Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Инициация, развитие и гашение электрического дугового разряда в вакуумных промежутках 23
1.1. Общие свойства вакуумного разряда 23
1.1.1. Условия развития пробоя 23
1.L2. Вакуумная дуга 25
1.1.3. Восстановление электрической прочности вакуумного промежутка после прохождения тока через нуль 31
1.1.4. Электрическая прочность «холодных» вакуумных промежутков 34
1.2. Развитие инициируемого разряда в РВУ 35
1.2.1. Конструктивные особенности РВУ 35
1.2.2. Особенности развития разряда в РВУ 38
1.2.3. Вакуумные управляемые.разрядники, разработанные в ВЭИ 48
1.2.4. Применение РВУ 50
1.3 Анализ различных способов коммутации постоянного тока в вакуумных выключателях 52
1.3.1. Вакуумный выключатель с контуром противотока 53
1.3.2. Гибридные выключатели постоянного тока 54
1.3.3. Вакуумный промежуток поперечным магнитным полем 55
1.3.4 Сравнение различных способов коммутации постоянного тока в выключателях, содержащих В ДК 58
Выводы по главе 1 61
Глава 2. Техника эксперимента и методика измерений 64
2.1. Высоковольтный импульсный стенд №1 64
2.1.1. Схема стенда 64
2.1.2. Методика измерений 69
2.2. Сильноточный импульсный стенд №2 78
2.2.1. Описание установки 78
2.2.2. Методика измерений 80
2.3. Стенд №3 для изучения гашения вакуумной дуги постоянного тока 82
2.3.1. Описание экспериментального стенда 82
2.3.2. Методика измерений 86
2.4. Методы борьбы с напряжением помех 89
Выводы по главе 2 90
Глава 3. Исследование развития инициируемого сильноточного импульсного электрического разряда на модели вакуумного промежутка 92
3.1. Объект исследований 92
3.2. Разряд инициирующей искры 94
3.2.1. Оптические измерения 94
3.2.2. Зондовые измерения 98
3.2.3. Обсуждение результатов 106
3.3. Основной разряд 109
3.3.1. Развитие вакуумного дугового разряда при высоких di/dt 109
3.3.2. Обсуждение результатов 120
Выводы по главе 3 129
Глава 4. Исследование различных способов инициации импульсного электрического разряда в РВУ 132
4.1. Инициация разряда в РВУ с помощью вспомогательного источника плазмы 133
4.1.1. Образование катодного пятна 134
4.1.2. Расчет коммутационных характеристик 141
4.1.3. Результаты измерений 143
4.2. РВУ с субмикросекундной длительностью тока 145
4.2.1. Объект исследований и условия измерений 146
4.2.2. Результаты исследований 148
4.3. Требования к параметрам инициирующего разряда 158
Выводы по главе 4 160
Глава 5. Коммутационные характеристики рву со стержневой электодной системой 162
5.1. Объект исследований 162
5.2. Эксперимент 165
5.2.1. Развитие импульсного сильноточного электрического разряда в стержневой электродной системе 165
5.2.2. Анодная мода вакуумной дуги в стержневой электродной системе 172
5.3. Обсуждение результатов 175
5.3.1. Феноменологическая модель развития разряда в стержневой электродной системе 175
5.3.2. Анодная мода вакуумного дугового разряда 178
5.4. Распределение магнитного поля в стержневой электродной системе 187
Выводы по главе 5 193
Глава 6. Исследование воздействия поперечного магнитного поля на устойчивость горения вакуумной дуги 195
6.1. Нарушение устойчивости горения вакуумной дуги постоянного тока при возбуждении импульсного аксиально-симметричного магнитного поля 196
6.1.1. Объект исследований 196
6.1.2. Результаты исследований 198
6.2. Характеристики вакуумной дуги отключения в поперечном аксиально-симметричном постоянном магнитном поле 203
6.2.1. Объект исследований 204
6.2.2. Эксперимент 207
6.2.3. Обсуждение результатов 221
Выводы по Главе 6 227
Глава 7. Гашение вакуумной дуги постоянного тока в поперечном аксиально-симметричном магнитном поле 229
7.1. Опытный образец ВДК 229
7.2. Изучение условий нарушения устойчивости дуги 234
7.2.1. Модельные представления 234
7.2.2. Эксперимент 239
7.3. Отключающая способность ВДК с аксиально-симметричным магнитным полем 246
7.3.1. Влияние индукции магнитного поля и длины межконтактного промежутка на отключение тока ВДК 246
7.3.2. Влияние параметров цепи на отключение тока в ВДК 250
7.3.3. Исследование неустойчивой стадии дуги 254
7.3.4. Моделирование процесса гашения дуги 256
7.3.5. Обсуждение возможных механизмов отказов 261
7.4. Повышение отключающей способности ВДК с помощью шунтирующего резистора 268
7.4.1. Эксперимент 268
7.4.2. Обсуждение результатов 272
7.5. Рекомендации по доработке конструкции ВДК 276
Выводы по Главе 7 278
Заключение 282
