Управляемый вакуумный разрядник с высокой отключающей способностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Бунин, Роман Алексеевич

• Бунин, Роман Алексеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Бунин, Роман Алексеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Обзор литературных источников, посвящённых управляемым вакуумным разрядникам

1.] Принцип работы управляемого вакуумного разрядника

1.1.1 Конструкция управляемого вакуумного разрядника

1.1.2. Принцип работы управляемого вакуумного разрядника

1.2 История создания и существующие типы РВУ

1.2.1 История создания РВУ

1.2.2 Существующие типы РВУ

1.3 Области применения РВУ

1.3.1 Импульсные технологии

1.3.2 Управляемая коммутация

1.3.3 Ограничение перенапряжений и защита оборудования

1.3.4 Выключатели для коммутации постоянного тока

1.3.5 Ограничение токов короткого замыкания

1.4 Предельные параметры РВУ

1.4.1 Вакуумная дуга

1.4.2 Модели вакуумной дуги

1.4.3 Отключающая способность

1.4.4 Электрическая прочность

Выводы по главе 1

Глава 2. Объект исследования, условия и методика проведения эксперимента, методы проведения расчётов

2.1 Объект исследования

2.2 Исследованные образцы РВУ

2.3 Испытательные стенды для исследования отключающей способности РВУ

2.4 Испытательный стенд для исследования электрической прочности РВУ

2.5 Методы проведения расчётов

2.5.1 Метод проведения расчётов нагрева анода

2.5.2 Методы расчёта электромагнитных полей

2.5.2.1 Методика расчёта электростатических полей

2.5.2.2 Методика расчёта электромагнитных полей

Выводы по главе 2

Глава 3. Иследование отключающей способности управляемых вакуумных разрядников

3.1 Испытания вакуумных коммутационных приборов на отключающую способность

3.1.1. Испытания РВУ на отключающую способность при использовании низковольтных испытательных стендов

3.1.2. Расчёт отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой

3.1.3. Результаты экспериментального исследования отключающей способности РВУ с дисковой электродной системой

3.1.4. Обсуждение результатов

3.2 Феноменологическая модель развития сильноточного разряда в РВУ со стержневой системой электродов при протекании токов промышленной частоты

3.3 Экспериментальное и расчётное исследование развития вакуумного разряда в стержневой электродной системе

3.3.1 Экспериментальное исследование площади занимаемой дугой при горении

3.3.2 Исследование параллельной работы РВУ

3.3.3 Исследование распределения электромагнитного поля для РВУ со стержневой электродной системой

3.3.4 Исследование напряжения дуги в РВУ со стрежневой электродной системой

3.4 Методика расчёта отключающей способности РВУ со стержневой электродной системой

Выводы по главе 3

Глава 4. Исследование электрической прочности рву

4.1 Сравнение расчётных и экспериментально полученных значений электрической прочности РВУ

4.2 Исследование зависимости электрической прочности РВУ от размеров электродной системы

4.3 Исследование зависимости электрической прочности РВУ от размеров экранной системы и конфигурации узла поджига

4.4 Расчёт электрической прочности последовательно-параллельного соединения РВУ

4.5 Высоковольтный быстродействующий коммутатор

Выводы по главе 4

Заключение

Список используемых сокращений

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управляемый вакуумный разрядник с высокой отключающей способностью»

Введение

Развитие промышленного и жилищного сектора экономики, а также экономики в целом, тесно связано с развитием электроэнергетических систем и энергетических сетей, вследствие роста потребляемых мощностей для нужд предприятий и инфраструктуры мегаполисов. Это приводит к соответствующему увеличению генерируемых мощностей, усилению связей с соседними энергосетями и созданию крупных объединенных систем, охватывающих не только территории отдельных стран, но и целые континенты. Неизбежным следствием такого развития является рост токов короткого замыкания (КЗ).

Максимальный уровень токов короткого замыкания, определяющий требования к электрическим аппаратам и оборудованию, становится критическим параметром, затрудняющим развитие электрических систем. Рост уровня токов КЗ приводит к необходимости увеличения изоляции трансформаторов, увеличению размеров выключателей, повышению их отключающей способности, к необходимости проведения других технических мер по защите от последствий КЗ, что, безусловно, приводит к удорожанию и усложнению оборудования. Другим путём решения проблемы может быть уменьшение уровня токов КЗ, за счёт применения специального токоограничивающего оборудования. Таким образом, величина максимального уровня тока КЗ — это технико-экономический параметр, определяющий целесообразность ограничения тока КЗ или замену оборудования на новое, способное выдержать увеличенные значения токов КЗ. Учитывая, что второй путь является высокозатратным, на сегодняшний день происходит активное исследование и разработка токоограничивающих устройств (ТОУ) и мероприятий по ограничению уровней токов КЗ.

