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

Автор: Алфёров Дмитрий Фёдорович

Исследования проводились на сильноточном импульсном стенде №2 (Рис. 2). Период колебаний разрядного тока (Т ? 760 мкс) в отсутствии диодных блоков VD определялся индуктивностью подводящего кабеля L1 ? 2 мкГн и индуктивностью разрядной камеры 0,3 мкГн. При подключении диодных блоков длительность фронта тока практически не изменилась, а спад тока стал монотонным длительностью ~ 1 мс.

Рисунок 12 – РВУ со стержневой системой

??????X

?????????A[??

$ния была сосредоточена вблизи основания катода (в основном между узлом поджига в центре катода и торцом анодного стержня). С увеличением амплитуды тока до величины Im ?15 кА значительная часть свечения наблюдалась уже в видимом межстержневом промежутке (рис. 14,б). При Im ?27 кА свечение заполняет практически весь видимый межстержневой промежуток (рис. 14,в). При этом свечение вблизи узла поджига становится малозаметным.

Более детально проследить динамику свечения плазмы позволили СФР-граммы, полученные при различных максимальных скоростях нарастания

разрядного тока di/dt ~ U1/L1 ~ 107 - 109 А/с. При малых значениях di/dt < 108 А/c на СФР–граммах наблюдалось диффузное свечение в видимом межстержневом промежутке, которое распространялось в направлении основания анода. Скорость распространения фронта этого свечения vсв ~ 103 м/c при di/dt ? 2·107 A/c, и увеличивалась с ростом di/dt.

При Im>8 кА (di/dt>108 А/с) первоначальный разрядный канал стягивался на торец анодного стержня и наблюдалось образование нового КП на боковой поверхности катодного стержня в межстержневом промежутке на расстоянии h ~ 20 – 30 мм от основания катода. Из этого КП образовывался светящийся канал, который закорачивал межстержневой промежуток. Момент образования такого канала tk совпадал с первым ступенчато образным спадом напряжения на рис. 15 при токе iК?7 – 8 кА. Напряжение, при котором образовывалось новое КП, практически не зависело от di/dt, и составляло 150 – 200 В. Условие образования нового КП на можно описать соотношением iК ·U0,5 > 105 (А·В0,5). Отметим, что данное условие согласуется с условием пробоя вакуумного промежутка под плазмой инициирующего разряда.

а анод б анод в анод

катод катод катод

Рисунок 14 – Фотографии свечения плазмы:Im = а –5 кА, б – 15 кА, в -27 кА.

На рис. 16 представлена зависимость тока iК, при котором разряд переходил в межстержневой промежуток, от максимальной скорости нарастания тока. Характерно, что во всех исследуемых режимах вплоть до di/dt ~ 109 A/c образование первого разрядного канала в межстержневом промежутке практически не зависело от скорости нарастания тока, а определялось только мгновенным значением тока в диапазоне 5 – 9 кА.

При увеличении скорости нарастания тока до значений di/dt(5·108 А/с новые КП возникали сразу в нескольких межстержневых промежутках практически одновременно в пределах временного разрешения СФР – грамм ~ 8 мкс. Типичные для этих режимов осциллограммы представлены на рис. 17. Здесь iА – ток, при котором появляется анодное пятно (АП) в межстержневом промежутке; 1 – появление первого КП в межстержневом

промежутке, 2 – появление второго КП, 3 – размножение КП вдоль поверхности катодного стержня в направлении основания анода, 4 – появление АП, 5 – перекрытие светящихся областей из КП и АП. Новые КП горели, как правило, неустойчиво погасая и возникая вновь, что сопровождалось заметным нерегулярным шумом напряжения. Затем с ростом тока происходило размножение КП в видимом промежутке (а, возможно, и в соседних промежутках). Свечение вблизи узла поджига быстро погасало, и разряд полностью переходил в межстержневые промежутки – многоканальная стадия разряда.

Рисунок 15 – Осциллограммы тока i – а,

и напряжения U – б Рисунок 16 – Зависимость тока iК

от di/dt: 1–(?) поджиг на катоде

, 2–(?) поджиг на аноде.

