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

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 i_К от di/dt: 1-(¦) поджиг на катоде , 2-(Ў) 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 I_t К·U₁-^0,5, где К ? 8·10⁴ (А·В^0,5). 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 I_m 30 кА наблюдалось образование АП вблизи максимума тока при i_А = 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 i_A 40 кА. В диапазоне токов 30 - 100 кА мгновенные значения тока i_A, при которых наблюдалось образование АП, практически не зависели от начальных значений di/dt и имели стохастический характер. Во всех циклах измерений минимальное значение i_A составляло ~ 25 кА, что заметно превышало соответствующее 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 напряжения 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 l_M. Магнитное поле содержит аксиальную B_z и радиальную B_r компоненты, распределение которых по радиусу r вблизи поверхности неподвижного контакта (z=0) для магнита длиной l_M = 8 мм показано на рис. 20.

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



Рисунок 20 - Распределение магнитного поля по r при z = 0 и l_м = 8 мм.

На рис. 22 показаны кадры СФР-граммы, соответствующие временному интервалу ?t =t_к - t₁ относительно момента t₁ на осциллограммах (рис.21), где t_к - текущее время кадра. В течение устойчивой стадии (t_s = 2,84 мс) в межконтактном промежутке наблюдался один разрядный канал. Размер светящейся области разрядного канала в азимутальном направлении вблизи анодной поверхности составлял l_а ~ 6 - 7 мм при д ? 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 B_rа 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 д < 1 мм увеличивалось в азимутальном направлении и при д ~ 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 щ_eф_ei < 1 при B_r ? 100 мТл.

Рисунок 21 Осциллограммы напряжения U и тока I при B_r/B_z ?100 мТл/20 мТл.



Рисунок 22 - Кадры СФР-граммы, катод вверху, анод внизу.

С увеличением д вследствие расширения плазменной струи плотность тока j = i/S в прианодной области уменьшается и при некотором значении д_пор начнет выполняться условие щ_eф ? 1. Из оценок следует, что для тока i =100 А и B ~ 100 мТл это условие будет выполняться при S ? 0,2 см² и соответственно при плотности тока j ? 500 А/см². Эти оценки согласуются с наблюдаемыми размерами разрядного канала в прианодной области (S ~ 0,2 - 0,5 см² при д_пор ~ 1,6 - 3 мм) перед переходом в неустойчивую стадию.

Влияние эффекта Холла существенно изменяет протекание электронного тока в плазменном потоке. В частности, в результате взаимодействия продольного тока j_z с радиальной составляющей магнитного поля B_r появляется азимутальная составляющая тока j_ц - холловский ток. Линии электронного тока вблизи анода заметно искривляются в направлении действия силы Ам-пера, j_z/j_ц ~ 1/щ_eф. Взаимодействие магнитного поля B_r с азимутальной составляющей тока j_ц может привести к торможению плазменного потока под действием z - компоненты силы ампера F_a = j_ц·B_r. В этом случае заметная часть ионов может не достигать анода (ионное голодание) и у анода образуется слой отрицательного объемного заряда с положительным анодным падением, что приведет к повышению напряжения на вакуумном промежутке.

Рассмотренные оценки позволяют качественно объяснить как существование устойчивой стадии, так и уменьшение ее длительности при увеличении индукции магнитного поля и уменьшении тока дуги.

Важную роль в развитии разряда играет взаимодействие аксиального магнитного поля B_z с азимутальным током j_ц, которое может привести к отклонению плазменного потока в радиальном направлении под действием силы F_r = 1/c (j_ц·B_z) . Направление силы F_r определяется только направлением тока дуги. Если магнитная система расположена на катоде, то сила F_r направлена наружу из рабочей области межконтактного промежутка, и разрядные каналы будут изгибаться наружу и перемещаться в область устойчивого равновесия, где аксиальная составляющая магнитного поля изменяет направление (B_z = 0). При размещении магнитной системы на аноде сила F_r будет направлена к оси камеры, что приведет к стягиванию разряда к центральной области вакуумного промежутка.

