Научные основы проектирования вакуумных сетевых выключателей, адаптированных к технологиям "Smart Grid" распределительных сетей среднего класса напряжений.

Принципиальной проблемой при практическом использовании вакуумных выключателей является ограничение их отключающей способности при росте амплитуды тока и амплитуды и скорости нарастания переходного восстанавливающегося напряжения. Данная проблема особенно актуальна при использовании вакуумных выключателей в качестве защиты от токов короткого замыкания, а также при включении/выключении нагрузок большой индуктивности. Физика данного ограничения связана с высокими концентрациями плазмы, генерируемой на стадии горения вакуумной дуги, а также с нагревом поверхности контактных электродов до температур выше точки плавления контактного материала. Обе эти составляющие проблемы можно успешно решить путём сокращения фазы дуги в процессе включения/выключения тока. В настоящее время вакуумные выключатели используются практически повсеместно в электрических сетях среднего класса напряжений 6-35 кВ, обеспечивая надежное отключение и длительный ресурс при номинальных токах до нескольких килоампер. Ограничение диапазона использования вакуумных выключателей связано с пробоем катодного слоя, восстанавливающегося после нуля тока. Особенно сильно эта проблема обостряется при выключении аварийных токов короткого замыкания амплитудой до нескольких десятков килоампер. В таком режиме основным источником паров и плазмы в разрядном промежутке становится анодное пятно. Ресурс выключателя в таких режимах резко уменьшается, а вероятность обратного пробоя увеличивается. В связи с этим в последние 30 лет всеми мировыми лидерами-производителями вакуумного коммутационного оборудования и ведущими научными группами в этой области ведутся интенсивные исследования, направленные как на установление механизмов обратного пробоя в условиях предельных токов, так и на поиск путей эффективного управления разрядом с точки зрения уменьшения термической нагрузки на электроды. Настоящий проект направлен на исследование механизмов образования и функционирования анодного пятна как основного источника паров и плазмы в разрядном промежутке и связанных с ним механизмов обратного пробоя вакуумного выключателя. Будет исследована роль активного анодного пятна в механизме разряда, его влияние на перераспределение термической нагрузки и массопереноса в электродной системе и на основные параметры плазмы как на протяжении горения дуги, так и при перехода тока через ноль, а также на динамику прикатодного слоя в последуговой период и на отключающую способность и характер обратного пробоя. В ходе проекта будут использованы как традиционные, так и оригинальные, развитые авторским коллективом, методы исследований: скоростная видеорегистрация и спектрально-селективная фоторегистрация, эмиссионная и абсорбционная спектроскопия плазмы, оригинальные зондовые и многозондовые методы исследования параметров плазмы на протяжении горения дуги и вблизи перехода тока через ноль, оригинальные методы регистрации последуговых токов. Поисковые исследования будут направлены на поиск путей снижение тепловой нагрузки на электроды и подавление анодного пятна. Традиционно основным методом управления характером разряда является использование аксиального и радиального магнитных полей, генерируемых при протекании тока разряда. Наш подход заключается в использовании в модельных экспериментах внешних катушек для создания квазиоднородного аксиального магнитного поля с удельной индукцией, регулируемой в широких пределах, что позволит точнее исследовать порог и переходные процессы на начальном этапе контрагирования дуги и генерирования анодного пятна. Одним из очевидных способов снижения тепловой нагрузки на выключатель, который также будет исследован в рамках проекта, является уменьшение длительности горения дуги за счет управления моментом начала размыкания контактов относительно перехода тока через ноль. Возможность размыкания контактов синхронно с фазой сети не только не вызывает сомнения, но и реализована на практике в так называемых синхронных вакуумных выключателях, выпуск которых начат в последнее время ведущими производителями вакуумной коммутационной аппаратуры. Тем не менее, систематические данные о влиянии динамики размыкания электродов на коммутационную способность и другие функциональные показатели вакуумного выключателя до сих пор отсутствуют. Другим радикальным способом снижения тепловой нагрузки на электроды является шунтирование разрядного промежутка сильноточным полупроводниковым ключом (высоковольтной сборкой тиристоров или диодов). Вопросы динамики перераспределения тока и возможности его полного переключения из дугогасительной камеры в сборку будут дополнительно исследованы в ходе проекта. Кроме того, шунтирование тиристором будет использоваться в модельных экспериментах как инструмент для форсированного гашения анодного пятна и сильноточной дуги в целом.