Возросший интерес к этой тематике связан с актуальностью проблемы и развитием электротехники, позволяющим создать новые типы устройств токоограничения. Так по данным специалистов ОАО «ФСК ЕЭС», уже в

настоящее время на целом ряде подстанций московской энергосистемы токи КЗ приближены к предельным значениям, не позволяющим увеличить нагрузку данных подстанций при реконструкции и сооружении новых линий связи с вводимыми генерирующими источниками.

В настоящее время в сетях промышленных предприятий, электростанций и подстанций напряжением до 35 кВ ограничение токов КЗ достигается, в основном, за счет применения токоограничивающих реакторов и трансформаторов с расщепленными обмотками. В сетях напряжением выше 35 кВ основными являются схемно-технические решения, обеспечивающие секционирование сети и организацию автоматического деления сети при аварийных ситуациях.

Однако все эти решения приводят к снижению надежности электроснабжения потребителей, увеличению потерь в системе, снижению качества напряжения на его шинах, так как ограничение токов КЗ достигается за счет увеличения суммарного реактанса сети. Проблема ограничения токов КЗ является весьма актуальной для всех стран мира. Решением этой проблемы занимаются практически все крупные электротехнические компании и международные научные организации, такие как СИГРЭ и IEEE.

Применение ТОУ нового поколения в электрических сетях должно решить следующие проблемы:

- возможность продолжения использования существующего на станциях и подстанциях коммутационного оборудования при подключении дополнительных мощностей или подключении новых линий;

- снижение затрат на коммутационное оборудование на вновь строящихся объектах;

- отказ от секционирования электрических сетей 110 — 500 кВ, обеспечивающий повышение надежности работы системы;

- повышение надежности питания промышленных предприятий;

- повышение качества электроэнергии за счет уменьшения эквивалентного индуктивного сопротивления сети;

- повышение надежности работы электрооборудования за счет снижения электродинамических и тепловых воздействий при ограничениях ударных и установившихся токов КЗ;

- упрощение схем электроснабжения за счет возможности организации распределения электроэнергии с шин генераторного напряжения;

- уменьшение потерь электроэнергии и напряжения за счет замены традиционных токоограничивающих реакторов.

Одним из предложенных вариантов решения проблем токоограничения может быть высоковольтный быстродействующий коммутатор (ВБК). Такое устройство устанавливается на подстанции параллельно группе защищаемых выключателей. Принцип работы такого аппарата заключается в шунтировании КЗ, то есть в создании искусственного короткого замыкания, которое делит аварийный ток КЗ между цепью защищаемого выключателя и цепью ВБК, тем самым снижая ток в защищаемой ветви. Это позволяет отключить аварийный ток КЗ при наиболее благоприятных для сетевого выключателя условиях (ограниченное значение тока КЗ, отсутствие восстанавливающегося напряжения в момент отключения), после чего ВБК отключает сопровождающий ток КЗ.

ВБК представляет собой коммутационное устройство, выполняющее функции как короткозамыкателя, так и выключателя, то есть к нему применяются следующие требования:

- ВБК должен быть способен быстро включать (единицы миллисекунд) и проводить токи КЗ в течение определённого установленного времени (функции короткозамыкателя).

- ВБК должен быть способен отключать токи КЗ и выдерживать восстанавливающееся напряжение (функции выключателя).

К положительным качествам таких ТОУ относится способность защищать одновременно большое количество сетевых выключателей, большой выбор в способах размещения и использования в сетях. По сравнению с другими современными способами токоограничения, ВБК является относительно простым устройством в эксплуатации и управлении. По сравнению со сверхпроводящими токоограничителями, нет необходимости в наличии криогенного хозяйства на подстанции, а по сравнению с взрывными ограничителями, нет длительных перебоев в электроснабжении и проблем, связанных с наличием в них взрывчатых веществ. Также к достоинствам можно отнести то, что такое устройство можно реализовать уже сегодня на существующей материально-технической базе, нет необходимости, как со сверхпроводящими токоограничителями, ждать удешевления используемых материалов.

Такие устройства наиболее актуальны для сетей 110 кВ и выше, с токами КЗ 63 кА и более. При этом основной задачей при реализации таких ТОУ является выбор и проектирование используемого коммутационного элемента ВБК. Теоретически возможно использовать, к примеру, полупроводниковые ключи или быстродействующие электромеханические аппараты, однако их использование представляется не перспективным, ввиду больших массогабаритных и стоимостных показателей при реализации проектов на большие токи и напряжения.

