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

Автор: Алфёров Дмитрий Фёдорович

где UС0 – напряжение на C0; S – площадь эмиссионной поверхности плазмы на границе слоя отрицательного объемного заряда; iд – ток дуги; Uд – напряжение на ВДК; ?0 – диэлектрическая постоянная; e – заряд электрона; me – масса электрона; d0 – начальный размер слоя; ad – ускорение, с которым растет слой; t – текущее время; А – постоянная в ВАХ нелинейного резистора R1; ? – коэффициент нелинейности R1.

Рисунок 28 – Осциллограммы напряжения U и тока I при Bra = 90 мТл и

С1 = 0,025 мкФ и расчетные кривые Uд и тока iд соответственно.

Рисунок 29. Осциллограммы напряжения U и тока I при Bra = 90 мТл и

С1 = 0,5 мкФ и расчетные кривые Uд и тока iд соответственно.

На рис. 28 и 29 показаны расчетные кривые для Uд и iд, полученные в результате численного решения системы уравнений (7) – (10) с помощью программы Mathcad. Видно, что расчетные кривые удовлетворительно совпадают с экспериментальными зависимостями вплоть до максимального напряжения Ubr, при котором происходит быстрый спад напряжения и рост тока.

Ускорение ad определялось адаптивным методом из экспериментальных осциллограмм тока и напряжения. Критерием поиска являлось наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных кривых для данных значений шунтирующей емкости C1 и поперечной составляющей индукции магнитного поля Bra. Площадь сечения дугового канала S = 0,15 см2 принималась постоянной для всех значений C1 и Bra.

Найденные в результате расчетов значения ускорения аd, скорости нарастания напряжения dU/dt для различных значений емкости C1 и индукции Brа уменьшались с увеличением емкости C1 и уменьшением индукции Brа. Время роста напряжения tU увеличивалось с увеличением C1 при постоянной индукции Brа. В момент пробоя величина анодного слоя для всех режимов составляла d ? 0,1 мм.

Рассмотренная модель развития анодного слоя позволила оценить поток мощности на анод dq/dt = d/dt(Uд·iд/S), под действием которого происходит нагрев поверхности анода ?Ta на начальном участке неустойчивой стадии. Были проведены оценки разогрева поверхности анода потоком q(t) в течение устойчивой стадии и на высоковольтной стадии вакуумной дуги в условиях наших опытов. Температура поверхности анода в момент времени ta при произвольно меняющемся во времени тепловом потоке q находилась с помощью интеграла Дюамеля:

где ?, c, ?а – теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность материала контактов CuCr (50/50 по массе) соответственно; T0 – начальная температура анода, равная температуре окружающей среды, в расчетах принималась равной 200С; ? – текущее время. Предполагалось, что площадь эмиссионной поверхности плазмы S на границе слоя объемного отрицательного заряда равна площади нагреваемой на аноде поверхности.

Из оценок следует, что локальная температура анода может достигнуть величины Ta ~ 1300 – 1600?К в течение времени горения дуги до первого пробоя вакуумного промежутка при токах, близких к предельному току отключения Ibr. Такая температура близка к критической температуре анода Ткр ? 1500 – 1700?К для вакуумной дуги, горящей в парах меди.

Известно, что при нагреве анода до температуры Ткр ионизованные атомы испаренного материала анода могут нейтрализовать отрицательный заряд анодного слоя. Это приведет к резкому спаду напряжения и росту тока до уровня, определяемого параметрами внешней цепи. Пробой вакуумного промежутка может быть также обусловлен повышением концентрации нейтраль-

ного пара до предельно допустимого уровне при разогреве анода до критической температуры Ткр. В этом случае концентрация нейтрального пара материала анода может достигнуть значений, при которых станет возможным пробой вакуумного промежутка под действием восстанавливающегося напряжения. Пробой при увеличении напряжения может быть обусловлен и другим механизмом, определяемым изменением концентрации плазмы вакуумной дуги в прикатодной области. На периферии катода под слоем расширяющейся плазмы могут возникнуть условия для пробоя прикатодного слоя и образования спонтанных КП (см. Главу 4). Это приведет к генерации новой катодной плазмы за границей дугового канала, которая быстро закоротит межконтактный промежуток. В результате произойдет спад напряжения и рост тока.

