Физико-технические основы создания вакуумных электрических аппаратов для коммутации импульсных и постоянных токов (19.07.2010)

Автор: Алфёров Дмитрий Фёдорович

В результате исследования гашения дуги в вакуумном промежутке с аксиально-симметричным преимущественно радиальным магнитным полем

- экспериментально найдены и теоретически обоснованны условия нарушения устойчивости вакуумной дуги в поперечном магнитном поле;

- развита модель возникновения и развития неустойчивой стадии дуги, в которой предполагается, что размер слоя объемного отрицательного заряда увеличивается с постоянным ускорением.

5. На основании результатов выполненных исследований разработаны новые типы мощных РВУ со стержневой электродной системой и оригинальная вакуумная камера КДВ-25 с аксиально-симметричным преимущественно радиальным магнитным полем.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждались на следующих отечественных и международных симпозиумах и конференциях: XIV-th ISDEIV, Santa Fe, September 1990; XX Int. Conf. Phenom. Ionized Gases, Pisa, July 1991; XV-th ISDEIV, Darmstadt, September 1992; XVI-th ISDEIV, Moscow-St. Petersburg, May 1994; XVII-th ISDEIV, Berkeley, 1996; 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 1997; VII Межд. Конф. MG-7, Саров, 1997; 12th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 1999; XIX-th ISDEIV, Xi' an, China, 2000; VI Симпозиум «Электротехника 2010», 2001; XX-th ISDEIV, Tour, 2002; 11-th EML-Symposium, Saint-Louis, France, May 2002; XXI-th ISDEIV, Yalta, 2004; XXII-th ISDEIV, 2006, Matsue, Japan; IX Симпозиум «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2030. Перспективные технологии электроэнергетики», 2007, Истра, Московская область; «Электрические контакты и электроды» (ЭК-2007), 2007, Украина, Крым, пос. Кацивели; XXIII-th ISDEIV, 2008, Bucharest, Romania; VIII Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике, Москва, 2009; Научные сессии МИФИ 2007, 2008 гг., физические семинары ВЭИ.

Личный вклад автора

Постановка задачи и выбор направления исследований.

Подготовка экспериментальных стендов, разработка программы и методики измерений, участие в проведении экспериментальных исследований инициации и развития разряда в РВУ, анализ и обобщение результатов исследований.

Разработка методики расчета параметров РВУ со вспомогательным источником инициирующего разряда.

Участие в разработке конструкции РВУ и ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем.

Участие в теоретических исследованиях: разработке модели возникновения неустойчивости вакуумной дуги в поперечном магнитном поле и модели развития неустойчивой стадии и погасания дуги. Экспериментальная апробация моделей проводилась под руководством автора.

Общее руководство и участие в экспериментальных исследованиях гашения дуги постоянного тока в вакуумных промежутках с магнитным полем, анализ и обобщение результатов.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 42 печатных работах, в том числе получено 3 патента на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 215 источников. Общий объем диссертации составляет 297 страниц, включая 94 рисунка и 11 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе приведен аналитический обзор опубликованных работ по исследованию развития сильноточного вакуумного дугового разряда и восстановлению электрической прочности вакуумного промежутка после погасания дуги. Изучение этого объекта с неослабевающим интересом проводится исследователями и разработчиками в различных научных центрах в течение последних 50-ти лет. Основные свойства вакуумного дугового разряда отражены в монографиях И.Н. Сливкова, Г.А Месяца, И.Г. Кесаева, В.И. Раховского, коллективных монографиях под редакцией Дж. Лафферти (Lafferty J.M.) и Р.Л. Боксмана (Boxman R.L.) и в цитируемой в них литературе.