Наиболее перспективным прибором для использования в качестве коммутирующего элемента ВБК является управляемый вакуумный разрядник (РВУ). Это вакуумный коммутационный прибор, позволяющий производить коммутацию токов большой величины. По сути, РВУ представляет собой аналог тиристора: у него есть два основных и один (или более) управляющий электрод. При подаче сигнала управления на управляющий электрод происходит включение основной цепи. Впервые концепция управляемого вакуумного разрядника была предложена в 60-х гг. прошлого столетия. На сегодняшний день такие устройства разрабатываются и производятся в

нескольких научных центрах мира и имеют широкий спектр параметров и конструкций.

В основном РВУ используются для коммутации больших емкостных нагрузок в мощных электрофизических и промышленных установках, при этом в энергетике применение РВУ ограничено и не существует типов разрядников, рассчитанных для работы в высоковольтных сетях 50Гц. Таким образом, на сегодняшний день РВУ не обеспечивают полное удовлетворение указанных выше (110 кВ, 63 кА) параметров на один элемент, как по току, так и по напряжению. Поэтому ВБК должен содержать вакуумный модуль из последовательно-параллельно соединенных РВУ. Одной из основных задач, которая стоит для исследования и разработки, является уменьшение числа последовательно-параллельно соединенных элементов в каждой фазе ВБК.

Для этого в данной работе рассмотрены методы увеличения отключающей и коммутационной способности, а также электрической прочности РВУ, для возможности реализации ВБК. Создание новых типов РВУ с большими параметрами позволит не только реализовать токоограничивающий ВБК, но и существенно расширить область применения управляемых вакуумных разрядников.

Таким образом, задача повышения предельных параметров РВУ является актуальной и позволит не только расширить область их применения, но и создать принципиально новые устройства для электроэнергетики и электротехники.

Цель работы. Целью данной работы является исследование и разработка методов повышения отключающей способности и электрической прочности РВУ для реализации высоковольтного быстродействующего коммутатора для электрических сетей 110кВ, а также для расширения области применения РВУ.

Основные задачи:

Экспериментальное и теоретическое исследование отключающей способности РВУ. Определение влияния параметров испытательного стенда на работу РВУ. Разработка методики использования экспериментально полученных данных для проектирования и разработки вакуумных коммутационных аппаратов;

Расчёт распределения магнитного поля в межэлектродном зазоре РВУ при различных конфигурациях электродов и определение влияния магнитного поля на процесс горения вакуумной дуги;

Анализ данных, полученных в результате экспериментов и расчётов. Разработка феноменологической модели развития сильноточного вакуумного разряда в стержневой электродной системе. Создание методики расчёта отключающей способности РВУ в частотно-импульсном режиме работы;

Исследование электрической прочности РВУ. Разработка методики расчёта электрической прочности РВУ со стержневой электродной системой. Экспериментальное изучение электрической прочности РВУ. Определение рекомендаций по повышению электрической прочности РВУ;

Разработка методики расчёта электрической прочности последовательно-параллельного соединения РВУ.

Методы исследования. Для экспериментального исследования использовался высоковольтный сильноточный стенд с емкостным накопителем, а также испытательный стенд «ТИ-12» ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина, оснащенные современными системами диагностики электрических сигналов. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки экспериментальных данных, методы теории электрических цепей, решение дифференциальных уравнений численными методами, а также современные программные комплексы расчёта полевых задач методами конечных элементов.

Научная новизна:

Впервые проведены исследования процессов отключения тока РВУ для высоковольтных сетей промышленной частоты. Предложен способ оценки отключающей способности вакуумных коммутационных аппаратов при проведении экспериментов с напряжением меньшим, чем напряжение сети, в которой будет использоваться аппарат;

Разработана оригинальная методика расчёта нагрева поверхности анода РВУ при протекании через РВУ импульсов тока произвольной формы и последовательности;

Разработана феноменологическая модель развития сильноточного вакуумного разряда в стержневой электродной системе. Определены основные стадии горения разряда во времени. Определено условие возникновения параллельных разрядов. Феноменологическая модель подтверждена путём анализа экспериментально полученных данных, а также теоретических выкладок и расчётов;

Предложен метод оценки отключающей способности РВУ со стрежневой электродной системой на основе разработанной феноменологической модели развития разряда и алгоритма для расчёта нагрева температуры анода;

Предложен алгоритм расчёта электрической прочности разрядников путём моделирования электродной системы РВУ методами конечных элементов. По результатам моделирования предложен ряд мер по повышению электрической прочности РВУ;

Предложены формулы для расчёта электрической прочности параллельно-последовательного соединения РВУ.

Достоверность результатов и личный вклад автора. Достоверность результатов, изложенных в работе, обеспечена использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в коммутационных устройствах и подтверждается сравнением результатов экспериментальных исследований с расчётными данными.

Цели и задачи диссертации сформулированы научным руководителем совместно с диссертантом. Все основные результаты работы получены лично автором и его вклад в работу является определяющим.

