Исследование физических процессов в вакуумных сетевых выключателях среднего класса напряжения

1)Проводилось исследования физических процессов происходящих в вакуумных сетевых выключателях среднего класса напряжения, до 35 кВ. 2) Исследовано влияние электрической дуги на поверхность контактов (в вакуумной камере), с приложенным магнитным полем и без него. 3) Проводились исследования динамики развития катодного слоя, для диагностики использовалась зондовая методика Ленгмюра. 4) Выяснено что при воздействии аксиального магнитного поля на горящую электрическую дугу, можно избежать преждевременное старения электродов, тем самым увеличив срок эксплуатации вакуумной камеры.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 10
1
Глава . Литературный обзор …………………………………………………………………… 14
1.1 Инициирование вакуумной дуги размыканием контактов …………………. 14
1.2 Диффузный режим горения дуги в вакууме ………………………………………. 16
1.3 Контрагированный режим горения дуги в вакууме ……………………………. 18
1.4 Влияние внешнего АМП на режимы горения разряда ……………………….. 19
1.5 Формирование катодного слоя после нуля тока в условии роста
напряжения на промежутке……………………………………………………………………….. 20
1.6 Актуальность диссертации ……………………………………………………………….. 23 Глава . Экспериментальное оборудование и методика экспериментов. ……. 24
2.1 Сильноточный вакуумный стенд ………………………………………………………. 24
2.2 Система генерации внешнего аксиального магнитного поля ……………… 30
2.3 Зондовая система для исследования параметров катодного слоя ……….. 34
Глава . Результаты экспериментов ………………………………………………………….. 43
2
3
3.1
3.1.1
3.1.2
Влияние аксиального магнитного поля на характеристики разряда……. 43 Влияние «полного»(10мс) аксиального магнитного поля………………… 43 Влияние «короткого» аксиального магнитного поля ………………………. 47
3.2
на промежутке ………………………………………………………………………………………….. 52
Динамика катодного слоя после нуля тока в условии роста напряжения
3.3 Ток среза ………………………………………………………………………………………….. 59
4
ресурсосбережение………………………………………………………………………………………. 67
ГЛАВА. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
4.1 Предпроектный анализ……………………………………………………………………… 69
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования………………….69
4.1.2 Анализ конкурентных решений ……………………………………………………… 69
4.1.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 71
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………… 74
4.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования…………………………………………………………………………………………….. 75
8
5
4.2 Инициация проекта…………………………………………………………………………… 75
4.2.1 Цели и результаты проекта…………………………………………………………….. 76
4.2.2 Ограничения и допущения проекта ………………………………………………… 76
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом ………………… 77
4.3.1 Последовательность структурных работ проекта ……………………………. 77
4.3.2 План работы ………………………………………………………………………………….. 77
4.3.3 Расчет затрат на проведение исследования …………………………………….. 79
4.3.4 Организационная структура проекта………………………………………………. 85
4.3.5 План управления коммуникациями проекта …………………………………… 86
4.3.6 Реестр рисков проекта ……………………………………………………………………. 86
4.4 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ……………………………………………. 89
4.4.1 Оценка абсолютной эффективности исследования …………………………. 89
4.4.2 Оценка сравнительной эффективности исследования …………………….. 92
Глава. Социальная ответственность………………………………………………………… 95 5.1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 95
5.1.1 Производственная безопасность …………………………………………………….. 96
5.1.2 Утечки токсичных веществ в атмосферу ………………………………………… 99
5.1.3 Превышение уровня шума и вибрации …………………………………………. 101
5.1.4 Недостаток освещенности рабочей зоны ………………………………………. 101
5.1.5 Превышение уровня электромагнитного полей (ЭМП) …………………. 103
5.2 Опасные факторы проектируемого производственного помещения …. 104
5.3 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 105
5.4 Безопасность в ЧС ………………………………………………………………………….. 106
Заключение………………………………………………………………………………………………… 109 Список используемых источников: …………………………………………………………….. 112 приложение 2 …………………………………………………………………………………………….. 115