В седьмой главе приводятся результаты исследований опытного образца ВДК с поперечным аксиально-симметричным магнитным полем. В качестве опытного образца была выбрана ВДК с аксиально-симметричным преимущественно радиальным магнитным полем. Конструкция контактной и магнитной систем аналогична конструкции, показанной на рис. 19. Изоляционный корпус ВДК выполнен из керамики с внешним диаметром 50 мм. Между контактной системой ВДК и корпусом находится медный экран, который предохраняет изолятор от запыления продуктами горения дуги.

Исследования опытного образца ВДК проводились на сильноточном стенде №3 (рис. 3) при напряжении 4 кВ, соответствующему максимальному напряжению в цепи постоянного тока на железной дороге. При заданных значениях индуктивности L₀, сопротивлении R₀, емкости шунтирующего конденсатора С₁, величины межконтактного промежутка д и среднего значения поперечной составляющей индукции магнитного поля B_ra проводилось по 20 - 25 измерений.

В первой серии изучалась зависимость длительности устойчивой стадии горения дуги t_s от мгновенного значения тока нарушения устойчивого горения дуги I_in при фиксированной индукции магнитного поля. В течение времени горения дуги разрядный ток оставался практически постоянным, при этом происходило увеличение межконтактного зазора за счет разведения контактов. По результатам проведенной серии экспериментов была выполнена статистическая обработка данных измерений длительности устойчивой стадии горения дуги. Экспериментальные распределения вероятности продолжительности устойчивой стадии удовлетворительно описывается двухпарамет-

рическим вейбулловским законом с параметром формы b > 1, т.е. отличается от экспоненциального распределения, присущего вакуумным промежуткам без внешнего магнитного поля. Средняя длительность устойчивой стадии уменьшалась с увеличением индукции магнитного поля и ростом тока. Из этих результатов следует, что наложение аксиально-симметричного магнитного поля изменяет статистические свойства вакуумной дуги отключения.

Во второй серии экспериментов исследовались зависимости мгновенного значения тока I_in нарушения устойчивого горения дуги от индукции магнитного поля при заданном значении межконтактного промежутка. Измерения проводились при спадающем разрядном токе с амплитудой I_max до 450 А и постоянной времени 0,05 с. Характерная осциллограмма этой серии экспериментов показана на рис. 23. Момент времени t₁ начала разведения контактов в ВДК Q₁ подбирался таким образом, чтобы длительность устойчивой стадии t_s превышала время, при котором контакты разойдутся на расстояние . Измерения проводились при двух значениях межконтактного промежутка = 4 и 2 мм. Контакты ВДК размыкались при токе отключения I₀ = 300 А.

На рис. 24 показаны зависимости средних значений тока I_in от усредненной по промежутку индукции B_ra для = 4 и 2 мм и стандартное отклонение у. Здесь белым маркером показано значение I_in, полученное при B_ra ? 68 мТл, B_za ? 50 мТл. Оно заметно превышает ток I_in при B_ra ? 65 мТл и B_za ? 0 Тл.

Рисунок 23. Осциллограммы напряжения U (220 В/дел, 5 мс/дел) и тока I (210 А/дел, 5 мс/дел) при С₁ = 0,5 мкФ, B_ra = 90 мТл, и = 4 мм.

Рисунок 24. Зависимость среднего значения тока I_in от B_ra при = 2 (¦) и 4 (?) мм и результаты расчета для S = 0,2 см² и 0,1 см².

Для приближенного описания физических процессов, протекающих в плазме вакуумной дуги на устойчивой стадии при расхождении контактов во внешнем однородном магнитном поле, совместно с Я.И. Лондером развита одномерная математическая модель. Поскольку скорость движения контактов на несколько порядков величины меньше характерных скоростей физических процессов, то задачу можно считать стационарной, т. е. в уравнениях магнитной гидродинамики можно пренебрегать всеми частными производными по времени.

Предполагается, что плазма является квазинейтральной. Кроме того, поскольку плотности тока в изучаемом разряде относительно невелики (~500 А/см² при сечении разрядного канала S = 0,2 см²), то можно пренебречь нагревом электронов и считать температуры электронов и ионов постоянными величинами.