Практическая ценность работы. По результатам проведенных исследований был предложен ряд методик и мер, позволяющих разрабатывать новые типы РВУ с повышенными параметрами для применения в сетях высокого напряжения.

Большой практической ценностью обладает разработанная феноменологическая модель развития разряда в РВУ со стержневой системой электродов. Данная модель открывает новые возможности для проектирования РВУ, рассчитанных для работы в электроэнергетических сетях. Разработанная методологическая и теоретическая база позволяет проводить дальнейшие исследования в данной области.

Результаты работы были использованы для реализации проектов по созданию макетных образцов ВБК в рамках НИОКР «Разработка, изготовление и испытания экспериментального образца системы ограничения токов КЗ и переходных восстанавливающих напряжений в сетях 110-220 кВ на основе вакуумных управляемых разрядников».

Основные положения, выносимые на защиту:

Метод проведения испытаний на низком напряжении для прогнозирования отключающей способности вакуумных коммутационных аппаратов высокого напряжения, основанный на разнице значений и скорости роста переходных восстанавливающихся напряжений в сетях низкого и высокого напряжения;

Феноменологическая модель ступенчатого развития сильноточного вакуумного разряда в РВУ со стержневой электродной системой, согласно которой в электродной системе происходит возникновение параллельных разрядов при превышении током разряда значения 7-14 кА по амплитуде на каждый новый разряд до заполнения всех шести межстержневых промежутков;

Алгоритм расчёта электрической прочности РВУ, заключающийся в расчёте и соотношении максимальной напряженности электрического поля на поверхности электродов (при приложении напряжения 1 кВ) с теоретической пробивной напряжённостью 15-30 kB/мм. Расчёты при этом производятся при помощи моделирования электродной системы РВУ методами конечных элементов;

Формулы для расчёта электрической прочности параллельно-последовательного соединения РВУ по экспериментально полученной зависимости вероятности пробоя одного РВУ от напряжения, приложенного к разряднику.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:

- XIV Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» г. Алушта, 2012 г.;

- XIX Научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника», г. Судак, 2012 г.;

- XXV International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, г. Томск, 2012 г.;

- XI Международная научно-техническая конференция «Интеллектуальная электроэнергетика, автоматика и высоковольтное коммутационное оборудование», г. Москва, 2012 г.;

- International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), San Diego, 2012 г.;

- Ежегодная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов ФГУП ВЭИ, г. Москва, 2012 г.;

- XIX и XX ежегодные международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и энергетика", г. Москва, 2013 - 2014 гг.;

- Научные сессии НИЯУ МИФИ, г. Москва 2012 - 2014 гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 статей, из них 2 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации. Также опубликованы тезисы и доклады на 11-и международных и всероссийских конференциях, оформлен один патент на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация общим объемом 167 страниц состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных сокращений и списка использованных источников (69 наименований). В работе 10 таблиц и 85 рисунков.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю Белкину Герману Сергеевичу за возможность выполнения работы и всестороннюю поддержку, а также Алфёрову Дмитрию Фёдоровичу и Сидорову Владимиру Алексеевичу за плодотворные научные дискуссии и рекомендации по выполнению работы. Кроме того, автор глубоко признателен Ахметгарееву Марату и Евсину Дмитрию за помощь в проведении и постановке экспериментов.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ, ПОСВЯЩЁННЫХ УПРАВЛЯЕМЫМ ВАКУУМНЫМ

РАЗРЯДНИКАМ

1.1 Принцип работы управляемого вакуумного разрядника 1.1.1 Конструкция управляемого вакуумного разрядника

Управляемый вакуумный разрядник (РВУ) - это коммутационный вакуумный прибор, предназначенный для коммутации электрических цепей в импульсных и частотно-импульсных режимах. Основным элементом РВУ является управляемый вакуумный промежуток, состоящий из основных и управляющего электродов, размещенных в герметизированном корпусе конструкции с давлением остаточных газов не более 10"4 Па. Также разрядник содержит токовводы и экранную систему, которая защищает внутренние стенки корпуса от металлизации продуктами эрозии основных электродов [1].

Обычно РВУ состоит из двух основных электродов, пропускающих основной ток цепи, и одного управляющего электрода, необходимого для включения РВУ. Управляющий электрод располагается на одном из основных электродов, при этом он отделяется от него поджигающим промежутком, представляющим собой диэлектрическую вставку. Поджигающий промежуток и управляющий электрод в совокупности называются узлом поджига. Расстояние между основными электродами определяется требуемой электрической прочностью и всегда фиксировано. Общий вид РВУ и его элементов представлен ниже на рисунке 1.1.

На сегодняшний день существует множество различных типов управляемых вакуумных разрядников [1]. Основными конструктивными различиями этих типов являются в первую очередь массогабаритные показатели, зависящие в основном от предельных параметров РВУ, а также геометрия основных и управляющего электродов, которые зависят от области и условий, в которых применяется разрядник.