Список литературы 284
- Вакуумная дуга
- Зондовые измерения
- Развитие импульсного сильноточного электрического разряда в стержневой электродной системе
- Обсуждение результатов
Введение к работе
з
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 B.C., 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 па 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 злектроимпульсных 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 микросекундньгх импульсов тока. Однако дальнейшее совершенствование
\м
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 следующим 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.
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.
В дуговой стадии импульсного разряда при скорости нарастания тока di/dt >2-109 А/с и длине вакуумного промежутка с/~10мм 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.
Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия образования катодных пятен под плазмой вакуумного разряда с током h при напряжении U: I,4U>G, 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.
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 /к = 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.
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.
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 Ь > 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.
Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование критической плотности тока jm, ниже которой происходит нарушение устойчивого горения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле и найдены зависимости jin 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 dij„(z)/dt, определяемая скоростью хода dzldt контактов ВДК, превысит скорость нарастания тока внешней цепи.
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 ad. 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 «НИН «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 кЛ т < 3 кА, 2-Ю9 А/с < (di/di)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: /т > 3 кА, (di/dt)m > 1010 А/с при*/- 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.
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.
В результате исследований развития сильноточного вакуумного дугового разряда в стержневой электродной системе
- экспериментально обнаружено, что независимо от скорости изменения тока
всегда существует пороговый ток /t = 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; ll,h IEEE Int. Pulsed Power Conf, 1997; VII Межд. Конф. MG-7, Саров, 1997; 12th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 1999; XIX-th ISDEIV, Xi' an, China, 2000; VI Симпозиум «Электротехника 2010», 2001; XX-th ISDEIV, Tour, 2002; 11-th EML-Symposium, Saint-Louis, France, May 2002; XXI-th ISDEIV, Yalta, 2004; XXII-th ISDEIV, 2006, Matsue, Japan; IX Симпозиум «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2030. Перспективные технологии электроэнергетики», 2007, Истра, Московская область; «Электрические контакты и электроды» (ЭК-2007), 2007, Украина, Крым, пос. Кацивели; XXIII-th ISDEIV, 2008, Bucharest, Romania; VIII Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике, Москва, 2009; Научные сессии МИФИ 2007, 2008 гг., физические семинары ВЭИ.
Личный вклад автора
Постановка задачи и выбор направления исследований.
Подготовка экспериментальных стендов, разработка программы и методики измерений, участие в проведении экспериментальных исследований инициации и развития разряда в РВУ, анализ и обобщение результатов исследований.
Разработка методики расчета параметров РВУ со вспомогательным источником инициирующего разряда.
Участие в разработке конструкции РВУ и ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем.
Участие в теоретических исследованиях: разработке модели возникновения неустойчивости вакуумной дуги в поперечном магнитном поле и модели развития неустойчивой стадии и погасания дуги. Экспериментальная апробация моделей проводилась под руководством автора.
Общее руководство и участие в экспериментальных исследованиях гашения дуги постоянного тока в вакуумных промежутках с магнитным полем, анализ и обобщение результатов.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 42 печатных работах, в том числе получено 3 патента на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 215 источников. Общий объем диссертации составляет 297 страниц, включая 94 рисунка и 11 таблиц.