Первые конструкции РВУ были предложены группой сотрудников ВНИИА в составе А.А. Бриша, А.Б. Дмитриева, Л.Н. Космарского, Ю.Н. Сачкова, Е.Л. Сбитнева, А.Б. Хейфеца, С.С. Цициашвилли и А.С. Эйга, а также Дж. Лафферти в фирме Дженерал Электрик (General Electric Company), США в 50-60-х годах прошлого столетия. Позднее И.А. Рич (I.A. Rich) предложил использовать для сильноточных применений электродную систему с пространственно чередующимися стержнями противоположной полярности. Однако применение РВУ в то время было ограничено малым ресурсом, сравнительно большим временем включения, его разбросом и другими проблемами, многие из которых остаются актуальными и в настоящее время. Эти проблемы были частично решены при разработке отечественных разрядников сотрудниками ВЭИ В.А. Воздвиженским и В.А. Сидоровым. Производство РВУ было освоено В.А. Лавриновичем в ОАО «ЭНЕКО». Анализ многолетнего опыта эксплуатации разрядников позволил определить основные направления и задачи исследований инициированного сильноточного электрического разряда в вакуумных промежутках различной конфигурации с целью повышения предельных параметров РВУ.

В первой главе приведен также анализ различных способов отключения постоянного тока в вакуумных коммутационных аппаратах. Одним из перспективных направлений для решения данной проблемы является использование ВДК с поперечным относительно направления тока магнитным полем.

Исследования отключения постоянного тока в поперечном магнитном поле проводились в 70 – 80 годы прошлого столетия группой из научно-исследовательского института электроэнергетики США (Electric Power Research Institute Inc.), в состав которой входили Кимблин (Kimblin C.W.), Хеберлейн (Heberlein J.V.R.), Слейд (Slade P.G.), Вошал (Voshall R.E.), Холмс (Holmes F.A.) и Р. Детлефсен (R. Dethlefsen). Усилия этих исследователей были направлены, в основном, на изучение возможности создания ограничителей тока. Однако имеющихся экспериментальных данных было недостаточно для объяснения особенностей протекания тока при разведении

контактов в вакуумном промежутке с магнитным полем, а также для создания адекватной физической модели гашения дуги. В последние годы к решению этой проблемы подключилась группа исследователей под руководством К.Н. Ульянова (ВЭИ).

Во второй главе представлена техника эксперимента и методика исследований. Для проведения исследований были подготовлены три сильноточных экспериментальных стенда, оснащенных современной диагностикой. Диагностический комплекс обеспечивает одновременную регистрацию электрических характеристик разряда и поджига (импульсы напряжений и токов), импульсов зондового тока и проведение оптического наблюдения излучения с временным разрешением не хуже 20 нс для оптических измерений с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) типа IMACON, с временным разрешением не хуже 10 мкс для оптических измерений с помощью сверхскоростного фоторегистратора (СФР) и с пространственным разрешением порядка 0,01 см для оптических измерений и порядка 0,1 см для зондовых измерений. Ток i в разрядном контуре измерялся поясами Роговского и датчиком тока LT, принцип работы которого основан на эффекте Холла. Напряжение U на исследуемом объекте измерялось с помощью омического делителя напряжения. Сигналы с датчиков регистрировались осциллографом С8-14, цифровыми осциллографами С9-8 и Tektronix TDS 3014 B с последующим сохранением и обработкой на персональном компьютере с помощью программ WaveStar, Origin и MathCad.

Для исследования динамических характеристик плазмы сильноточного вакуумного дугового разряда при высокой скорости нарастания тока di/dt >1010A/c разработан и создан высоковольтный импульсный стенд №1 на максимальное напряжение до 30 кВ (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема стенда №1: 1- анод, 2 – катод, 3 – поджигающий электрод,

- РВК-1, 5 – IMACON.

Он содержит источник питания, малоиндуктивный разборный макет вакуумной камеры РВК-1 со стеклянными иллюминаторами и ЭОП типа IMACON-790. Стенд обеспечивает протекание синусоидального импульса тока с амплитудой до 15 кА (U0 ~ 20 кВ) при длительности одного полупериода ~ 0,85 мкс. При этом максимальное значение (di/dt)max ? 5·1010 А/с.