После пробоя возникает высокочастотный ток разряда шунтирующей промежуток емкости С1. При С1 ? 0,1 мкФ влияние шунтирующей емкости мало. Дуга после первого пробоя, сопровождающегося резким спадом напряжения и ростом тока, быстро переходит в стадию, которая характеризуется значительными осцилляциями напряжения и тока. Такие осцилляции могут быть обусловлены повторными зажиганиями дуги. Среднее напряжение на промежутке медленно возрастает до напряжения источника питания, а ток постепенно спадает до ноля. С увеличением С1 > 0,1 мкФ на осциллограммах тока наблюдался резкий всплеск тока, обусловленный разрядом шунтирующей емкости С1 через нелинейное сопротивление вакуумного промежутка. С увеличением напряжения Ubr ток разряда емкости С1 возрастает и при его превышении тока источника питания суммарный ток в промежутке на второй полуволне разрядного тока может достигнуть ноля. В этом случае дуга погасает и на вакуумном промежутке начинает восстанавливаться напряжение. Это явление приводит к уменьшению длительности неустойчивой стадии дуги и, соответственно, к увеличению предельного тока отключения.

С увеличением тока выше предельных значений Ibr наблюдалось увеличение числа пробоев в центральной области на поверхности катода, где аксиальная составляющая магнитного поля Bz увеличивается с уменьшением радиуса r < 10 мм, а радиальная составляющая Br уменьшается. Данное обстоятельство может быть обусловлено увеличением вероятности пробоя и образования КП в центральной области катода. Если же силовые линии магнитного поля вблизи нового КП в центральной области катода попадали на анод, то дуга горела устойчиво вплоть до окончания импульса тока – отказ отключения тока. Другой возможной причиной отказа отключения тока является возникновение каскадного горения дуги между катодом и экраном и между экраном и анодом.

Таким образом, для успешного гашения вакуумной дуги постоянного тока в поперечном магнитном поле необходимо выполнение двух условий: должно произойти нарушение устойчивости горения дуги и вакуумный промежуток должен выдерживать восстанавливающееся на нем напряжение.

Была также исследована возможность повышения отключающей способности вакуумного промежутка с магнитным полем при помощи шунтирующего резистора. Исследования проводились при нарастающем во времени

токе. Найдена зависимость тока ограничения от сопротивления шунтирующего резистора и скорости нарастания тока. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нарушение устойчивости дуги будет происходить, если скорость роста критического тока diin(z)/dt в ВДК до критического значения Iin, определяемая скоростью dz/dt хода контактов, превысит скорость нарастания тока во внешней цепи.

Результаты испытаний подтвердили обоснованность принятых технических и конструкторских решений, использованных в ВДК с аксиально-симметричным преимущественно радиальным магнитным полем: плоский дисковый катод, чашечный анод и цилиндрический магнит, установленный по оси вакуумного промежутка под катодной поверхностью. На основе этой ВДК разработан и успешно прошел сертификационные испытания вакуумный контактор постоянного тока КБВ-3-25 на номинальный ток 25 А и напряжение до 4 кВ. Контактор предназначен для коммутации вспомогательных цепей на подвижном составе железнодорожного транспорта. Ожидаемый объем выпуска до сотен штук в год.

Заключение

Основные научные результаты, выводы и рекомендации можно сформулировать в следующем виде.

1. Обнаружено формирование устойчивого цилиндрического разрядного канала в дуговой стадии разряда и определены условия его образования. Установлено существование пороговой скорости нарастания тока, при превышении которой разряд переходит в неустойчивую стадию, характеризующуюся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда, динамикой свечения плазмы разрядного канала и образованием пятен на электродах. Полученные результаты позволили определить оптимальные условия инициации разряда, обеспечивающие минимальное время включения и малые энергетические потери РВУ.

2. Определены условия образования спонтанных катодных пятен под плазмой вакуумного разряда, что позволило найти пути повышения ресурса РВУ. Предложен новый способ инициации разряда в РВУ и разработана методика оптимизации его параметров.

3. Определены требования к параметрам инициирующего разряда, обеспечивающие устойчивое развитие начальной стадии разряда и ресурс РВУ.

