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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

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

Специальность: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Алферов Д.Ф.

Москва - 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина». Государственный научный центр РФ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ульянов Константин Николаевич

доктор технических наук,

профессор Пупынин Владимир Николаевич

доктор технических наук,

Лавринович Валерий Александрович

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время в электрических сетях среднего и высокого (до 110 кВ) класса напряжения все более широкое применение находят традиционные вакуумные коммутационные аппараты (выключатели и контакторы переменного тока и др.). Значительный вклад в разработку вакуумных выключателей переменного тока в нашей стране внесли сотрудники ВЭИ: Белкин Г.С., Воздвиженский В.А., Лукацкая И.А., Перцев А.А., Потокин В.С., Ромочкин Ю.Г и др. Однако существуют области техники, в которых возможности применения традиционных вакуумных аппаратов сильно ограничены. К таким областям нетрадиционных применений можно отнести электроимпульсные технологии (мощные электрофизические установки, магнитно-импульсная сварка и штамповка, электрогидравлическая и электроимпульсная обработка материалов и др.), в которых коммутационный аппарат должен быстро (единицы микросекунд и менее) включаться и обеспечивать многократное пропускание импульсных токов до сотен килоампер длительностью до единиц миллисекунд. Малое время включения и его разброса требуется, в частности, для параллельного подсоединения большого (десятки) количества аппаратов. Другой областью нетрадиционных применений является коммутация цепей постоянного тока, которая невозможна с помощью вакуумных выключателей переменного тока без применения специальных мер.

Одним из востребованных типов импульсных вакуумных коммутационных аппаратов являются разрядники вакуумные управляемые (РВУ). Основным элементом РВУ является электродная система, содержащая два основных и один управляющий электроды. Электродная система размещается в герметизированном корпусе отпаянной конструкции, который выполняет также функции изолятора. Управляющий электрод устанавливается на одном из основных электродов и отделяется от него с помощью диэлектрической вставки - поджигающего промежутка. Расстояние между основными электродами всегда фиксировано и определяется требуемой электрической прочностью вакуумного промежутка. Разрядник содержит также экранную систему, которая защищает внутренние стенки корпуса от металлизации продуктами эрозии основных электродов.

В связи с возрастающими требованиями потребителей и расширением области применения возникла необходимость в повышении предельных параметров РВУ в соответствии с потребностями электроимпульсных технологий и энергетики. В частности, для успешного применения РВУ в мощных электроимпульсных технологиях необходимо было повысить коммутируемый ими ток от 100 кА до 500 кА, количество электричества в импульсе от десятков до сотен кулон и ресурс от тысячи до сотен тысяч включений в широком диапазоне коммутируемых токов. Весьма важным направлением совершенствования вакуумных разрядников является также уменьшение уровня рассеиваемой в вакуумном промежутке энергии на начальной стадии формирования проводимости разрядного канала, что особенно существенно при коммутации микросекундных импульсов тока. Однако дальнейшее совершенствование конструкции РВУ было невозможно без более глубокого понимания физических процессов, определяющих инициацию и развитие сильноточного дугового разряда в вакуумных промежутках. Поэтому задача разработки физико-технических основ создания РВУ с повышенными технико-экономическими параметрами является актуальной.

Другой актуальной задачей, которая может быть решена с помощью вакуумных коммутационных аппаратов, является замена существующих высоковольтных выключателей постоянного тока с открытой электрической дугой, например, на железнодорожном транспорте. В вакуумных выключателях в качестве дугогасительного устройства используются вакуумные дугогасительные камеры (ВДК). Дуга отключения, возникающая при размыкании контактами ВДК цепи тока, горит в парах материала контактов и гаснет при переходе переменного тока через нулевое значение. Для отключения постоянного тока в ВДК необходимо применять специальные меры.

Одним из известных способов гашения дуги постоянного тока является формирование в вакуумном промежутке поперечного магнитного поля. Поперечное магнитное поле нарушает устойчивость горения вакуумной дуги, что приводит к быстрому росту напряжения на вакуумном промежутке и обрыву тока в ВДК. Однако, несмотря на многолетнее изучение возможности реализации такого способа гашения дуги, его применение сдерживалось недостаточной надежностью отключения тока, что могло быть обусловлено отсутствием адекватной физической модели гашения дуги в поперечном магнитном поле. Эта задача сохранила свою актуальность и до настоящего времени. В связи с этим исследование гашения дуги в ВДК с поперечным магнитным полем на напряжение до 4 кВ является важной научно-технической задачей, на решение которой направлена данная работа.

