2774.Вакуумные технологии

Однокорпусная вакуумная установка состоит из вакуумного выпарного аппарата, представляющего собой герметически закрытый сосуд, последовательно соединенный с конденсатором, где улавливаются пары растворителя, теплообменника, расположенный между поступающим и выходящим раствором, и вакуумного насоса для откачки воздуха из сис-

темы (рис. 3.9, а, б).

Процесс многократного выпаривания в многокорпусной вакуумной установке (рис. 3.9, в–е) отличается тем, что пар для обогрева подается только в нагревательную камеру первого выпарного аппарата. Этот пар называется первичным. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом аппарате, подается в нагревательную камеру второго аппарата, дальше пар, образующийся во втором аппарате, подается в нагревательную камеру третьего аппарата и т.д.

Величина давления вторичного пара меньше, чем первичного, и температура кипения в каждой последующей камере аппарата ниже, чем в предыдущей. Последняя ступень выпарного аппарата последовательно соединяется с конденсатором и вакуумным насосом. Технологическая реализация описанной схемы возможна только при наличии перепада давления между ступенями (корпусами) аппарата. Необходимая разность давления достигается созданием избыточного давления в первом аппарате либо разрежением в последнем аппарате, или комбинацией этих двух условий.

3.6. Кристаллизация в вакууме

Вакуумная кристаллизация − химико-технологический процесс выделения твердой фазы из жидкого расплава или раствора данного вещества в вакууме. Процесс кристаллизации в вакууме – один из основных способов получения твердых веществ в чистом виде.

101

Процесс осуществляется в вакуумных кристаллизационных установках, в которых в вакууме в процессе испарения растворителя раствор охлаждается и происходит выделение кристаллов. Когда подогретый насыщенный раствор поступает в камеру, в которой поддерживается вакуум, соответствующий температуре кипения раствора, более низкой, чем при атмосферном давлении, то введенный раствор охлаждается и разбрызгивается в результате процесса адиабатического испарения. При этом одновременно происходят процессы кристаллизации и испарения. Изменяя величину давления в камере, можно регулировать размер кристаллов, а изменением температуры – характер кристаллов и скорость их образования из выпариваемого раствора.

Наиболее экономичными в эксплуатации являются многокорпусные вакуумные кристаллизационные установки. В них часть жидкости в первых ступенях испаряется при низком вакууме, а наиболее высокий вакуум достигается в последней ступени. Установки отличаются высокой производительностью и работают непрерывно.

Кристаллизация в вакууме применяется в промышленном производстве сульфата аммония, хлорида калия и т.п., заменяя в некоторых случаях процессы выпаривания и дистилляции. При этом повышается качество получаемого продукта и улучшаются экономические показатели.

Кристаллизация в вакууме применяется также для получения фенола и его производных в производстве пластмасс, для получения ароматических высокомолекулярных оксидных соединений из смесей с низкомолекулярными соединениями и для получения лактама как основного сырья в производстве нейлона. Замена выпаривания вакуумной кристаллизацией часто используется в производстве концентрированных фруктовых соков, которые в дальнейшем подвергаются сублимационной сушке.

102

4.ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

Электротехника – отрасль науки и техники, охватывающая процессы получения, преобразования, передачи и использования электрической энергии и связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, производства и обработки материалов, передачи информации, получения и изменения химического состава веществ.

Электротехническая промышленность − отрасль промышленности, производящая продукцию для производства, передачи и потребления электроэнергии. Электротехническая промышленность в основном выпускает силовое электротехническое оборудование.

Само понятие «электротехника» значительно шире, нежели понятие «электротехническая промышленность». С одной стороны, области науки и техники, относящиеся непосредственно к электротехнике, связаны кроме электротехнической промышленности с электроникой, радиоэлектроникой, химией и металлургией, а также электротехническими установками, использующими электромагнитные явления и относящимися как к установкам для электронной промышленности, так и к научному оборудованию. С другой стороны, получение, передача и потребление электроэнергии также напрямую связано с энергетикой.

Вакуумные технологии и техника создания вакуума используются в основном в таких разделах электротехники, как электроаппаратура высокого напряжения, научное и производственное электротехническое оборудование спецназначения (ускорители, термоядерные установки), электротехнологии (светотехника, инфракрасная техника и электрооборудование транспорта). В электротехнологии входят вакуумная металлургия, напыление покрытий в вакууме, термообработка в вакууме, электросварка

103

и вакуумная пайка. В высоковольтной аппаратуре используются вакуумные коммутационные устройства, выключатели и дугогасительные камеры. Вакуумная техника также находит самое широкое применение в установках для сушки и пропитки в производстве трансформаторов, конденсаторов и кабелей.