Для исследования коммутационных характеристик мощных РВУ был подготовлен сильноточный импульсный стенд №2. Стенд содержит батарею конденсаторов С1 суммарной емкостью до 12,4 мФ (рис. 2), разборный макет вакуумной камеры РВК-2 со стержневой электродной системой и СФР. В некоторых циклах измерений секции шунтировались диодными блоками V1 для формирования униполярного импульса тока. Максимальное напряжение на конденсаторной батарее составляло U1=3 кВ. Стенд обеспечивает протекание импульсов тока до 300 кА длительностью до 1 мс.

Рисунок 2 – Электрическая схема сильноточного стенда №2: 1 - РВК-2,

2 - блок запуска, 3 - СФР, 4 - ФЭУ, 5 - пульт управления.

Для исследования гашения дуги постоянного тока в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем был создан сильноточный экспериментальный стенд №3. Стенд обеспечивает протекание униполярного импульсного тока величиной сотни ампер с постоянной спада более 0,1 секунды. Он состоит из зарядного устройства G, батареи конденсаторов C0 максимальной емкостью до 10 мФ с максимальным напряжением до 5 кВ, воздушного реактора с регулируемой индуктивностью L0 от 0,5 до 6 мГн и токоограничивающе- го резистора R0 (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема сильноточного импульсного стенда №3.

Контакты исследуемой ВДК Q1 находились в нормально замкнутом положении и разводились при помощи электромагнитного привода. Параллельно Q1 устанавливались нелинейный резистор R1 (ОПН) для ограничения восстанавливающегося напряжения до уровня ~ 9 кВ и конденсатор C1. Коммутация цепи осуществлялась с помощью вспомогательной ВДК Q с электромагнитным приводом. При помощи системы управления СУ производилось управление электромагнитными приводами вспомогательного контактора К и исследуемой ВДК Q1.

При анализе результатов испытаний проводилась статистическая обработка экспериментальных данных. Также был проведен комплекс мероприятий по снижению уровня помех при регистрации токов и напряжений в процессе инициации и гашения вакуумной дуги.

В третьей главе представлены результаты измерения пространственно-временных характеристик разрядной плазмы при высокой скорости нарастания тока до (di/dt)max ? 5·1010 А/с в зависимости от параметров схемы поджига, основной цепи и размеров вакуумного промежутка. Эксперименты проводились при участии К.П. Новиковой.

Использовался макетный образец РВУ с простой электродной системой, схематически показанной на рис. 1. Для наблюдения динамики катодных пятен (КП) противоположный электрод (анод) выполнен в виде решетки из молибденовой проволоки диаметром 0,3 мм с шагом 1,5 мм, которая закреплена на торце цилиндрического медного электрода с внутренним диаметром 29 мм. Для зондовых измерений использовался плоский ленгмюровский зонд диаметром 2,5 мм.

Характеристики инициирующего искрового разряда исследовались при отсутствии напряжения на основных электродах. После пробоя узла поджига в цепи поджига формировался трапециидальный импульс тока поджига с фронтом менее 100 нс, амплитудой до It = 1 кА и длительностью tи от 1 мкс до 4 мкс.

При пробое поджигающего промежутка в центре катода вблизи узла поджига образовывалось одно яркое пятно, которое погасало с прекращением тока разряда. Вблизи пятна появлялось светящееся облако (катодный факел (КФ)), которое быстро расширялось в межэлектродный промежуток.

На рис. 4 приведена ЭОП-грамма с экспозицией каждого кадра 20 нс и паузой между кадрами 80 нс для промежутка длиной 12 мм. На первом кадре ЭОП-граммы показано положение анода (А) и катода (К). Скорость vсв изменения размера lсв(t) светящейся области КФ в направлении анода оценивалась как по изменению положения границы светящейся области с фиксированным уровнем светимости (фиксированная плотность почернения на фотопленке) во времени, так и путем дифференцирования зависимости lсв(t) в начальный момент времени. Полученные различными способами зависимости vсв(It) удовлетворительно коррелируют друг с другом и аппроксимируются зависимостью vсв ~ It0,5.

Рисунок 4 – Свечение катодного факела инициирующей искры при d =12 мм:


загрузка...