По виду основных электродов, РВУ можно разделить на два типа: РВУ с дисковой электродной системой и РВУ со стержневой электродной системой. Их внешний вид представлен на рисунке 1.2.

Зкранная система

Узел подхига

ТокобЫы

Оснобные электроды

а) б)

Рис. 1.2 Общий вид стержневой (а) и дисковой (б) системы основных

электродов

Также РВУ могут различаться геометрией узла поджига и его размещением. Существует множество различных конструкций узла поджига, отличающихся размерами и геометрией, но все они представляют собой поджигающий промежуток, образованный диэлектрической вставкой, которая отделяет управляющий электрод от основного электрода (рисунок 1.3).

Оснодные электроды

Поджигающии промежуток Л

Упрадляющии электрод J

Узел поджига

Рис. 1.3 Общий вид узла поджига По виду узла поджига РВУ можно разделить на РВУ с одним или несколькими узлами поджига, соединёнными последовательно, а также по месту расположения узла поджига на основном электроде. На рисунке 1.4 представлены некоторые возможные конфигурации расположения узлов поджига.

Узел поджига расположен по центру одного из основных злектродоЬ

Несколько у зло6 поджига расположены на одном из основных злектродоЬ

77

\\\

V///////A

^77

ш

ж

Ш1н

'///¿Д

NVvvn

HZT

i V////////A

и и

Ч у///7///А{ ¥

л

Узел поджига расположен на переферии одного из оснобных злектродоЬ

Рис. 1.4 Расположение узлов поджига в РВУ

LJ

Узлы поджига расположены на обоих оснобных электродах

1.1.2. Принцип работы управляемого вакуумного разрядника

Рассмотрим принцип работы РВУ. Включение РВУ происходит при подаче управляющего импульса напряжения между основным и управляющим электродом. При этом происходит пробой по поверхности диэлектрической вставки узла поджига (рисунок 1.5а). На поверхности диэлектрика развивается скользящий разряд - инициирующая искра, которая приводит к образованию в вакуумном промежутке инициирующей плазмы. Далее происходит развитие искрового разряда, который поддерживается катодными пятнами, сформировавшимися вблизи поверхности диэлектрической вставки. Данные пятна являются источником сильно ионизированной металлической плазмы, которая распространяется в вакуумный зазор и заполняет межэлектродный промежуток. Разряд переходит в дуговую стадию, и разрядник включается (начинает протекать ток между основными электродами).

Дуговая стадия разряда в РВУ имеет много общего по сравнению с неуправляемыми вакуумными промежутками (например, с вакуумными дугогасительными камерами (ВДК)). В случае стержневой электродной системы в начальный момент времени дуга горит с поверхности одного основного электрода на торец стержня другого (рисунок 1.56), и при увеличении тока в дальнейшем переходит в межстержневой зазор и заполняет весь межэлектродный промежуток (рисунок 1.5в). При этом горение разряда происходит в основном в межстержневых промежутках, что увеличивает срок службы узла поджига за счёт уменьшения токовой нагрузки на узел поджига.

Металлическая плазма вакуумной дуги способна пропускать большие токи между основными электродами без их существенного разрушения. При этом падение напряжения на дуге сравнительно мало (от десятков до сотен вольт) и увеличивается с ростом тока. Вакуумный дуговой разряд является самоподдерживающимся и погасает, когда ток в основной цепи спадает до нуля. Ввиду быстрой конденсации металлического пара и деионизации

плазмы, вакуумный промежуток характеризуется высокой скоростью восстановления электрической прочности (от единиц до сотен микросекунд).

а)

б)

в)

Рис. 1.5 Принцип работы РВУ Успешное включение разрядника зависит от различных условий и является одним из наиболее важных вопросов при проектировании РВУ. Так минимальное напряжение пробоя поджигающего промежутка зависит от геометрии узла поджига, материала и состояния поверхности диэлектрика. Значение этого напряжения растет с уменьшением диэлектрической проницаемости, увеличением зазора и укорачиванием длительности управляющего импульса. На сегодняшний день вопрос успешного включения РВУ достаточно широко изучен и имеются решения позволяющие обеспечить надёжную работу узла поджига.

Успешное отключение после перехода тока через нуль также является одним из определяющих параметров при разработке и использовании РВУ. Процесс отключения тока аналогичен процессам отключения тока при помощи ВДК, однако, из-за различной, по сравнению с ВДК, геометрией основных электродов методики расчёта и определения отключающей

способности ВДК подходят для РВУ не в полном объёме. Вопрос определения отключающей способности РВУ на сегодняшний момент развит не в полной мере и будет рассмотрен в рамках данной работы.

