, позволяет в настоящее время и в перспективе использовать конструкторские и технологические решения, опробованные на электронных приборах, при разработке или модернизации ВДК;

— анализ состояния рабочей поверхности контактов образцов ВДК, прошедших ресурсные испытания, определяет направление работ по дальнейшему увеличению коммутационного ресурса изделий;

— проведенные конструктивно-технологическая проработка и экспериментальные исследования показали эффективность перевода серийно выпускаемых ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования;

— разработка и внедрение в серийное производство ВДК комплекса технологических процессов по регенерации основных узлов и деталей обеспечивают их повторное использование, а тем самым повышают эффективность производства.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, сентябрь 2006 г.), «Электронная и вакуумная техника: приборы, устройства и технология» (Саратов, февраль 2007 г.), «Радио и связь» (Саратов, май 2007 г.), а также на заседании научно-технического совета ГНПП «Контакт» и семинаре кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведено сравнение конструкторских и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электронных приборах высокого уровня мощности, а также ряда физических процессов, определяющих условия работы этих изделий. Их совпадение или аналогия, а также сходный цикл технологических процессов изготовления (сборка, откачка, герметизация, тренировка) позволили всесторонне обосновать подход к ВДК как к изделию электровакуумной техники.

Одновременно отмечено существенное отличие принципов работы ВДК и вакуумных электронных приборов. Если основным физическим фактором, определяющим работу ВДК, является вакуумная дуга, то возникновение дуги в электронных приборах приводит к выходу их из строя.

2. Проведен анализ ключевого режима работы ВДК, обеспечивающего коммутацию электрических цепей, на. основе подхода, свойственного силовой электронике. Выявлены особенности функционирования ВДК в режиме холостого хода, при коммутации номинального тока и тока короткого замыкания. Показано различие в условиях коммутации тока короткого замыкания при диффузной и сжатой формах вакуумной дуги в ВДК. Величина этого тока при диффузной форме дуги оказывается больше, чем в случае сжатой. Однако при сжатой форме значительно больше величина падения напряжения < дуги за счет появления прикатодного падения напряжения.

3. Прослежена аналогия между действием аксиального магнитного поля в ВДК и СВЧ-электронных приборов О-типа. Это поле в обоих случаях оказывает фокусирующее действие. В ВДК аксиальное магнитное поле препятствует вылету ионов из столба дуги, что способствует увеличению тока, при котором дуга переходит в сжатую форму, при которой происходит более интенсивная эрозия поверхности контактов.

4. Построена аналитическая модель движения электронов слаботочной вакуумной дуги между контактами ВДК с поперечным магнитным полем. Режим, при котором электроны бомбардируют контакт, являющийся анодом, определяется по аналогии с магнетроном как «докритический». В этом состоит принципиальное отличие ВДК с поперечным магнитным полем от приборов магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия, для которых свойственен так называемый «закритический» режим, когда электроны достигают анода лишь при наличии ВЧ поля.

5. Проанализирована зависимость перемещения области контакта, бомбардируемого электронами, от напряженности магнитного поля при изменении тока дуги, разброса скоростей вылета электронов из прикатодного слоя, расстояния между контактами. Определен характер этого перемещения в течение горения дуги. Перемещение места поверхности контакта, бомбардируемого электронами, распределяет термическую нагрузку по этой поверхности, и тем самым способствует снижению удельной термической нагрузки контактов ВДК при диффузной форме дуги.

6. Проведены раздельные ресурсные испытания ВДК со сферическими контактами при коммутации номинальных токов и токов короткого замыкания, подтвердившие возможность существенного увеличения ресурса в ВДК такой конструкции. Кроме того, испытания показали, что проведение тренировки ВДК при токах короткого замыкания увеличивает их ресурс при коммутации этих токов.

7. Исследованы состояния поверхности контактов ВДК после ресурсных испытаний, которые позволили установить:

— характер оплавления рабочих поверхностей ВДК при коммутации номинальных токов и токов короткого замыкания практически одинаков, отличие проявляется дашь в интенсивности оплавления;

— при использовании сферических контактов должны быть повышены требования к соосности контактов, а также к выполнению радиуса их сферической поверхности.

8. Прослежена аналогия в развитии эрозионных процессов поверхностей контактов ВДК и электродов импульсных приборов высокого уровня мощности, выражающаяся в появлении нарушения целостности структуры поверхностного их слоя под действием электронной бомбардировки. В результате нарушается теплоотвод с поверхности электродов, подверженных электронной бомбардировке, что приводит к выходу изделия из строя. Отличается лишь механизм образования этих нарушений в структуре. В ВДК этот механизм связан с неравномерным остыванием расплавленного материала контакта по окончании горения дуги. В импульсных электронных приборах он обусловлен действием напряжения сжатия и растяжения в материале электродов при импульсном характере термической нагрузки.

9. Обоснован поэтапный переход на однозаходную технологию изготовления ВДК, при которой совмещаются операции пайки всех деталей изделия, его откачки и герметизации. Первым этапом такого перехода является внедрение бесштенгельной откачки, позволяющей совместить операции откачки и герметизации при минимальном изменении конструкции ВДК и использовании существующего технологического оборудования. Внедрение такой технологии дает экономический эффект.

10. Проведена корректировка конструкции и технологии, обеспечивающая перевод типовой ВДК ДВКА5−10−20/1600 на технологию бесштенгельной откачки. Замена штенгеля на откачное отверстие, которое при откачке герметизируется заглушкой при расплавлении гофрированного кольца припоя, увеличивает проводимость эвакуационного канала изделия и сокращает время термической обработки, а, кроме того, увеличивает число одновременно размещаемых изделий в камере откачного оборудования. В результате сокращается в 2,5 раза время откачки, приведенное к одному изделию.

11. Рассмотрены особенности регенерации ВДК в условиях крупносерийного производства, позволяющей повторно использовать детали и узлы изделий, вышедших в брак при их изготовлении, что дает экономический эффект.

Обоснованы технические мероприятия по внедрению процесса регенерации ВДК в серийное производство, а также методики по их реализации. Разработаны специальные технологические операции, обеспечивающие подготовку деталей и узлов для повторного использования. Эти операции внедрены в производственный цикл серийного выпуска ВДК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.