4.1. Вакуумная коммутационная техника

Важную роль в коммутационной технике играет вакуумное коммутационное оборудование.

Первые разработки вакуумных выключателей были начаты в 1930-е гг., когда действующие модели могли отключать небольшие токи при рабочих напряжениях до 40 кВ. В тот период так и не удалось создать достаточно мощные вакуумные выключатели из-за несовершенства технологии изготовления вакуумной аппаратуры и, прежде всего, из-за возникших в то время технических трудностей по поддержанию глубокого вакуума в герметичной камере. Переход от единичных опытных образцов вакуумных выключателей к их серийному промышленному производству занял период практически в четыре десятилетия, поскольку потребовал проведения интенсивных дополнительных исследований и разработок, направленных, в частности, на отыскание эффективных методов предотвращения опасных коммутационных перенапряжений, возникающих из-за преждевременного обрыва тока до его естественного перехода через ноль, на решение сложных проблем, связанных с распределением напряжения и загрязнением внутренних поверхностей изолирующих деталей осаждавшимися на них парами металла, решением проблем экранирования и создания новых высоконадежных сильфонов и др. (рис. 4.1).

Основное направление и динамика развития коммутационной техники на рубеже ХХ и ХХI вв. определяется в первую очередь форсированным освоением производства элегазовых и вакуумных выключателей, а также дугогасительных устройств (ДУ), где средой гашения дуги также является элегаз или вакуум.

104

Это определяется несколькими причинами. Во-первых, потенциалом дальнейшего развития и совершенствования коммутационных аппаратов.

Рис. 4.1. Одиниз первых высоковольтных выключателеймагистральной электросети – вакуумный выключательAEI на 132 кВ, работающий в Вестхэме (Лондон) с 1967 г. вплоть до 1990-х гг.

Совершенствование контактной дугогасительной системы в вакуумных выключателях путем наложения продольного магнитного поля позволило преодолеть предел отключающей способности в 40 кА, наметившийся для дугогасительных систем с поперечным магнитным полем, и поднять его выше чем 100 кА, практически сняв вопрос о пределе коммутационной способности по току. Во-вторых, герметичная конструкция вакуумных выключателей существенно уменьшает требования к их

105

обслуживанию. Этому также способствует и то, что вакуум заметно не ухудшает своих электроизоляционных и дугогасительных характеристик в процессе эксплуатации после многократных отключений тока.

Принцип действия выключателей состоит в следующем: поскольку разреженный газ (при давлении 10−6–10−8 Па) обладает электрической прочностью, на один-два порядка превышающей прочность того же газа при атмосферном давлении, то это свойство используется в высоковольтных выключателях: при размыкании контактов в вакууме сразу же после первого прохождения тока в дуге через ноль изоляция промежутка восстанавливается,

идуга вновь не загорается.

Вмомент размыкания контактов в вакуумном промежутке между ними коммутируемый ток инициирует возникновение вакуумной дуги – электрического разряда, существование которого поддерживается за счет ионизированных атомов металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, хорошо проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла практически мгновенно (в среднем за 7–10 мкс) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасящей камеры, снова восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В это же время восстанавливается напряжение, приложенное к разведенным контактам.

Всилу малого падения напряжения на дуге и, как следствие, незначительного выделения энергии, а также в силу химической инертности этих дугогасительных средств контактная система практически не подвергается эрозии, что способствует увеличению ресурса аппаратуры. ДУ вакуумных выключателей имеют простейшую конструкцию − два контакта, расходящиеся при отключении тока на небольшое (до 10 мм) расстояние. Устройство

106

содержит относительно небольшое количество деталей, в том числе движущихся, что способствует созданию аппаратуры с высокой степенью надежности (рис. 4.2).

аб

Рис. 4.2. Вакуумный выключатель ВВ/TEL 6–10 кВ (до 1000 А): а – внешний вид; б – разрез

Основное преимущество вакуумного выключателя – большие механический и коммутационный ресурсы. При отключении токов короткого замыкания он в несколько раз превосходит элегазовый выключатель из-за значительно меньшей эрозии контактов, особенно при работе в продольном магнитном поле. Отсутствие трущихся деталей и малый ход контактов позволяют производить дугогасительные камеры с повышенным в несколько раз механическим ресурсом, который ограничивается в основном усталостными характеристиками герметизирующих сильфонов. При ходах контактов порядка нескольких миллиметров механический ресурс аппарата может достигать сотен тысяч и миллионов циклов.

Таким образом, основными типами выключателей на напряжение свыше 6 кВ в мире являются вакуумные или элегазовые. Так, в Японии, вакуумные выключатели составляют более половины программы выпуска всех выключателей.