РВУ, как вакуумные коммутирующие устройства, имеют ряд преимуществ по сравнению с другими коммутационными аппаратами [1]:

- 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.

1.2 История создания и существующие типы РВУ 1.2.1 История создания РВУ

Первые конструкции РВУ были предложены Дж. Лафферти и Дж. Ричом в фирме General Electric Company в 60-70-х годах прошлого столетия. Было разработано достаточно большое количество патентов и экспериментальных образцов РВУ [2-6]. В то время данные устройства не нашли широкого применения, что было обусловлено ограниченным ресурсом узла поджига, сравнительно большим временем включения, разбросом времени включения и другими проблемами, многие из которых остаются актуальными и в настоящее время при повышении предельных параметров РВУ. Эти проблемы были частично решены при разработке отечественных

РВУ сотрудниками Всероссийского электротехнического института В.А Воздвиженским, В.А. Сидоровым и Д.Ф. Алфёровым.

Работа по разработке РВУ в ВЭИ была начата в начале 80-х годов. Эта работа была основана на интенсивных исследованиях и большом опыте, накопленном в области разработок ВДК сотрудниками ВЭИ Г.С. Белкиным, В.А Воздвиженским, A.A. Перцевым, И.А. Лукацкой, B.C. Потокиным и др.

На основе этого опыта и результатах исследований инициируемого сильноточного вакуумного дугового разряда сотрудниками ВЭИ В.А Воздвиженским и В.А. Сидоровым было разработано несколько основных типов РВУ отпаянной конструкции, которые достаточно подробно представлены в диссертации В.А. Сидорова. [7]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бунин, Роман Алексеевич, 2014 год

Литература

1. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А., Управляемые вакуумные разрядники: основные свойства и применение //ЭЛЕКТРО. - 2002. - №2. -с. 31-37.

2. Пат. 3,471,734США, МПК H01J17/04. Periodic electrode structure for vacuum gap device / J.A. Rich, заявительипатентообладатель General Electric Company. -№ 639,843; заявл. 19.05.1967; опубл. 07.10.1969.

3. Пат. 4,063,126 США, МПК Н01J 17/04. Vacuum arc discharge device with tapered rod electrodes / J.A. Rich, F. Willem. заявительипатентообладатель General Electric Company. - № 769,275; заявл. 16.02.1977; опубл. 13.12.1977.

4. Пат. 4,126,808 США, МПК H01J 21/20. High voltage two stage triggered vacuum gap / J.A. Rich, заявительипатентообладатель Electric Power Research Institute. - № 830,211; заявл. 2.09.1977; опубл. 21.11.1978.

5. Rich I.A., Farral G.A., Umam I., Sofignek I.C. Development of a high-power vacuum interrupter//EPRI Rep., EL.-1895.-Project 754-l.-June -1981.

6. J.M. Lafferty, "Triggered vacuum gaps," Proceedings of the IEEE, vol. 54, no. l,pp. 23-32, 1966.

7. Сидоров В.А. Исследование и разработка вакуумных управляемых разрядников отпаянной конструкции для импульсных источников энергии: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.27.02 / ВЭИ им. В.И. Ленина. - М.:1990. - 21 с.

8. Алферов Д.Ф. Физико-технические основы создания вакуумных электрических аппаратов для коммутации импульсных и постоянных токов: автореф. дис. док. техн. наук: 05.09.01 / ФГУП ВЭИ. - М.: 2010. -30 с.

9. Алферов Д.Ф., Белкин Г.С., Ивакин В.Н., Иванов В.П., Сидоров В.А. Новые системы защиты электротехнического оборудования от перенапряжений и токовых перегрузок // Электротехника. - 2006. - №9. -с. 21-26.

10. Andersen E., Berneryd S., Lidahl S. Synchronous energizing of shunt reactors and shunt capacitors. //SIGRE Rep. No. 13-12, Paris 1988.

11.Д.Ф. Алферов, Г.С. Белкин, В.П. Иванов, Ю.Г. Ромочкин, В.А. Сидоров, Быстродействующие вакуумные аппараты с управляемой коммутацией// ЭЛЕКТРО. -2006. - №1. - с. 14-18.

12. Алферов Д.Ф., Ахметгареев М.Р., Белкин Г.С., Будовский А.И., Бунин P.A., Евсин Д.В., Иванов В.П., Сидоров В.А. Быстродействующий управляемый вакуумный выключатель //ЭЛЕКТРО. - 2012. - №4. - с. 1520.

13. Чунихин A.A., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

14. Алферов Д.Ф., Белкин Г.С., Ивакин В.Н. и др. Новые системы защиты электротехнического оборудования от перенапряжений и токовых перегрузок //Электротехника. - 2006. - № 9. - с. 21.

