МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Факультет «Автоматика и электроника»

Кафедра «Электротехника»

Дипломная работа по теме

«Исследование электрической прочности коммутаторов РВУ-43, РВУ-53 и их модификаций»

Дипломник		студент группы А12-10 Маркевич Г.В.
Научный руководитель		д.т.н. Алферов Д.Ф.
		к.т.н., в.н.с ФГУП ВЭИ
Рецензент		Сидоров В.А.
Зав. кафедрой № 8		д.ф-м.н., профессор Школьников Э.Я.

Москва 2014

Содержание

1. Введение 3

1.1 Общие сведения 3

2. Теоретический обзор управляемых вакуумных разрядников 7

2.1. Управляемые вакуумные разрядники 7

2.2. Условия пробоя в вакууме 12

2.3. Вакуумная дуга 19

2.3 Особенности развития разряда в РВУ 22

3. Исследование электрической прочности 25

3.1.Объекты и методика исследования модификаций РВУ-53 25

3.2. Результаты испытаний РВУ-53. 27

3.3. Объекты и методика исследования модификаций РВУ-43 29

3.4. Результаты испытаний РВУ-43. 31

4. Моделирование в Comsol 37

4.1. Обзор программы Comsol 37

4.2.Моделирование РВУ в Comsol. 40

4.4.Исследование влияния системы экрана на УВП 41

4.5. Исследование влияния потенциала управляющего электрода на УВП 47

Заключение. 49

Список литературы. 50

1. Введение

   1. Общие сведения

Сильноточные управляемые вакуумные разрядники применяются в качестве коммутирующих элементов при создании генераторов импульсных токов вплоть до нескольких мегаампер. Особый класс занимают отпаянные управляемые вакуумные разрядники, разрабатываемые с 80-х годов прошлого века в ВЭИ. Они достаточно компактны ø100–140 мм, h=200 мм, при весе 2-7 кг; имеют достаточно высоковольтную область применения – вплоть до 40-50 кВ, пропускают токи до 500 кА и обладают ресурсом срабатывания от десятков до сотен тысяч включений в зависимости от коммутируемой мощности.

У вакуумных разрядников есть определенные положительные качества: отсутствие накальных цепей (в противоположность тиратронам), и как следствие постоянная готовность к работе, вакуум внутри разрядника позволяет использовать РВУ в приборах при наличии радиационных полей. Эти достоинства вакуумных разрядников позволяют успешно использовать их в прикладных задачах при создании быстродействующих сильноточных систем автоматики.

Развитие импульсных технологий и электроэнергетики предъявляет жесткие и противоречивые требования к коммутирующим устройствам, которые являются одним из важнейших узлов любой энергетической установки: коммутатор должен пропускать большие импульсные токи (до сотен килоампер), выдерживать высокое напряжение (до 100 кВ) и при этом быть надежным, долговечным и обеспечивать экономическую эффективность технологии.

Примером использования может служить ГИН (генератор импульсного напряжения) (рис. 1.1.). Принцип создания генераторов основан на относительно медленном накоплении энергии в первичном накопителе с последующим быстрым ее разрядом. Используются для получения большой импульсной мощности, т.е. для получения больших импульсов тока ускоренных частиц. Наибольший ток и удельную мощность можно получить, применив, например, в качестве первичного накопителя конденсаторы (генератор Маркса), время удержания которых составляет по порядку величины минуты, а плотность энергии достигает ~10⁵ Дж/м³. Типичные параметры ГИН-ов: энергозапас ~1 МДж, выходное напряжение ~1 МВ, длительность импульса 10^-1-10² мкс.

Рис 1.1. Принципиальная схема ГИН

Вторым, но не по расспространнености, примером использования является применение РВУ в релейной защите (РЗ). Релейная защита - комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Принцип использования заключается в том, что при обнаружение предельных значений тока и угрозе короткого замыкания (КЗ) ток отводится от основной цепи шунтирующим включением коммутаторов. Отключение происходит за микросекунды и обеспечивает снижение уровня тока в защищаемой цепи и уменьшает уровень восстанавливающегося напряжения на разрыве сетевого выключателя. Пример приведен на рис. 1.2 с сайта института ВЭИ АВИС.

Высоковольтный быстродействующий коммутатор (ВБК) подключается параллельно основной цепи из группы защищаемых выключателей. Сами коммутаторы внутри ВБК, в данном случае, подключены параллельно, и при КЗ включаются блоками запуска (БЗ). Также возможно последовательно включение, все зависит от поставленных задач и примененных РВУ.

Рис. 1.2. Первый пример использования РВУ в релейной защите

Q – вводной выключатель, Q1…n – группа защищаемых выключателей, ВБК – высоковольтный быстродействующий коммутатор, РЗ – система релейной защиты, БЗ – блок запуска.

Область примения таких схем - в сетях свыше 110 кВ и токах КЗ более 80 кА, где требуется подключение нескольних последовательно-параллельно соединенных РВУ. Разработанные в ВЭИ разрядники типа РВУ-43 широко используются для многократных сильноточных импульсных коммутаций в диапазоне токов 10-500 кА с величиной передаваемого заряда в импульсе от 40 Кл до 300 Кл и более при рабочем напряжении 1-30 кВ. Испытания этого разрядника изложены в параграфе 3.4.

По результатам исследований можно сказать, что разрядники отвечают всем основным требованиям высоковольтной защиты. И показывают отличные результаты, как компоненты релейной защиты, по всем основным свойствам: быстродействие, надежность и ресурс включений.

Сфера применения реленой защиты достаточна велика - начиная от защиты от замыканий на землю электрооборудования, до измерения расстройки компенсации и автоматической настройки дугогосящих реакторов. Что может быть применено на гидро- и атомных электростанциях, различных исследовательских работах.

Основным элементом РВУ является управляемый вакуумный промежуток (УВП), который представляет собой конструкцию из двух основных и одного управляющего электродов. Управляющий электрод устанавливается на одном из основных электродов и отделяется от него с помощью диэлектрической вставки. Обычно УВП размещается в керамическом герметизированном корпусе, который выполняет также функции изолятора. Внутренняя поверхность корпуса защищается от продуктов эрозии основных электродов с помощью экранной системы, которая заметно влияет на распределение электрического поля в РВУ. Основные элементы конструкции приведены на рис. 2.4.

Для успешного применения РВУ в сетях среднего и более высокого класса напряжения необходимо повысить их электрическую прочность и надежность включения в широком диапазоне коммутируемых токов. В связи с этим становится актуальной задача исследования экранной системы и влияния потенциала управляющего электрода на распределение полей, с целью повышения электрическая прочности коммутирующих и защитных устройств на основе УВП и их предельных параметров.

В настоящей работе рассмотрена возможность повышения электрической прочности РВУ путем увеличения радиуса экранной системы и изменения потенциала управляющего электрода.

Данная дипломная работа посвящена рассмотрению и решению ряда перечисленных ниже задач:

Во второй главе, на основе известных литературных источников, делается обзор теоретического описания процессов, протекающих в управляемых вакуумных разрядниках, приводятся технические характеристики вакуумных разрядников. Описываются общие характеристики вакуумной дуги, условия развития пробоя, электрическая прочность вакуумных промежутков.

В третьей главе, исследуется электрическая прочность РВУ-43, РВУ-53 и их различных модификаций в практических экспериментах, приводится схема испытательного стенда, статистическая обработка данных.

В четвертой главе, проведены расчеты распределения электрического поля в РВУ при помощи программного пакета Comsol, приводится анализ результатов исследований, предлагаются на основе результатов возможные улучшения системы.