Цель работы. Разработка физико-технических основ создания вакуумных коммутационных аппаратов для электроимпульсных технологий и для цепей постоянного тока посредством изучения процессов, определяющих динамику проводимости сильноточного электрического разряда и его гашения в вакуумных промежутках различной конфигурации.

Работа ориентирована на разработку и создание новых типов высоковольтных вакуумных коммутационных аппаратов, обладающих высокой надежностью, малыми эксплутационными затратами и экологической чистотой.

Основные задачи исследований.

При совершенствовании конструкций РВУ возникает ряд проблем, связанных с обеспечением зачастую противоречивых требований: малые и стабильные времена включения, устойчивое развитие разряда в начальной и дуговой стадии, надежность включения, высокая коммутационная способность, большой ресурс и высокие номинальные напряжения. Решение каждой из перечисленных проблем непосредственно связано с изучением физических явлений, определяющих развитие разряда в РВУ. Работа велась по следую-щим направлениям:

- изучение влияния параметров разрядного тока и инициирующего разряда на развитие сильноточного импульсного дугового разряда в вакуумных промежутках различной конфигурации с целью определения способов повышения надежности и уменьшения времени включения РВУ;

- изучение различных способов инициации сильноточного вакуумного дугового разряда с целью повышения ресурса узла поджига РВУ;

- исследование коммутационных характеристик сильноточных разрядников с целью изучения возможности повышения ресурса РВУ при коммутации токов более 100 кА;

- разработка научных основ повышения предельных параметров РВУ путем совершенствования конструкции электродной системы и оптимизации параметров инициирующего разряда для различных режимов работы.

Другой задачей, на решение которой направлена настоящая работа, является определение условий, обеспечивающих отключение постоянного тока в поперечном магнитном поле. Для выполнения этой задачи, работа велась по следующим основным направлениям:

- выбор и обоснование конструкции контактной системы ВДК с внешним поперечным магнитным полем;

- экспериментальное и теоретическое исследование условий нарушения устойчивости и гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле в зависимости от индукции магнитного поля, геометрии вакуумного промежутка и параметров внешней цепи;

- разработка научных основ создания вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока для требуемых режимов коммутации.

Объект и предметы исследований. Объектом исследований являлся сильноточный разряд в вакуумных промежутках различной конфигурации, который обладает рядом специфических свойств, отличающих его от других форм газового разряда. Характер развития вакуумного дугового разряда существенно зависит от режима горения дуги, геометрии электродной системы вакуумного промежутка и распределения магнитного поля как собственного, так и внешнего.

В качестве предметов исследований использовались макетные образцы электродной системы РВУ различной конфигурации и макетные образцы ВДК. В межконтактном промежутке последних формировалось аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на высоковольтных сильноточных стендах отдела 0200 ФГУП ВЭИ, оснащенных современной системой управления и диагностики, обеспечивающей одновременную регистрацию электрических характеристик разряда, импульсов зондового тока и излучения плазмы. Результаты измерений обрабатывались и оформлялись с помощью программ WaveStar и ORIGIN. Теоретические исследования проводились путем разработки феноменологических и физических моделей. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки экспериментальных данных, методы матема-тического анализа, методы теории электрических цепей и методы численного решения уравнений на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Предложена и апробирована оригинальная методика времяпролетных измерений скорости ионов с помощью плоского ленгмюровского зонда. Методика позволяет определить среднюю и направленную скорость ионного потока по измеренной зависимости зондового тока во времени.

2. В дуговой стадии импульсного разряда при скорости нарастания тока di/dt > 2·10⁹ А/с и длине вакуумного промежутка d ~ 10 мм обнаружено формирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. Показано, что с увеличением di/dt > 10¹⁰ А/с происходит нарушение устойчивости развития сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающееся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Впервые установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах. Полученные результаты позволили определить требования к параметрам инициирующего разряда и длине вакуумного промежутка, обеспечивающие устойчивое развитие сильноточного разряда при высокой скорости нарастания тока и, следовательно, минимальные энергетические потери, что важно для повышения ресурса узла поджига РВУ.

3. Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия образования катодных пятен под плазмой вакуумного разряда с током I_t при напряжении U: , где постоянная G определяется материалом электродов и состоянием поверхности катода. Предложена и экспериментально апробирована методика расчета коммутационных характеристик РВУ с отделенным от катода вспомогательным импульсным источником плазмы. Методика позволяет оптимизировать параметры вспомогательного источника. Полученные результаты способствовали разработке новых способов инициации разряда с целью повышения ресурса РВУ.

4. В результате экспериментального исследования инициации и развития импульсного сильноточного вакуумного разряда в стержневой электродной системе обнаружено явление быстрого перехода разряда от узла поджига в межстержневые промежутки. Найдено пороговое значение тока перехода i_K = 5 - 9 кА, которое практически не зависит от скорости нарастания тока. Установлена корреляция между моментом появления резкого спада напряжения на вакуумной дуге и моментом образования нового разрядного канала в межстержневом промежутке. Предложена феноменологическая модель развития сильноточного дугового разряда в нестационарном пространственно-неоднородном скрещенном электромагнитном поле стержневой электродной системы. Полученные результаты позволили определить требования к конструкции стержневой электродной системы, обеспечивающие высокую коммутационную способность РВУ.

5. Предложена оригинальная конструкция ВДК, в межконтактном промежутке которой формируется аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле. Обнаружены и исследованы две характерные стадии развития дуги отключения, присущие практически всем вакуумным промежуткам с аксиально-симметричным магнитным полем: устойчивая и неустойчивая, которая характеризуется значительными осцилляциями напряжения и тока. Обнаружено, что в момент перехода из устойчивой стадии дуги в неустойчивую дуговой канал в межконтактном промежутке погасает.

6. Впервые определено распределение длительности устойчивой стадии дуги и тока отключения в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем при различных значениях индукции магнитного поля и параметрах внешней цепи. Установлено, что в магнитном поле экспериментальные распределения продолжительности устойчивой стадии дуги и отключаемого тока до 300 А удовлетворительно описываются двухпараметрическим вейбулловским законом с параметром формы b > 1, т.е. отличаются от экспоненциального распределения, присущего вакуумным промежуткам без внешнего магнитного поля. Из этих результатов следует, что наложение аксиально-симметричного магнитного поля изменяет статистические свойства вакуумной дуги отключения.

7. Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование критической плотности тока j_in, ниже которой происходит нарушение устойчивого горения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле и найдены зависимости j_in от длины межконтактного промежутка и индукции магнитного поля. Найдены условия нарушения устойчивости дуги в случае разведения контактов ВДК с магнитным полем при растущем во времени токе. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нарушение устойчивости будет происходить, если скорость роста критического тока di_in(z)/dt, определяемая скоростью хода dz/dt контактов ВДК, превысит скорость нарастания тока внешней цепи.

8. Предложена математическая модель развития нестационарного слоя отрицательного объемного заряда в прианодной области вакуумного промежутка при нарушении устойчивого горения дуги, в которой размер слоя растет с постоянным ускорением a_d. Развитая модель динамики анодного слоя позволила оценить температуру поверхности анода на завершающей стадии гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле. Определены возможные механизмы отказа отключения тока в ВДК с поперечным магнитным полем.

Практическая ценность работы

Выполненный цикл теоретических и экспериментальных исследований способствовал углубленному пониманию физических процессов, определяющих динамику проводимости сильноточного инициируемого импульсного электрического разряда в вакуумных промежутках различной конфигурации и нарушение устойчивости вакуумной дуги постоянного тока в поперечном магнитном поле. Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:

- показано, что для обеспечения минимальных энергетических потерь в начальной стадии развития вакуумного разряда и надежности включения РВУ скорость нарастания тока инициирующего разряда должна быть сравнима со скоростью нарастания тока основного разряда, а его длительность должна превышать время пролета ионами вакуумного промежутка;

- предложена схема РВУ со вспомогательным источником инициирующего разряда и разработана методика определения условий включения и расчета его коммутационных характеристик;

- определены способы совершенствования конструкции существующих типов РВУ;

- разработана оригинальная конструкция ВДК, в межконтактном промежутке которой формируется аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле;

- определены условия успешного отключения постоянного тока в ВДК с внешним магнитным полем: должно произойти нарушение устойчивости дуги и вакуумный промежуток должен выдерживать восстанавливающееся на нем напряжение.