15. Алферов Д.Ф., Евсин Д.В. Иванов В.П., Сидоров В.А. Устройство защиты от импульсных перенапряжений на основе вакуумного управляемого разрядника //ПТЭ. - 2011. - №1. - с. 72.

16. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Сильноточные вакуумные коммутирующие устройства для мощных накопителей энергии // ПТЭ. -1998,-№5.-с. 83-90

17. Новиков Н.Л., Смоловик C.B., Тихонов Ю.А., Утц H.H., Шакарян Ю.Г.. Проблема токов короткого замыкания в системах электроснабжения мегаполисов и пути ее решения. //Энергоэксперт. -2013.-№1,-с. 22-28

18. Воронин В.А., Любарский Д.Р., Подъячев В.Н., Патент RU2366055 от 01.08.2008.

19. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука, 2000. - 424с.

20. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергоиздат, 1986.- 254с.

21. Лафферти Дж. Вакуумные дуги. Теория и приложения М: Мир, 1982.432 с.

22. Boxman R.L., Sanders D.M., Martin P.J., Eds. Handbook of vacuum arc science and technology: fundamentals and applications. - Park Ridge, N.J.: Noyes, 1995.

23. Школьник C.M., Дюжев Г.А. Физические исследования сильноточного вакуумного дугового разряда // Инженерно физический журнал. - 1992. -Т. 62. - №5. - с.733-738.

24. Куликовский А.Г., Любимов Г.А., Магнитная гидродинамика. М.: Логос, 2005. - 328с.

25. Nizar Ben Salah, Azzeddine Soulaimani, Wadgi G. Habashi. A finite method for magnetohydrodynamics. // Computer methods in applied mechanics and engineering. - №190. - 2001. -p.5868-5892

26. H. Schellekens 50 Years of TMF Contacts Design Considerations. XXIII Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - 2008 Vol.1

27. Zhongyi Wang, Zhiyuan Liu, Xuan Zhang, YueshengZheng, and Jimei Wang. Analysis of Axial Magnetic Field Characteristics of Coil Type Axial Magnetic Field Vacuum Interrupters, XXII Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - 2006 Vol.1

28. Yingyao Zhang, YingsanGeng, Li Yu, Jing Yan, Zhiyuan Liu, Chongming Hu, Jianjun Yao. Axial Magnetic Field Strength Needed for al26kV Single Break Vacuum Interrupter XXIVth Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Braunschweig - 2010 Vol. 1

29. Schade E., Dullni E The Characteristic Features of Recovery of the Breakdown Strength of Vacuum Switching Devices after Interruption of High Currents // XIX- Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.-2000. - vol.1

30. Воздвиженский B.A. Анализ отключающей способности вакуумных дугогасительных камер с торцевыми контактами // Электричество.-1977,- № 1,- с. 83-85.

31. Белкин Г.С., Данилов М.Е., Клешнин Н.И., Лукацкая И.А., Ромочкин Ю.Г. К расчету отключающей способности вакуумных дугогасительных камер // Электричество. - 2001. - № 9. - с. 89-94.

32. Белкин, Г.С. Коммутационные процессы в электрических аппаратах М.: Знак, 2003.-244 с.

33. Пико Ф. Отключение электрического тока в вакууме, // Техническая коллекция Schneider Electric.- 2008.- №15,- с. 4-31.

34. Slade, Paul G., The vacuum interrupter: theory, design and application FL: CRC Press, 2008.-488pp.

35. Latham, R.V., High Voltage Vacuum Insulation: Basic Concepts and Technological Practice (Academic Press, London), 1995, 563 pp

36. Hyeong Goo Lee, Jung Se Kim, Myung Jun Choi, Jung Lock Kwon. Investigation and Development of High Voltage Vacuum Interrupters XXIIIInt. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - 2008 Vol.1

37. Белкин Г.С. Проектирование вакуумных дугогасительныхкамер с применением ЭВМ. М.: Изд-во МЭИ, 2000 - 56с.

38. Р. N. Stoving, R. J. Kaluzny Effect of Component Tolerances on Withstand Strength of Vacuum Interrupters XXIVth Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - 2010

39. Алферов Д.Ф., Невровский B.A., Сидоров В.А., Статистические свойства электрической прочности управляемых вакуумных разрядников // ПТЭ.- 2004.- №1,- с. 71-76.

40. Сидоров В.А., Алферов Д.Ф. Электрическая прочность высоковольтного сильноточного коммутатора на основе последовательно соединенных вакуумных управляемых разрядников // ЭЛЕКТРИЧЕСТВО,- 2002,- №10,- с. 31 - 37.

41. Сидоров В.А., Алферов Д.Ф. Электрическая прочность сильноточных вакуумных управляемых разрядников // ПТЭ. - 2001. - №1. - с.92-100.