4. В результате исследования развития сильноточного электрического разряда в макете стержневой электродной системы обнаружено явление быстрого перехода разряда от узла поджига в межстержневые промежутки при достижении мгновенного значения тока 5 – 9 кА. Установлена корреляция между моментом появления резкого спада напряжения на вакуумной дуге и моментом образования нового разрядного канала в межстержневом промежутке. С ростом тока наблюдались различные моды вакуумной дуги в межстержневом промежутке и размножение разрядных каналов по всем межстержневым зазорам. Предложена феноменологическая модель развития сильноточного разряда в нестационарном пространственно-неоднородном скрещенном электромагнитном поле, которая согласуется с результатами экспериментального исследования. Результаты исследований использованы при разработке и создании новых типов мощных РВУ отпаянной конструкции с улучшенными техническими характеристиками: РВУ-27, РВУ-35, РВУ-43, РВУ45 и РВУ-47.

5. Предложена и обоснована оригинальная конструкция вакуумной дугогасительной камеры с аксиально-симметричным преимущественно радиальным магнитным полем. Обнаружены и исследованы две характерные стадии развития разряда (устойчивая и неустойчивая), присущие практически всем вакуумным промежуткам с аксиально-симметричным магнитным полем.

6. Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия нарушения устойчивости вакуумной дуги в поперечном магнитном поле. Развита одномерная модель течения плазмы между расходящимися контактами в поперечном магнитном поле, описывающая устойчивую стадию горения дуги. Рассчитанные в рамках этой модели зависимости критического тока нарушения устойчивости дуги в поперечном магнитном поле от тока дуги, индукции магнитного поля и длины межконтактного промежутка качественно согласуются с результатами экспериментальных исследований.

7. Развита модель возникновения неустойчивой стадии, в которой протекание тока в прианодном слое объемного отрицательного заряда описывается законом Чайльда-Ленгмюра. Предполагается, что размер слоя увеличивается с постоянным ускорением. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

8. Результаты исследований использованы при разработке и создании ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем, на основе которой изготовлен и успешно прошел сертификационные испытания вакуумный контактор постоянного тока КВО-3-25 на максимальное напряжение 4 кВ. Выпущена опытная партия контакторов в количестве 50 шт.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Alferov D.F., Korobova N.I., Novikova K.P., Sibiriak I.O. Experimental study of a plasma expansion in to vacuum //Proc. of XIVth ISDEIV, Santa Fe, September 1990. - P. 405-408.

2. Alferov D.F., Korobova N.I., Novikova K.P., Sibiriak I.O. Cathode spots dynamics in pulse vacuum discharge //Proc. of XIVth ISDEIV, Santa Fe, September 1990. - ,P. 542-545.

3. Alferov D.F., Vozdvijensky V.A., Sibiriak I.O. Formation of cathode spots under the vacuum discharge plasma //Proc. of Santa Fe, September 1990. - P. 546-493.

4. Алферов Д.Ф., Воздвиженский В.А., Сибиряк И.О. Образование новых катодных пятен в вакуумном разряднике //ЖТФ. – 1990. - Т. 60. - №4. - C. 202-204.

5. Alferov D.F., Korobova N.I., Novikova K.P., Sibiriak I.O. Evolution of pulsed vacuum arc discharge //Proc. of XX Int. Conf. Phenom. Ionized Gases, Pisa, July 1991. - P. 1305-1306.

6. Alferov D.F., Vozdvijensky V.A., Korobova N.I., Sibiriak I.O. Triggered vacuum switch with subsidiary cathode //Proc. of XVth ISDEIV, Darmstadt, September 1992. -P. 411-415.

7. Алферов Д.Ф., Коробова Н.И., Сибиряк И.О. Развитие сильноточного импульсного электрического разряда в вакууме //Физика плазмы. – 1993. - Т. 19. - №3. - C. 399-410.

8. Алферов Д.Ф., Воздвиженский В.А., Коробова Н.И., Сибиряк И.О., Сидоров В.А. Четырехразрядный вакуумный управляемый разрядник //ЖТФ. – 1994. - Т. 64. - №2. - C. 180-188.

9. Alferov D.F., Vozdvijensky V.A., Sidorov V.A. Switching characteristics of the submicrosecond triggered vacuum switch //Proc. of XVI ISDEIV, Moscow-St. Petersburg, May 1994. - P. 247-250.

10 Алферов Д.Ф., Воздвиженский В.А., Сидоров В.А. Малогабаритный частотный вакуумный управляемый разрядник //ПТЭ. – 1995. - №1. - C. 98-108.


загрузка...