- предложена методика оценки индукции магнитного поля и длины межконтактного промежутка ВДК, при которых происходит отключение постоянного тока;

- определены возможные причины отказа отключения тока в ВДК с поперечным магнитным полем и разработаны требования к конструкции вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока.

Результаты исследований использовались при проектировании новых типов сильноточных РВУ, способных многократно (10⁴ - 10⁵) коммутировать импульсные токи до 500 кА с величиной передаваемого заряда до сотен кулон, которые по своим характеристикам превосходят известные мировые аналоги, и при разработке ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем. На основе этой камеры разработан и успешно прошел сертификационные испытания вакуумный контактор постоянного тока КВО-3-25 на напряжение до 4 кВ. На предприятиях ОАО «НПП «КОНТАКТ»», г. Саратов, и ООО «Вакуумные технологии», г. Рязань, освоено мелкосерийное производство новых типов РВУ и вакуумных контакторов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследований, изложенных в работе, обеспечивается корректностью постановки задачи теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов регистрации электрических сигналов и излучения плазмы, точностью измерений, и подтверждается сравнением результатов экспериментальных исследований с аналитическим расчетом и численным моделированием, а также эксплуатационной надежностью внедренных аппаратов, подтвержденных многолетним опытом их применения.

Основные положения, выдвигаемые на защиту

1. В результате исследований инициации и развития сильноточного дугового разряда при высокой скорости нарастания тока

- экспериментально найдены условия существования устойчивого цилиндрического разрядного канала в дуговой стадии разряда: 1 кА <I_m < 3 кА, 2·10⁹ А/с < (di/dt)_m < 10¹⁰ А/с при d ~ 10 мм;

- экспериментально определенны условия нарушения устойчивости сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающиеся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока: I_m > 3 кА, (di/dt)_m > 10¹⁰ А/с при d ~ 10 мм;

- экспериментально установлено наличие корреляции между изменениями электрических параметров разряда, динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах;

- определены требования к параметрам инициирующего разряда, обеспечивающие минимальное время включения и повышение ресурса РВУ.

2. Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия инициации разряда в вакуумном промежутке с помощью вспомогательного источника плазмы. Использование вспомогательного источника плазмы позволяет существенно повысить ресурс РВУ.

3. В результате исследований развития сильноточного вакуумного дугового разряда в стержневой электродной системе

- экспериментально обнаружено, что независимо от скорости изменения тока всегда существует пороговый ток i_k = 5 - 9 кА, при достижении которого происходит переход сильноточной дуги от узла поджига в межстержневые промежутки;

- экспериментально установлена корреляция между моментом появления резкого спада напряжения на вакуумной дуге и моментом образования нового дугового канала в межстержневом промежутке, что позволило следить за развитием дугового разряда путем анализа осциллограмм тока и напряжения,

- предложена феноменологическая модель развития сильноточного разряда в нестационарном пространственно-неоднородном скрещенном электромагнитном поле.

4. 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; 11^th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 1997; VII Межд. Конф. MG-7, Саров, 1997; 12^th 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 I_t = 1 кА и длительностью t_и 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 v_св изменения размера l_св(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 l_св(t) в начальный момент времени. Полученные различными способами зависимости v_св(I_t) удовлетворительно коррелируют друг с другом и аппроксимируются зависимостью v_св ~ I_t^0,5.

Рисунок 4 - Свечение катодного факела инициирующей искры при d =12 мм: I_t = 260 А (а) и I_t = 600 А (б).

Интересно отметить появление на ЭОП-граммах волнообразного характера свечения перед фронтом факела (рис.4.б). Такой характер свечения, как правило, наблюдался при I_t > 500 A в промежутке 12 мм в отличие от достаточно однородного свечения при меньших токах поджига.