Вакуумная дуга
Вакуумная дуга является специфическим плазменным объектом, в котором поддержание разряда обеспечивается сильно ионизованной многокомпонентной неоднородной плазмой, образуемой в результате эрозии материала электродов в катодных пятнах под действием тока разряда. В связи с этим разряд может реализоваться в условиях любого вакуума, а неограниченная эмиссионная способность КП позволяет обеспечить практически любые токи разряда. В отличие от других типов разряда вакуумный дуговой разряд характеризуется сравнительно малой разностью потенциалов на электродах и положительной вольтамперной характеристикой. Основные свойства вакуумной дуги изложены в монографиях Г. А Месяца [2], И.Г. Кесаева [5], В.И. Раховского [б], коллективных монографиях под редакцией Дж. Лафферти [7] и Р.Л. Боксмана [8], и цитируемой в них литературе.
Условно вакуумную дугу можно разделить на три основных участка (рисунок 1.2). Первый (I) находится в прикатодной области и имеет вид ярко светящихся подвижных пятен - катодные пятна. Катодные пятна являются источником направленных в сторону анода потоков положительных ионов и капель металла. Параметры ионной компоненты катодной плазмы зависят только от вида материала катода. Пороговый ток на одно пятно определяется материалом катода и чистотой его поверхности. Это такой ток, ниже которого дуга гореть не может. С увеличением тока, когда ток дуги превышает пороговый ток на пятно, число КП увеличивается. При сравнительно малой скорости роста тока КП размножаются путем деления. В случае превышения предельного для данного материала значения (для меди di/dt 10 А/с) возможно спонтанное образование КП на удалении от первоначальной группы пятен [2,5]. Падение потенциала в прикатодной области (катодное падение) определяется в основном материалом катода и составляет порядка 10 - 20 В.
В отсутствие внешнего магнитного поля и при слабых токах дуги, когда собственным магнитным полем можно пренебречь, движение КП имеет случайный характер. При наличии поперечного магнитного поля В± появляется дрейф пятен в направлении, противоположном действию силы Ампера -ретроградное движение. В вакуумном промежутке с поперечным однородным магнитным полем КП распределяются вдоль силовых линий магнитного поля. Скорость Укп ретроградного движения КП пропорциональна индукции магнитного поля В±. В однородном поперечном магнитном поле Vicn (м/с) 200 B± (Тл) [10]. Одним из ярких проявлений ретроградного движения КП на однородных металлах является образование кольцевой структуры КП с центом в месте инициирования разряда [11,12]. Авторами работы [11] было обнаружено, что при постоянной скорости нарастания тока кольцо с КП расширялось примерно с постоянной скоростью. Скорость увеличения радиуса кольца пропорциональна азимутальной составляющей собственного магнитного поля, формируемого кольцевым каналом разрядного тока. В работе [13] показано, что в случае композиционных материалов СиСг, которые применяются в коммерческих вакуумных камерах, отмеченное выше явление образования кольцевой структуры КП не наблюдалось. Катодные пятна практически однородно заполняли ограниченную область на поверхности катода, размеры которой зависели от разрядного тока, расстояния между электродами и аксиального магнитного поля.
Другой участок (II) вакуумной дуги занимает область между катодом и анодом - столб дуги. При сравнительно малых токах столб дуги характеризуется однородным распределением электрического поля по длине промежутка с низким градиентом потенциала и занимает практически весь межэлектродный промежуток - диффузная мода вакуумной дуги. В диффузной моде дуги влияние анода на характеристики столба дуги незначительно.
Перенос тока в столбе дуги осуществляется за счет электрического поля. Вольтамперная характеристика вакуумной дуги для различных металлов имеет практически линейный характер Ua = Uc + G-I [9]. Напряжение на дуге складывается из катодного падения Uc и падения напряжения на столбе дуги G-I, где G - безразмерное сопротивление, величина которого зависит от длины промежутка и диаметра электродов. В общем случае распределение плазмы в столбе дуги определяется динамикой КП и размерами занимаемой ими области на поверхности катода.