42. Алфёров Д.Ф., Козмиди П.К., Сидоров В.А. Электрическая прочность управляемого вакуумного разрядника // ПТЭ. -2010. - №1. - с.98-104.

43. Osmokrovich P. Influence of switching on dielectric properties of vacuum interrupters //IEEE Trans. DEI.- 1994,- Vol.1.- No2.- pp.340-347.

44. Дмитриев В.А.. Надежность технических систем: метод, указ. к курсовой работе - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008.- 56 с

45. Буткевич Г.В., Белки Г.С., Ведешенков Н.А., Жаваронков М.А. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов - М.: Энергия, 1978.-256с.

46. Турчак Л.И., Плотников П.В. Основы численных методов: учебное пособие. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2002. -304 с.

47. Поршнев С.В., Беленкова И.В. Численные методы на базе Mathcad. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -464с.

48. Сильвестр П., Феррари Р. Методы конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. - М.:Мир, 1986 -229с.

49. Потапов Л.А., И.Ю. Бутарев, Comsol multiphysics: Моделирование электромеханических устройств: учебное пособие - Брянск: Издательство Брянского государственного технического университета, 2011

50. Stanley Humphries Jr. Finite-element Methods for Electromagnetics CRC Press; 1 edition (December 29, 1997) 400 p

51. Матренин C.B., Слосман А.И. Техническая керамика: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - 75с.

52. ГОСТ Р 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия

53. Meek J М and Craggs J D 1953 Electrical Breakdown of Gases (Oxford: Clarendon)

54. David В. Scharfe, Measurements in Stationary Reference Bi Discharge Cell for Diagnostics of a Bismuth Hall Thruster/ Tsuyohito Ito. July 2006, Sacramento, California

55. Paschen curves for metal plasmas // J. Plasma Physics (2012), vol. 78, part 2. Cambridge University Press 2011.

56. Alcock, С. В., Itkin, V. P., and Horrigan, M. K., Canadian Metallurgical Quarterly, 23, 309, 1984.

57. Алферов Д.Ф., Сидоров B.A. Развитие сильноточной вакуумной дуги в стержневой электродной системе //ТВТ. - 2001. - Т. 39. - №6. - с.865-872.

58. Nikolaev A.G., Yushkov G.Yu, Savkin K.P., and Oks E.M., Ion Angular Distribution in Vacuum Arc Plasma, XXVth Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Tomsk - 2012

59. Алфёров Д.Ф., Воздвиженский B.A., Сидоров B.A., Сибиряк И.О., Коробова Н.И. Четырехразрядный вакуумный управляемый разрядник // ЖТФ. - 1994. - т. 64. - № 2. - с. 180-188

60. Алфёров Д.Ф., Коробова Н.И., Сидоров В.А. Вольт-амперные характеристики сильноточного вакуумного управляемого разрядника с шестизазорной стержневой электродной системой // Прикладная физика. - 1998.-вып. 1,- с 67-78

61. Алферов Д.Ф., Бунин Р.А., Евсин Д.В., Сидоров В.А. Испытание вакуумных управляемых разрядников со стрежневой системой электродов при их параллельном и последовательном соединении // Материалы XIX научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника».- сентябрь 2012. - с. 145-147.

62. Alferov D.F., Kochurov I.V., Yagnov V.A., Investigation of Vacuum Switches in Parallel Circuit with a Current Pause, Proc. of XXI-th ISDEIV, Yalta, 2004, p. 384-386.

63. Алферов Д.Ф., Сидоров В.А., Невровский В.А. Анодная мода вакуумной дуги в многостержневой электродной системе //ТВТ. — 2002. -Т. 40. - №1. - с. 19-25.

64. Mikhail M. Tsventoukhl, Gennady A. Mesyats, Sergey A. Barengolts, Lebedev Magnetic Field Influence on the Ecton Processes Ignition and Sustainment Russia ISDEIV-12, vol.1, - 2012

65. Shioiri, Т., Ohshima, I., Honda, M., Okumura, H., Matsumoto, K., Area effect of intensification factor in vacuum gap breakdown, Proceedings of the 11th International Conference on Electrical Contact Phenomena, pp. 321-325, June 1982.

66. Toya H., Ueno N., Okada Т., Murai Y. Statistical property of breakdown between metal electrodes in vacuum //IEEE Trans. Power Apparatus and Systems. 1981. v. Pas-100. № 4. p. 1932.

67. Сидоров B.A., Алферов Д.Ф., Алферова Е.Д. Статистическое описание электрической прочности последовательно соединенных одинаковых изоляционных элементов // Электричество. 2005. № 2. с. 10-17

68. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. 4-е изд., стереотип. М.: Наука, Физматгиз, 1969 - 576 с.

69. Тмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика М.: Высш.шк., 2003,- 479 с.