В результате времяпролетных измерений скорости потока ионов с помощью плоского зонда было получено, что в случае «длинного» тока поджига (t_и=4 мкс) значения направленных скоростей ионов и их разброса по скоростям оказались сравнимы по величине (порядка 10⁴-1,5·10⁴м/с). Средняя скорость потока ? 2·10⁴ м/с слабо зависела от тока инициирующего разряда (до I_t 400 А) и скорости его нарастания (до di_t/dt < 10⁹ А/с). При уменьшении длительности импульса тока поджига от 4 мкс до 0,3 мкс наблюдалось заметное (примерно в 1,5 раза) увеличение средней скорости ионов. Наблюдаемое увеличение скорости ионов при уменьшении длительности импульса тока поджига может быть обусловлено резким увеличением среднего заряда ионов при быстром росте («скачке») тока.

Развитие инициируемого вакуумного разряда исследовалось в течение полупериода синусоидального импульса тока i длительностью 0,85 мкс при зарядном напряжении U₀ < 20 кВ. В дуговой фазе, которая наступала после заполнения плазмой промежутка, характер развития разряда сильно зависел от амплитуды тока I_m.

При сравнительно слабых токах (I_m < 1 кА, (di/dt)_m ? 3·10⁹ А/с) наблюдалась диффузная мода разряда, при которой ток и напряжение изменялись монотонно, а свечение разрядной плазмы, как и в отсутствии электрического поля, имело форму, близкую к полусфере с центром вблизи узла поджига, размеры которой увеличивались во времени.

В диапазоне токов 1 кА < I_m < 3 кА (3·10⁹ А/с < (di/dt)_m ? 10¹⁰ А/с) после заполнения плазмой вакуумного промежутка формировался светящийся цилиндрический разрядный канал (рис. 5,а), радиус которого составлял а = 1 - 1,5 мм при d = 4 мм и а = 3 - 4 мм при d=12 мм. Размеры канала практически не менялись с ростом разрядного тока и слабо зависели от тока поджига I_t = 300 - 500 А. В этом режиме рост тока оставался монотонным, а напряжение в дуговой фазе слабо менялось в пределах точности измерений.

(а) U₀ = 3,9 кВ, I_t = 600 A; (б) U₀ = 7,2 кВ, I_t = 300 A

Рисунок 5 - Динамика свечения разряда: кружками показано начало очередного кадра ЭОП при d = 4 мм.

При I_m > 3 кА ((di/dt)_m > 10¹⁰ А/с) по мере развития разряда возникала неустойчивая стадия, сопровождаемая появлением резких всплесков напряжения (рис. 5,б) длительностью 30 - 50 нс, причем амплитуда всплесков U_m зависела от длины вакуумного промежутка, изменяясь при I_t = 600 А от 10 - 20% U₀ для d = 4 мм до 100% при d=12 мм. С уменьшением тока поджига U_m увеличивалось.

Появление осцилляций напряжения сопровождалось увеличением неоднородности свечения разрядного канала. Изменение пространственного рас-пределения свечения плазмы в вакуумном промежутке во всех исследованных модах вакуумного дугового разряда совпадало во времени с изменением распределения КП. В момент возникновения каждого пика напряжения наблюдалось спонтанное образование новых КП. Занимаемая этими пятнами область быстро расширялась во времени вплоть до завершения неустойчивой стадии. Отношение максимального размера этой области к времени образования последней группы КП составляло (1 - 3)·10⁴ м/с - условная скорость расширения области с пятнами. Обсуждается возможность возникновения неустойчивой стадии вследствие турбулентного нагрева плазмы, что качественно не противоречит экспериментальным результатам.

Подавление отмеченных неустойчивостей возможно путем соответствующего подбора амплитуды и формы импульса тока поджига. В частности, увеличение скорости нарастания тока поджига повышает пороговый ток перехода разряда в неустойчивый режим. Пороговый ток можно также повысить путем уменьшения длины вакуумного промежутка. Кроме того, может оказаться полезным создание условий, препятствующих сжатию разрядной плазмы - формирование аксиального магнитного поля или организация многоканального разряда. Эти рекомендации использовались для повышения ресурса РВУ.