В рамках данной модели найдена зависимость расстояния z от поверхности катода как функции скорости ионов v_z.

, (4)

где m_i, Z_i, v₀ - масса, средний заряд и скорость ионов на катоде;- ионно-звуковая скорость; f - доля ионного тока, j_z - плотность тока.

Следует отметить, что физически реальные решения уравнения (4) существуют только при v_z<v_is. Таким образом, при достижении ионами скорости, равной скорости ионного звука на расстоянии z от поверхности катода, возможен кризис течения плазмы, приводящий к нарушению квазистационарного прохождения тока. Предполагается, что в этом случае вблизи анода возникает недостаток ионов, и образуется слой отрицательного объемного заряда с положительным анодным падением. Процесс горения дуги переходит в неустойчивую стадию.

Критическая плотность тока j_z^сr, при которой возникает кризис течения плазмы на расстоянии z от катода, определяется из соотношения (4) при v_is = v_z. Для плазмы с температурой электронов kT_e = 2 эВ, со средним зарядом ионов z_i = 1,8, f = 0,08, v_is ? 2,6·10⁴ м/с выражение для критической плотности тока представим в виде

j_z^cr(А/см²) = А·z(мм)·B_y²(мТл), А ? 0,6 (А·мТл/см³). (5)

При фиксированной длине промежутка z = соотношение (5) позволяет для заданной величины B_y = B_ra оценить минимальную плотность тока j_z^сr, при которой горение дуги становится неустойчивым. На рис. 24 показаны результаты расчета с помощью соотношения (5) для значений сечения разрядного канала S = 0,1 и 0,2 см². Видно, что результаты расчета качественно согласуются с полученными в экспериментах функциональными зависимостями.

В следующей серии экспериментов изучалось влияние индукции магнитного поля и длины межконтактного промежутка на величину мгновенного значения обрываемого тока. В этой серии измерений ВДК шунтировалась конденсатором емкостью С₁ = 0,5 мкФ. В каждом опыте регистрировалось мгновенное значение тока обрыва дуги I_br в момент начала спада тока до нуля (рис.25).

По результатам проведенной серии экспериментов была выполнена статистическая обработка данных измерений. Экспериментальные функции F вероятности того, что ток I_br не отключится в ВДК с поперечным магнитным полем B_rа, удовлетворительно аппроксимируются двухпараметрическим вейбулловским законом распределения (рис. 26).



Рисунок 25 - Осциллограммы напряжения U (4340 В/дел, 5 мс/дел) и тока I (212 А/дел, 5 мс/дел) в ВДК при B_ra = 115 мТл.

Соответственно вероятность отключения тока I_br будет определяться функцией F_br = 1 - F. Зная функцию распределения, можно оценить ток обрыва в ВДК с заданной вероятностью при фиксированных значениях зазора и индукции магнитного поля

(6)

Из выражения (6) следует, что при B_rа = 90 мТл и С₁ = 0,5 мкФ в ВДК будет обрываться ток 120 А с вероятностью 0,999. При B_rа = 115 мТл с той же вероятностью обеспечивается обрыв тока ~ 180 А.

Увеличение тока I_br с увеличением B_rа обусловлено увеличением тока I_in, при котором возникает неустойчивость горения дуги. Среднее значение тока I_br примерно на 20 А меньше I_in для B_rа = 65 мТл. С увеличением B_rа различие между I_br и I_in заметно возрастает и при B_rа = 110 мТл оно составляет I_br - I_in ? 80 А.

Исследование влияния С₁ на отключающую способность ВДК проводилось при фиксированной индукции B_rа = 90 мТл. Результаты обработки серии экспериментов для различных С₁ показаны на рис. 27.

Здесь на вейбулловской координатной сетке показаны экспериментальные функции распределения вероятности того, что ток I_br не оборвется в ВДК при заданной величине емкости C₁. Они также удовлетворительно аппроксимируются двухпараметрическим распределением Вейбулла.

Воспользовавшись выражением (6) получим, что при F_br = 1 - F = 0,999 с уменьшением емкости С₁ от 0,5 до 0,025 мкФ ток отключения уменьшается от 120 до 80 А.