Третий участок (III) между столбом дуги и анодом представляет собой слой пространственного заряда - анодная область. В диффузной моде анодное падение потенциала на слое отрицательное (сплошная кривая на рисунке 1.2), и поведение вакуумной дуги в основном определяется прикатодной областью. С ростом тока дуги увеличивается падение напряжения на столбе дуги, уменьшается отрицательный анодный барьер, растет температура поверхности анода и становится существенным его испарение.
Переход дуги из диффузной моды в высоковольтную моду, когда напряжение на дуге резко возрастает, происходит после изменения знака анодного падения потенциала (пунктирная кривая на рисунке 1.2) [14-15]. Механизм образования положительного анодного падения связывается с возникновением дефицита ионов в анодной области «ионное голодание», когда плотность тока на анод начинает превышать плотность хаотического тока из плазмы. Возникновение ионного голодания может быть обусловлено торможением катодных ионов как вследствие столкновения с анодными ионами, так и в результате сжатия столба дуги в прианодной области [15] . Сжатие столба дуги вызывается действием магнитного поля, формируемого собственным током разряда- контрагированная мода сильноточного вакуумного дугового разряда. В работе [16] показано, что в трехкомпонентной плазме торможение потока быстрых катодных ионов до скорости ионного звука приводит к кризису течения потока плазмы на анод, а наличие предельной скорости для медленных ионов препятствует их попаданию на катод. По мнению авторов, возникновение кризиса течения способствует образованию положительного анодного падения на прианодном слое отрицательного объемного заряда.
Электроны, ускоренные в слое отрицательного объемного заряда с положительным падением потенциала, эффективно нагревают анод, с поверхности которого начинается интенсивное испарение. В результате ионизации пара анодного материала в прианодной области появляются медленные ионы, скорость которых примерно на порядок меньше направленной скорости катодных ионов [14].
Это может привести к компенсации объемного заряда в слое, росту тока и спаду напряжения. Быстрый рост тока снова вызывает недостаток ионов на эмиссионной границе слоя, и соответственно увеличение падения напряжения на слое. Высокочастотные осцилляции напряжения на дуге сопровождаются образованием малоподвижных пятен на аноде - анодные пятна (АП).
Ток дуги, при котором возникают анодные пятна, существенно зависит от величины межэлектродного зазора, длительности горения дуги и скорости нарастания тока. Различные типы и режимы функционирования АП подробно рассмотрены в работе [15]. Существенно отметить, что в сильноточном разряде в сравнительно длинных вакуумных промежутках на аноде образуются малоподвижные АП, которые представляют собой расплавленные ванны металла, являющиеся интенсивным источником металлического пара. Вследствие этого вакуумная дуга с анодным пятном- характеризуется значительной эрозией электродов, а вакуумный промежуток пониженной. отключающей способностью.
Уменьшить влияние этого эффекта на отключающую способность вакуумных дугогасительных камер (ВДК) можно путем формирования в вакуумном промежутке поперечного радиального или продольного по отношению к току дуги магнитного поля. В поперечном магнитном поле контрагированная дуга перемещается с достаточно большой скоростью по поверхности контактов, что предотвращает создание интенсивных АП. Поперечное магнитное поле создается собственным током дуги, протекающим в контактах специальной формы: «спиральные» контакты с прорезями на торцевой поверхности и «чашечные» контакты с прорезями на боковой поверхности [8,17,18].
В коммерческих ВДК продольное магнитное поле заданной конфигурации формируется протекающим током в специальных контактных системах (индукторах) [8,18,20,21]. Усовершенствование контактных систем с продольным полем способствовало существенному повышению отключающей способности ВДК. Поиски оптимальной конфигурации магнитного поля продолжаются и в настоящее время (см. например, [22-24]).
Вследствие сравнительно малого расстояния (менее 40 мм) между основными электродами сильноточная дуга постоянного тока в вакууме может существовать достаточно долго, если не применяется принудительное прерывание тока. Вакуумная дуга переменного тока может погаснуть при приближении тока дуги к нулю. Гашение дуги в этом случае обусловлено постепенным погасанием катодных пятен. Однако дуга гаснет не при нулевом, а при некотором конечном значении на спаде тока. Величину тока в момент, предшествующий его резкому спаду до нуля, называют током среза (рисунок 1.3). Ток среза зависит от режима горения дуги и от материала электродов [25].