В четвертой главе приводятся результаты исследования инициации дугового разряда с помощью вспомогательного источника плазмы, отделенного от катода вакуумным промежутком.

В качестве объекта исследования использовался образец РВУ, схема которого представлена на рис. 6. Электродная система РВУ состоит из анодного диска 1 и цилиндрического катода 2 с внешним диаметром 35 мм. Внутри катода соосно установлен вспомогательный источник плазмы. Источник состоит из поджигающего электрода 4, который отделен от катода источника 3 (вспомогательный катод) диэлектрической вставкой 5 - поджигающий промежуток. Радиальный размер вакуумного промежутка между основным и вспомогательным катодом Дr = 0,5 - 1 мм. Минимальное расстояние между вспомогательным катодом и анодом d = 2 мм.

При изучении условий пробоя основного вакуумного промежутка сопротивление R = R₀ + R_b = 2 кОм >> с = , L = L₀ + L_b. В этих измерениях потенциал плазмы принимал значение, примерно равное потенциалу анода и вспомогательного катода U_p?U₀. Потенциал основного катода U_k сохранял нулевое значение. При превышении током поджига некоторого предельного значения тока I_з зажигания (I_t ? I_з) в цепи разряда происходил резкий рост тока, обусловленный пробоем радиального вакуумного промежутка и образованием КП на основном катоде. Полученные таким образом значения I_з при различных значениях U₀ показаны точками на рис. 7.

Экспериментальные данные согласуются с предположением о фиксированном значении пробивной напряженности электрического поля E_пр в прикатодном слое. Полагая, что плазма полностью ионизирована и в прикатодном слое реализуется бесстолкновительное движение ионов, толщину слоя h и напряженность поля в нем Е можно оценить, воспользовавшись соотношением Чайлда-Ленгмюра для плотности ионного тока

 (1)

где f - доля ионного тока относительно полного тока поджига, М - молекулярный вес иона. Соотношение (1) удовлетворительно согласуется с экспериментальными точками на рис. 7 при Е_пр ?3•10⁶ В/см.

Условие пробоя при фиксированном значении E = Е_пр, согласно (1), можно представить в виде

(2)

Здесь G - постоянная включения, которая зависит от Е_пр, материала электродов и геометрии межэлектродного промежутка, ф - время запаздывания, равное времени пролета ионами вакуумного промежутка между вспомогательным и основным катодами.

Рисунок 6 - Схема РВУ и стенда. Рисунок 7 - Зависимости тока I_з образования КП на основном катоде от U₀.

Выражение (2) позволяет рассчитать время включения РВУ при различных способах подсоединения внешнего источника плазмы. Для схемы, представленной на рис. 6, получим соотношение между напряжением U₀ и временем зажигания разряда в безразмерном виде x = t/t_m

(3)

где t_m = бC₀с/(1-о²)^1/2 - момент времени, соответствующий максимуму разрядного тока I_р(t); д = R/2L, б = arcctg(ч); у = б·ч; ч = ; b= L_b/L ; в = R_b/R; х₀ = ф/t_m.

Типичные осциллограммы токов и напряжения представлены на рис.8. Измерения коммутационных характеристик РВУ проводились при следую-

щих параметрах разрядного контура (рис. 6): R₀ = 0,3 Ом, R_b = 3,3 Ом (о = 0,34), С₀ = 2,9·10^-8 Ф, L₀ = 7·10^-7 Гн, L_b = 1,4·10^-7 Гн (b = 0,17). В результате измерений получены зависимости времени включения t_p от U₀, а также I_p и U_p от момента включения (рис. 9). Время включения отсчитывалось от момента t₀, который определялся, как показано на рис. 8 штрихпунктиром. На рис. 9 представлены также результаты расчета для выбранных параметров разрядного контура. Расчеты выполнены для трех значений времени запаздывания ф = 40, 60 и 80 нс с помощью соотношения (3). Видно, что экспериментальные точки в основном лежат в выбранном интервале времени запаздывания ф, причем большая их часть группируется вблизи значении ф = 40-60 нс.

Рисунок 8 - Осциллограммы токов и напряжения на РВУ.

Рисунок 9-Коммутационные характеристики РВУ.