Для более детального изучения развития неустойчивой стадии вакуумной дуги были проведены измерения напряжения U и тока i c временным разрешением 100 нс при L₀ ? 2 мкГн и изменении усредненной по зазору индукции B_ra = 65 - 90 мТл и шунтирующей емкости С₁ = 0,025 - 0,5 мкФ. Осциллограммы неустойчивой стадии дуги, полученные при B_ra = 90 мТл для С₁ = 0,025 и 0,5 мкФ, представлены на рис. 28 и 29 соответственно.

Во всех случаях вначале наблюдался рост напряжения до некоторого значения U_br , сопровождаемый быстрым спадом тока. Затем происходил резкий спад напряжения, сопровождаемый всплеском тока. Можно предположить, что наблюдаемый спад напряжения при U = U_br обусловлен пробоем вакуумного промежутка. Такой процесс многократно повторялся вплоть до окончательного спада тока до нуля. С увеличением емкости С₁ > 0,1 мкФ увеличивались время роста напряжения и глубина спада тока. Число повторяющихся циклов роста напряжения до последующего пробоя и их длительность с увеличением С₁ уменьшались.



Рисунок 26 - Экспериментальные функции F вероятности того, что ток I_br не оборвется в ВДК с индукцией магнитного поля B_rа при С₁ = 0,5 мкФ.

Рисунок 27 - Экспериментальные функции F вероятности того, что ток I_br не оборвется в ВДК при заданной C₁ и фиксированном B_rа = 90 мТл.

Для описания переходных процессов при возникновении неустойчивости была предложена математическая модель развития нестационарного слоя объемного заряда в прианодной области вакуумного промежутка, в которой размер слоя растет с постоянным ускорением a_d. Модель построена с учетом параметров внешней цепи, используемой в эксперименте. Для расчетной модели были приняты следующие допущения: 1) связь между напряжением на слое, током и размером слоя описывается законом Ленгмюра при пренебрежении объемным зарядом ионов, 2) площадь эмиссионной поверхности плазмы на границе слоя отрицательного объемного заряда S остается постоянной во всем диапазоне исследуемых токов, 3) плотность тока равномерно распределена по эмиссионной поверхности.

С учетом принятых допущений запишем систему уравнений в виде:

(7)

(8)

(9)

(10)

где U_С0 - напряжение на C₀; S - площадь эмиссионной поверхности плазмы на границе слоя отрицательного объемного заряда; i_д - ток дуги; U_д - напряжение на ВДК; е₀ - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; m_e - масса электрона; d₀ - начальный размер слоя; a_d - ускорение, с которым растет слой; t - текущее время; А - постоянная в ВАХ нелинейного резистора R₁; б - коэффициент нелинейности R₁.



Рисунок 28 - Осциллограммы напряжения U и тока I при B_ra = 90 мТл и С₁ = 0,025 мкФ и расчетные кривые U_д и тока i_д соответственно.

Рисунок 29. Осциллограммы напряжения U и тока I при B_ra = 90 мТл и С₁ = 0,5 мкФ и расчетные кривые U_д и тока i_д соответственно.

На рис. 28 и 29 показаны расчетные кривые для U_д и i_д, 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 U_br, при котором происходит быстрый спад напряжения и рост тока.

Ускорение a_d 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 B_ra. Площадь сечения дугового канала S = 0,15 см² принималась постоянной для всех значений C₁ и B_ra.

Найденные в результате расчетов значения ускорения а_d, скорости нарастания напряжения dU/dt для различных значений емкости C₁ и индукции B_rа уменьшались с увеличением емкости C₁ и уменьшением индукции B_rа. Время роста напряжения t_U увеличивалось с увеличением C₁ при постоянной индукции B_rа. 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(U_д·i_д/S), под действием которого происходит нагрев поверхности анода ДT_a 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 t_a при произвольно меняющемся во времени тепловом потоке q находилась с помощью интеграла Дюамеля:

, (11)

где л, c, г_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; ф - 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 T_a ~ 1300 - 1600єК в течение времени горения дуги до первого пробоя вакуумного промежутка при токах, близких к предельному току отключения I_br. Такая температура близка к критической температуре анода Т_кр ? 1500 - 1700єК для вакуумной дуги, горящей в парах меди.