107

Дугогасителъные камеры, разработанные фирмой Toshiba, обладают на сегодняшний день выдающимися коммутационными характеристиками. Фирма выпускает камеры с током отключения 100 кА при напряжении 13,8 кВ и номинальном токе 3000 А. Анонсирован опытный образец дугогасительной камеры на напряжение 145 кВ при токе отключения 30 и 200 кА при напряжении 13,8 кВ.

Сегодня доля вакуумных выключателей в высоковольтных электрических сетях до 35 кВ составляет в Китае 100 %, в странах ЕС – более 65 %, в России приближается к цифре 60 % от всего числа изготавливаемых коммутационных устройств на средние величины напряжения.

В Японии наиболее распространенными являются выключатели номиналом 6,6 кВ – на их долю приходится до 66 % от всего числа выключателей. Для сравнения, доля выключателей номиналом 11−44 кВ составляет 12 %, 77 кВ − 18 %, 145 кВ − 3 %

и275 кВ − 1 %. Поэтому, в связи с востребованностью, в Японии особое внимание уделяется созданию конкурентоспособного, экономичного и не требующего обслуживания в течение всего срока службы вакуумного выключателя на напряжение 6 кВ. Он имеет несколько вариантов исполнения с номинальными токами на 0,6; 1,2 и 2 кА соответственно. Время отключения составляет

0,035 с.

Таким образом, к достоинствам вакуумных ДУ можно отнести:

простоту конструкции, надежность. Плотность отказов вакуумных выключателей ниже на порядок по сравнению с традиционными масляными и электромагнитными выключателями;

высокую коммутационную износостойкость. Число отключений рабочих токов вакуумным выключателем без ревизий

иремонтов достигает 20 тыс., а число отключений токов КЗ составляет от 20 до 200 в зависимости от значений токов и типа выключателя. На масляных же выключателях ревизия проводится после 500–1000 отключений в рабочем режиме и 3–10 отклю-

108

чений токами КЗ. Для воздушных выключателей эти цифры составляют соответственно 1000–2500 и 6–15 отключений;

высокое быстродействие и увеличенный механический ресурс. Основная причина этого – малый ход контактов дугогасительной вакуумной камеры, составляющий не более 6–10 мм, против 100–200 мм в масляных и электромагнитных конструкциях, поскольку прочность разреженного газа на электрический пробой при низком давлении значительно превосходит электрические прочности масляной и воздушной дугогасительных сред;

автономность работы. Вакуумная дугогасительная камера не нуждается в регулярном пополнении дугогасящей среды, что снижает расходы на эксплуатацию вакуумного выключателя;

малые размеры, отсутствие шума при операциях, отсутствие загрязнения окружающей среды, пожаро- и взрывобезопасность, удобство эксплуатации, малые эксплуатационные расходы. При одинаковых номинальных параметрах коммутируемых токов и напряжений масса вакуумного выключателя значительно ниже, нежели у других типов выключателей. Небольшие динамические нагрузки, малая мощность привода

иотсутствие утечки газов, масла обеспечивает экологическую безопасность, бесшумность работы и высокую пожаро- и взрывобезопасность, возможность работы в средах с повышенной агрессивностью;

гарантийный срок работы выключателя составляет от 7 до 10 лет. Применение ВДУ позволяет полностью отказаться от затрат на поддержание работоспособности, так как проведения ремонтных работ любой сложности не требуется на протяжении всего срока службы;

простая конструкция выключателя на современных компонентах имеет несущественный износ на протяжении 30 лет или 100 000 операций включение–отключение.

Недостатки вакуумных ДУ:

сравнительно невысокие номинальные токи и токи отключения;

109

возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов;

небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов КЗ (количество таких отключений без ревизии

иремонта составляет от 20 до 200 в зависимости от значений токов и типа выключателя).

Рис. 4.3. Микрошлиф контактного материала

Cu–Cr (1:1). ×200

Изначально для изготовления контактных пластин используется сплав из меди и хрома. Этот материал был разработан и запатентован компанией English Electric в 1960-х гг. Сегодня это самый используемый металл при производстве вакуумных дугогасительных камер (рис. 4.3).

4.2. Вакуумные технологии в процессах производства высоковольтной изоляции

В высоковольтном оборудовании энергосистем и в электрофизических установках различного назначения широко используются многие виды внутренней изоляции. Одним из распространенных видов высоковольтной изоляции является бумажнопропиточная изоляция (БПИ), при изготовлении которой используются вакуумные технологии. Основные материалы для БПИ –

110