Аналогичные исследования были проведены в режиме поджига на аноде (U1<0). Типичные для этого режима осциллограммы напряжения и тока представлены на рис. 18. Надежная инициация разряда в режиме поджига на аноде происходила при токе It ( К·U1–0,5, где К ? 8·104 (А·В0,5). В этом случае первое КП образовывалось на торце катодного стержня напротив узла поджига. Затем при достижении током значений 5 – 6 кА разрядный канал полностью переходил от узла поджига в межстержневой промежуток. Такой переход всегда сопровождался ступенчатообразным уменьшением напряжения.

При амплитуде тока Im ( 30 кА наблюдалось образование АП вблизи максимума тока при iА = 33 кА. С увеличением скорости нарастания тока до di/dt ( 6·108 А/c появление светящегося пятна на анодном стержне наблюдалось уже на фронте тока (рис. 18) при мгновенном значении тока iA ( 40 кА. В диапазоне токов 30 – 100 кА мгновенные значения тока iA, при которых наблюдалось образование АП, практически не зависели от начальных значений di/dt и имели стохастический характер. Во всех циклах измерений минимальное значение iA составляло ~ 25 кА, что заметно превышало соответст-

вующее значение критического тока образования АП для дисковых электродных систем без магнитного поля при сравнимых длительностях импульса тока.

Рисунок 17 – Осциллограммы тока i и

напряжения U при поджиге на катоде. Рисунок 18 – Осциллограммы напря-

жения U и тока i при поджиге на аноде.

Развитие разряда в значительной степени определяется величиной и формой магнитного поля в межстержневых промежутках, формируемого собственным током разряда. Влияние магнитного поля на развитие разряда подтверждается результатами оптических наблюдений. С ростом тока КП в межстержневом промежутке размножались и выстраивались в линию, которая параллельна оси стержня. Такая динамика КП может быть обусловлена ретроградным движением пятен в поперечном магнитном поле. Продольная составляющая магнитного поля становится существенной, когда ток начинает протекать по всем стержневым электродам. По-видимому, при увеличении тока именно влиянием продольной составляющей магнитного поля можно объяснить увеличение однородности заполнения пятнами рабочей поверхности катодных стержней и сравнительно высокий критический ток образования АП.

На основании результатов исследований разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции электродной системы и узла поджига, которые использовались при разработке новых типов РВУ отпаянной конструкции РВУ-27, РВУ-35, РВУ-43, РВУ-45 и РВУ-47. Разрядники отличаются предельными параметрами и массогабаритными характеристиками. Самые мощные из них способны многократно (104 – 105) коммутировать импульсные

токи до 500 кА с величиной передаваемого заряда до сотен кулон. Освоено мелкосерийное производство РВУ на отечественных предприятиях.

В шестой главе приводятся результаты исследования влияния внешнего поперечного магнитного поля на характеристики вакуумной дуги. Предложена оригинальная конструкция ВДК с аксиально-симметричным преимущественно радиальным магнитным полем. Магнитное поле заданной конфигурации создается с помощью магнитной системы, установленной соосно с вакуумной камерой под поверхностью одного из контактов. Магнитная система может быть выполнена как в виде импульсной электромагнитной катушки, так и из постоянных магнитов.

Эксперименты, выполненные с импульсной катушкой, продемонстрировали возможность создания полностью управляемого вакуумного разрядника, в котором отключение тока осуществлялось путем возбуждения импульсного аксиально-симметричного преимущественно радиального магнитного поля.

Поведение электрической дуги отключения исследовалось при разведении контактов в вакуумном промежутке с аксиально-симметричным постоянным магнитным полем. В качестве объекта исследований использовались образцы ВДК отпаянной конструкции. На рис. 19 представлена контактная система образца ВДК с внешним радиусом 11 мм. Она содержит подвижный 1 и неподвижный 2 электроды с торцевыми контактами, которые изготовлены из материала CuCr (50/50) и магнитную систему 3, формирующую между контактами аксиально-симметричное магнитное поле. Подвижный контакт 1 выполнен в виде чашки с толщиной стенки 2 мм. Рабочая область (область контактирования) на торцевой поверхности неподвижного контакта представляет собой кольцевую поверхность шириной 2 мм. Максимальный межконтактный зазор ( равен 4 мм.