Зондовые измерения
При зондовых измерениях для генерации плазмы инициирующего разряда использовались две схемы по джига (рисунок 2.7), которые запускались с регулируемой задержкой относительно друг друга. Первая схема была аналогична используемой при оптических измерениях (п.3.2!1), в которой параметры гиперболической формирующей линию выбирались таким образом, чтобы длительность трапециидалыюго тока по джига составляла 4 мкс. Величина тока изменялась от 10 А до 400 А. Вторая схема поджига запускалась РВУ типа ВИР и формировала колебательный ток с периодом менее 0,6 мкс с амплитудой до 500 А приі?2 1 Ом.
Исследования проводились в отсутствие внешнего электрического поля в вакуумном; промежутке. В большинстве опытов анод находился под плавающим потенциалом. Для заданного значения тока поджига: проводились измерения ионного тока насыщения при фиксированном потенциале на зонде (p3 = -10B--60Bi
Первый цикл измерений был выполнен только с первой схемой поджига, которая генерировала сравнительно длинный импульс тока трапецеидальной формы. Во всех режимах контролировался сигнал на ложный зонд. При этом на ложном зонде регистрировался только слабый в/ч шум, что свидетельствовало о корректности выбранной схемы измерений. Типичные осциллограммы тока поджига /t и зондового тока /3 при ср3= -60 В представлены на рисунке 3.6. Видно, что зондовый ток появляется с заметной задержкой относительно начала тока поджига, что обусловлено конечной скоростью распространения фронта катодного факела:
При малых It 50 А на фронте зондового тока наблюдался заметный в/ч шум. Для исключения этого шума на входе осциллографа в данном.режиме использовался і С-фильтр (R=5 Ом, С=1000 пФ). На "полочке" зондового тока часто появлялись флуктуации тока с заметными выбросами: Для регистрации выбирались импульсы зондового тока с наименьшим уровнем амплитуды флуктуации. В результате измерений было установлено, что при ср3 - 40 В зонд регистрирует ионный ток в режиме насыщения.
Зависимости среднего значения амплитуды зондового тока насыщения /3 и максимального разброса данных измерений от амплитуды тока поджига It представлены на рисунке 3.7. Прежде всего, следует отметить большой разброс значений ионного тока в каждом цикле измерений (5-10 измерений для каждого /t)- Этот разброс становился особенно заметным при It 100 А. Причем в этом случае наблюдались два типа сигналов ионного тока, отличающихся по амплитуде примерно в 2 раза. Из рисунка 3.7 видно, что минимальная амплитуда зондовых токов практически линейно зависит от тока поджига. Эту ветвь измерений мы использовали для оценки доли ионного тока относительно тока поджига.
Полный ток ионов, генерируемый одиночным КП, представим в виде где S wr - площадь полусферы радиуса г =0,8 см с учетом косинусного закона распределения ионного тока (см. п. 2.1.2.3), г - расстояние от катода до поверхности зонда, S3= Л 0 2/4 площадь зонда с диаметром 0 =0,25 см, /3 - ток на зонд под углом 0 л/2. ток поджига lt, А Рисунок 3.7 - Зависимость зондового тока от тока поджига при ср3= -60 В.
Из (3.1) и рисунка 3.7 следует, что доля полного ионного тока относительно тока поджига при It 20 А составляет (7-11)%. При It 20 А эта доля уменьшается до (3-5)%. Результаты измерений удовлетворительно согласуются с известными экспериментальными данными за исключением данных, полученных нами при малых значениях It.
В указанном выше диапазоне «длинных» импульсов тока поджига была оценена скорость ионов с помощью методики, предложенной в п. 2.1.2.3. Проводилось сравнение экспериментальной формы фронта ионного тока на зонд г3 с зависимостью /3 j(r,6,t)-Sz (2.18). В качестве примера на рисунке 3.8,а представлены экспериментальные точки на фронте ионного тока в зависимости от времени t, отсчитываемого от начала тока поджига, и результаты расчета (сплошная кривая) по формуле (2.18) при значениях Vo и а, удовлетворяющих наилучшему согласию расчета с экспериментом. Здесь /;о максимальное значение ионного тока на зонд. Было выполнено порядка 5 — 10 опытов для каждого значения тока поджига в диапазоне It от 10 А до 400 А.