Таким образом, из всей линейки разновидностей автоматических
выключателей, диапазоном работы относящегося к среднему классу
напряжения до 35 кВ, существует наибольшее количество методов отключения,
таких как отключения в воздухе, вакууме, элегазе и в масле. Перечисленные
виды выключателей специализируются на отключении с возникновением
между контактами электрической дуги, которая при горении рассеивает
запасенную электрическую энергию электрической цепи до полного ее
обнуления. Самыми перспективными на данный момент являются элегазовая и
вакуумная технология отключения. Но самым безопасным с точки зрения
эксплуатации является именно вакуумный выключатель, которому посвящено
данная работа.

Проведѐн ряд экспериментальных исследований по определению тока среза.
Средний ток среза на контактах, изготовленных методом электронно-лучевой
наплавкой составляет 5,15±0,71 А. На контактах, изготовленных методом
порошкового спекания значение тока среза составляет 4,3±1,9 А. А на
контактах, изготовленных в ИСЭ СО РАН ток среза равен 3,38±1,55 А.

Таким образом, по значению тока среза наиболее хороший результат
показывают контакты, изготовленные методом магнетронного распыления.
Однако, что бы понять, как влияет методика изготовления контактов на
характеристики вакуумного выключателя необходимо провести более глубокие
исследования, включающие в себя исследования по отключающей способности
разрядного промежутка в условиях быстро-нарастающего напряжения,
устойчивость контактных пар на холодную сварку, устойчивость к дуге (эрозия
контактов при воздействии сильноточной дуги) и т.д.

Проведен цикл исследований по влиянию аксиального магнитного поля на
процессы контроля горения дуги в вакуумной дугогасительной камере.
Наложение внешнего магнитного поля предотвращает контрагирование
разряда, в результате чего разряд горит в диффузном режиме. Кроме того,
магнитное поле уменьшает напряжение горения разряда на 20 вольт.
Приложение короткого магнитного поля, так или иначе, влияет на
характеристики разряда. Пока оно приложено, разряд функционирует в
диффузном режиме. Как только поле пропадает, разряд стремится перейти в
контрагированную форму.

В ходе проведения исследования характеристик плазмы на стадии горения
электрической дуги, эффективно себя показала система двойного

зонда Ленгмюра. Измеряемыми параметрами были: температура электронов,
ионный ток насыщения и разность потенциалов. Данный метод применим для
определения параметров плазмы в течение горения сильноточного разряда.
Однако вблизи перехода тока через ноль сигнал двойного зонда ослабевает и
становится сравним с наводками от установки. В связи с этим, для
исследования характеристик достаточно редкой плазмы (вблизи и после
перехода тока через ноль) целесообразнее использовать одиночные зонды
Ленгмюра, работающие в режиме электронного тока насыщения.
Использование данного метода позволяет восстановить концентрацию
электронной компоненты плазмы в разрядном промежутке в окрестностях нуля
тока, а так же восстановить динамику катодного слоя после перехода тока через
ноль в условиях эскалации напряжения. Показано, что концентрация
электронов в плазме вблизи нуля тока остается <1012 см-3, а средняя скорость расширения катодного слоя составляет порядка 1 мм/мкс. Проведѐн анализ научно- технического исследования в разделе «финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение», который показал что исследование является конкурентно-способным и перспективным в плане капиталовложений. В ходе сравнения характеристик аналогичных методов отключения с возникновением электрической дуги, метод гашения в вакуумном пространстве показал себя одним из лучших. В разделе «социальная ответственность», были рассмотрены все опасные для здоровья факторы, опасность которых существует при работе в лаборатории с вакуумным оборудованием. Приведены методы защиты персонала от опасных и вредных факторов. Были рассмотрены методы упреждения ЧС и средства их ликвидации.