Магнитная система размещалась по оси камеры со стороны неподвижного контакта. Она была выполнена в виде цилиндрического постоянного магнита диаметром 15 мм с аксиальной коэрцитивной силой. Контактная система размещалась в стеклянном корпусе без экранной системы, что позволило наблюдать динамику свечения плазмы в межконтактном промежутке. Индукция и распределение магнитного поля в межконтактном промежутке регулировались путем изменения длины магнита lM. Магнитное поле содержит аксиальную Bz и радиальную Br компоненты, распределение которых по радиусу r вблизи поверхности неподвижного контакта (z=0) для магнита длиной lM = 8 мм показано на рис. 20.

В пределах рабочей области межконтактного промежутка (r = 9 – 11 мм) Br изменялась в диапазоне 170 – 100 мТл. Вблизи внешнего края контактной поверхности Bz изменяла знак. В этой области магнитное поле практически было параллельно поверхности неподвижного электрода. С увеличением расстояния от контактной поверхности до z = 4 мм составляющая Br заметно уменьшалась до Br = 60 мТл. Усредненная по длине промежутка ( = 4 мм радиальная Bra составляющая индукции магнитного поля при r = 10 мм равнялась Bra ? 90 мТл.

Исследуемый образец ВДК (Q1) подключался к стенду с помощью ВДК Q (рис. 3). Неподвижный электрод ВДК являлся катодом. Характерные осциллограммы напряжения на дуге U и тока I при U0 = 1 кВ и lM = 12 мм представлены на рис. 21. В момент t0 через замкнутые контакты Q1 начинал протекать ток. Контакты Q1 начинали расходиться в момент t1. При расхождении контактов в межконтактном промежутке загоралась вакуумная дуга, которая горела сравнительно устойчиво вплоть до момента t2. В момент t2 горение дуги переходило в неустойчивую стадию, которая характеризуется значительным шумом напряжения и тока. После отключения тока напряжение на Q1 восстанавливалось до уровня ~ 8 кВ.

Рисунок 19 – Контактная и магнитная сис-

темы ВДК. Рисунок 20 – Распределение магнитного поля по r при z = 0 и lм = 8 мм.

На рис. 22 показаны кадры СФР-граммы, соответствующие временному интервалу ?t =tк – t1 относительно момента t1 на осциллограммах (рис.21), где tк – текущее время кадра. В течение устойчивой стадии (ts = 2,84 мс) в межконтактном промежутке наблюдался один разрядный канал. Размер светящейся области разрядного канала в азимутальном направлении вблизи анодной поверхности составлял lа ~ 6 – 7 мм при ? ? 3 мм. Переход в неустойчивую стадию наблюдался на кадре, соответствующем моменту t2 (?t = 2,84 мс). Видно образование яркого пятна на боковой поверхности катода, а область сечения канала расширилась в радиальном направлении, захватывая боковую поверхность анода. На следующих кадрах СФР-граммы (t > t2) наблюдалось полное погасание свечения в межконтактном промежутке. Светящееся пятно на боковой поверхности катода перемещалось в азимутальном направлении со скоростью v ~ 50 м/с.

При более высоких значениях амплитуды тока I0 и индукции магнитного поля Brа имели место все отмеченные выше особенности развития вакуумной дуги отключения. Длительность устойчивой стадии возрастала с увеличением тока и уменьшалась при росте индукции магнитного поля.

Несколько коммутаций было проведено и при изменении полярности напряжения на камере (магнит на аноде). В этом случае дуга всегда горела устойчиво вплоть до окончания импульса тока.

Как следует из результатов оптического наблюдения, на начальной стадии вакуумной дуги при разведении контактов наблюдался светящийся разрядный канал, основание которого при ? < 1 мм увеличивалось в азимутальном направлении и при ? ~ 1 мм занимало участок контактируемой кольцевой поверхности катода длиной l ~ 5 – 7 мм. Влияние внешнего магнитного поля на динамику канала в этом случае было мало. Существование такой стадии развития дуги можно объяснить сравнительно высокой плотностью плазмы в разрядном канале и соответственно малым значением параметра Холла ?e?ei < 1 при Br ? 100 мТл.

Рисунок 21 Осциллограммы напряжения


загрузка...