Таким образом, в РВУ со вспомогательным источником осуществляется быстрый (единицы микросекунд) переход разряда от узла поджига в основной вакуумный промежуток, что позволяет повысить ресурс узла поджига.

Другим способом, позволяющим уменьшить токовую нагрузку на узел поджига и энергетические потери в начальной стадии разряда, является поджиг на аноде. В этом случае инициирующий разряд генерируется на аноде, и включение РВУ происходит в результате пробоя приэлектродного слоя между катодом и плазмой анодного факела инициирующего разряда. Коммутаци-

онные характеристики при поджиге на аноде исследовались на образце РВУ, предназначенном для коммутации субмикросекундных импульсов тока при напряжении до 25 кВ.

Герметичный корпус РВУ отпаянной конструкции состоит из двух керамических цилиндров с внешним диаметром 36 мм и общей высотой 100 мм, соединенных между собой через плоское медное уплотнение, которое одновременно служит держателем катодного электрода (рис. 10). Основные электроды расположены внутри керамического цилиндра 1. Цилиндр 2 обеспечивает изоляцию поджигающего электрода. Для обеспечения требуемой скорости нарастания тока используется двухкаскадная эрозионная система поджига, содержащая поджигающий электрод 3 и две диэлектрические вставки 4 с промежуточным металлическим электродом 5 между ними. Включение РВУ при поджиге на аноде происходило при условии, если ток поджига I_t превышал напряжение ¦U₀¦_min. (рис. 11).

Рисунок 10 - Схема РВУ и испытательного разрядного контура.

Рисунок 11 - Условие включения РВУ при поджиге на аноде.

Отличием режима поджига на аноде по сравнению с поджигом на катоде является существенно меньший уровень рассеиваемой в промежутке энергии в начальной стадии развития разряда и заметное уменьшение токовой нагрузки на узел поджига. Однако для его реализации требуется больший ток поджига. Поэтому были исследованы возможности повышения ресурса РВУ при поджиге на катоде путем оптимизации параметров тока поджига.

В результате исследования влияния параметров инициирующего разряда на коммутационные характеристики РВУ определены требования к амплитуде и длительности тока поджига, обеспечивающие повышение ресурса РВУ до более 10⁵ включений.

В пятой главе приводятся результаты исследования сильноточного импульсного разряда в макете стержневой электродной системы. Объектом исследований являлась стержневая электродная система, которая состоит из трех катодных (1) и трех анодных (2) стержней, расположенных по окружности радиусом 28 мм и узла поджига (3). В собранном виде такая система представляет собой набор пространственно-чередующихся стержневых электродов переменной полярности, расположенных по окружности и закрепленных на анодном и катодном держателях (рис. 12). На рис. 13 показан катодный узел стержневой электродной системы, в центре основания которого расположен узел поджига.

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 электродов



Рисунок 13 - Катодный узел стержневой электродной системы

вакуумный дуговой разряд магнитный

На рис. 14 представлены фотографии свечения разрядной плазмы, полученные при экспозиции в течение всего импульса тока, который имел униполярную форму с длительностью фронта ~ 140 мкс и спадом ~1 мс. Вверху расположен анодный, а внизу катодный узел электродной системы. Отметим, что при малых амплитудах тока I_m ? 5 кА (рис. 14,а) основная часть свечения была сосредоточена вблизи основания катода (в основном между узлом поджига в центре катода и торцом анодного стержня). С увеличением амплитуды тока до величины I_m ?15 кА значительная часть свечения наблюдалась уже в видимом межстержневом промежутке (рис. 14,б). При I_m ?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 v_св ~ 10³ м/c при di/dt ? 2·10⁷ A/c, и увеличивалась с ростом di/dt.

При I_m>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 t_k совпадал с первым ступенчато образным спадом напряжения на рис. 15 при токе i_К?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 i_К ·U^0,5 > 10⁵ (А·В^0,5). Отметим, что данное условие согласуется с условием пробоя вакуумного промежутка под плазмой инициирующего разряда.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

На рис. 16 представлена зависимость тока i_К, 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/dt5·10⁸ 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 i_А - ток, при котором появляется анодное пятно (АП) в межстержневом промежутке; 1 - появление первого КП в межстержневом

...