Известно, что при нагреве анода до температуры Т_кр 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 нейтрального пара до предельно допустимого уровне при разогреве анода до критической температуры Т_кр. 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 U_br 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 I_br наблюдалось увеличение числа пробоев в центральной области на поверхности катода, где аксиальная составляющая магнитного поля B_z увеличивается с уменьшением радиуса r < 10 мм, а радиальная составляющая B_r 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 di_in(z)/dt в ВДК до критического значения I_in, 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.

11. Алферов Д.Ф., Сидоров В.А. Модернизированный вакуумный управляемый разрядник с шестизазорной стержневой электродной системой //ПТЭ. - 1996. - №3. - C. 80-86.

12. Alferov D.F., Sidorov V.A., Korobova N.I. The burning voltages of a high current vacuum arc in a six-gap rod electrode system //Proc. of XVII ISDEIV, Berkeley, 1996. - P. 243-247.

13. Alferov D.F., Sidorov V.A., Korobova N.I. The burning voltages of a high current vacuum arc in a six-gap rod electrode system //IEEE Trans. Plasma Sci., 1997. - Vol. 25. - No 4. - P. 586-592.

14. Alferov D.F., Ivanov V.P., Sidorov V.A. High-current vacuum switching devices for pulsed technologies //Proc. of 11^th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 1997. - P. 857-861.

15. Алферов Д.Ф., Коробова Н.И., Сидоров В.А. Вольт-амперные характеристики сильноточного вакуумного управляемого разрядника с шести-зазорной стержневой электродной системой //Прикладная физика. - 1998. - №1. - C. 67-78.

16. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Сильноточные вакуумные коммутирующие устройства для мощных накопителей энергии //ПТЭ. - 1998. - №5. - C. 83-90.

17. Alferov D.F., Sidorov V.A. High-current vacuum arc evolution in a six-gap rod electrode system //Proc. of XIX-th ISDEIV, Xi' an, China, 2000. - P. 319-322.

18. Alferov D.F., Sidorov V.A., Nevrovsky V.A. Anode erosion of a high-current multigap vacuum triggered switch //Proc. of XIX-th ISDEIV, Xi' an, China, 2000. - P. 515-518.

19. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А., Федоров В.В.Новое поколение сильноточных вакуумных управляемых разрядников //Прикладная физика. - 2001. - №4. - с.41-48; Сб. докл. VI Симп. «Электротехника 2010 год», Окт. 2001. - C. 49-53.

20. Алферов Д.Ф., Лукацкая И.А., Селикатова С.М., Сидоров В.А. Исследование распределения магнитного поля в вакуумных управляемых разрядниках //Прикладная физика. - 2001. - №4. - C. 35-40.

21. Алферов Д.Ф., Сидоров В.А. Развитие сильноточной вакуумной дуги в стержневой электродной системе //ТВТ. - 2001. - Т. 39. - №6. - C. 865-872.

22. Lee H., Jin Y., Cho C., Rim G.,Kim J., Chu J., Jung J., Sidorov V. A., Alferov D.F. Evaluation of RVU-43 Switch as the Closing Switch for Modular 300kJ Pulse Power Supply for ETC Application //IEEE Trans. Magn. - 2001. - Vol. 37. - No. 1. - C. 371-374.

23. Алферов Д.Ф., Невровский В.А., Сидоров В.А. Анодная мода вакуумной дуги в многостержневой электродной системе //ТВТ. - 2002. - Т. 40. - № 1. - C. 19-25.

24. Алферов Д.Ф., Лукацкая И.А., Селикатова С.М., Сидоров В.А. Распределение магнитного поля в вакуумном управляемом разряднике со стержневой электродной системой электродов при горении дуги в межстержневых зазорах //Прикладная физика. - 2003. - №1. - C. 72-79.

25. Alferov D.F., Ivanov V.P., Sidorov V.A. High-current vacuum triggered switching devices //IEEE Trans. on Magnetics. - 2003. - Vol. 39. - №1. - P.406-409.

26. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Устойчивость горения вакуумной дуги постоянного тока в осесимметричном магнитном поле //Прикладная физика. - 2001. - №4. - C. 27-34.

27. Сидоров В.А., Алферов Д.Ф., Иванов В.П. Вакуумный управляемый разрядник. Патент РФ № 45052. БИ. - 2005. - № 10.

28. Alferov D.F., Ivanov V.P., Sidorov V.A. Characteristics of DC Vacuum Arc in the Transverse Axially Symmetric Magnetic Field //Proc. of XX-th ISDEIV, Tour, 2002. - P. 198-201.

29. Alferov D.F., Ivanov V.P., Sidorov V.A. Characteristics of DC Vacuum Arc in the Transverse Axially Symmetric Magnetic Field //IEEE Trans. on Plasma Science. - 2003. - Vol. 31. - No5. - P. 918-922.

30. Alferov D., Ivanov V., Petrov L., Sidorov V., Yashnov Yu. DC Vacuum Arc in the Axially-Symmetric Magnetic Field //Proc. of XXI-th ISDEIV, Yalta, 2004. - P. 166-169.

31. Алферов Д.Ф., Гостиев В.Г., Иванов В.П., Ильин В.Н., Симонов А.С., Сидоров В.А., Яшнов В.М. Вакуумный выключатель тока. Патент РФ № 2230385. БИ. - 2004. - № 16.

32. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Ильин В.Н., Симонов А.С., Сидоров В.А., Яшнов В.М. Вакуумный выключатель тока. Патент РФ № 2230386. БИ. - 2004. - № 16.

33. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Ильин В.Н., Симонов А.С., Сидоров В.А., Яшнов В.М. Вакуумный выключатель тока. Патент РФ № 2291513. БИ. - 2007. - № 1.

34. Алферов Д.Ф., Евсин Д.В., Лондер Я.И. Нарушение устойчивости электрической дуги при разведении контактов в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем //Прикладная физика. - 2006. - №1. - C. 29-36.

35 Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Вакуумная дуга постоянного тока в аксиально-симметричном неоднородном магнитном поле //ТВТ. - 2006. - Т. 44. - № 3. - C. 349-361.

36. Alferov D.F., Yevsin D.V., Londer Ya.I. Studies of the Stable Stage of the Electric Arc Burning at the Contact Separation in a Vacuum Gap with a Transverse Magnetic Field //Proc. of XXII-th ISDEIV, Matsue, Japan, 2006 - B2-P01.

37. Alferov D.F., Yevsin D.V., Londer Y.I. Studies of the stable stage of the electric arc burning at the contact separation in a vacuum gap with a transverse magnetic field //IEEE Trans. Plasma Sci. - Vol. 35. - Issue 4. - Part 2, - Aug. 2007. - P. 953-958.

38. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Евсин Д.В., Сидоров В.А. Изучение статистических закономерностей гашения электрической дуги постоянного тока в аксиально-симметричном магнитном поле // ТВТ. - 2008. - Т. 46. - № 4. - C. 495 - 503.

39. Алферов Д.Ф., Белкин Г.С., Евсин Д.В. Влияние параметров цепи на коммутацию постоянного тока вакуумной дугогасительной камерой с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем //Электричество. - 2008. - №9. - С. 17 - 24.

40. Alferov D., Belkin G., Yevsin D. DC Vacuum Arc Extinction in a Transverse Axisymmetric Magnetic Field //Proc. of XXIII-th ISDEIV, Bucharest, Romania. - September 2008. - (B6-O02).

41 Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Евсин Д.В Повышение отключающей способности вакуумного промежутка с поперечным магнитным полем с помощью шунтирующего резистора //ТВТ-2009. - Т. 47. - № 4. - С. 516-521.

42. Alferov D., Belkin G., Yevsin D. DC Vacuum Arc Extinction in a Transverse Axisymmetric Magnetic Field //IEEE Trans. Plasma Sci. - Aug. 2009. - Vol. 37. - No 8. - Part 1. - P. 1433-1437.

Размещено на Allbest.ru

...