В результате такой обработки осциллограмм зондового тока были найдены значения средней V и направленной Vo скорости ионов и эффективный разброс ионов по скоростям у (рисунки 3.9, З.ЮиЗ.П).
Из рисунков видно, что в случае «длинного» поджига средняя скорость ионов составила порядка 2-Ю4 м/с при It 50 А и увеличилась не более, чем в 1,5 раза при почти десятикратном увеличении тока поджига. Увеличение средней скорости ионов может быть обусловлено увеличением усредненного разброса ионов по скоростям с ростом тока поджига. При малых значениях тока поджига а 10 м/с, а при It 400 А разброс ионов по скоростям увеличивался до о 1,5-Ю4м/с. При этом направленная скорость ионов (скорость сдвига) практически не менялась с увеличением тока поджига.
Во втором цикле исследований были проведены зондовые измерения ионного тока насыщения при генерации «короткого» импульса поджига. Использовался как апериодический разряд длительностью фронта тока поджига менее 100 не (рисунок 3.12), так и колебательный разряд с длительность первой полуволны менее 300 не (рисунок 3.13). Примеры сравнения экспериментальной формы ионного тока в режиме насыщения с расчетной зависимостью i3 j(r & t) S3 (2.18) для этих случаев показаны на рисунках 3.8,6 и 3.8,в.
Чтобы исключить возможное влияние начальной фазы пробоя по поверхности диэлектрика была измерена скорость ионов в режиме, когда тот же полупериод колебательного тока поджига (It 100-140 А) был наложен на «длинный» импульс /t с задержкой /зад 2 мке относительно начала тока поджига.
Результаты обработки осциллограмм зондового тока для этого цикла измерений представлены на рисунках 3.14, 3.15 и 3.16. Здесь кружочками () показаны данные измерений для «короткого» тока поджига (колебательный и апериодический разряд) без наложения «длинного» импульса тока. Результаты для колебательного и апериодического разряда обозначены одним маркером, т.к. они практически совпали в пределах разброса данных измерений. Звездочками ( ) обозначены результаты, полученные при наложении «длинного» импульса тока поджига. Видно, что в случае «короткого» импульса тока поджига средняя скорость ионов заметно выше, чем при «длинном» импульсе тока поджига. Наличие предимпульса тока поджига и его амплитуда практически не влияли на динамические характеристики ионного потока. Увеличение средней скорости ионов может быть обусловлено увеличением направленной скорости ионов без заметного изменения разброса ионов по скоростям.
Для изучения влияния расстояния d 8 мм от КП до зонда на ускорение ионов были проведены аналогичные измерения при с/ 4мм. Полученные значения скоростей ионов практически не изменились по сравнению с результатами, полученными при d 8 мм, в пределах разброса данных измерений.
Развитие импульсного сильноточного электрического разряда в стержневой электродной системе
Период колебаний разрядного тока (Г 760 мкс) определялся в данном случае индуктивностью подводящего кабеля L\ 2 мкГн и индуктивностью разрядной камеры L 0,3 мкГн. При подключении диодных блоков VD длительность фронта тока практически не изменилась, а спад тока стал монотонным длительностью 1 мс.
На рисунке 5.4 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 /т — 5 кА (рисунок 5.4,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 1т 15 кА значительная часть свечения наблюдается уже в видимом межстержневом промежутке (рисунок 5.4,6). При 1т —27 кА свечение заполняет практически весь видимый межстержневой промежуток (рисунок 5.4,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 Ui/Li 10 -10 А/с. Основная часть измерений проводилась в колебательном режиме разрядного тока (без диодных блоков).
В начальный момент времени (начало протекания инициирующего импульса тока) вблизи узла поджига появлялось светящееся пятно (КП). На следующих кадрах было видно, как из этого пятна появлялось светящееся облако, которое распространялось в направлении торца анодного стержня. В результате образовывался светящийся канал между узлом поджига и торцом анодного стержня. При сравнительно малых токах 1т 8 кА разряд горел только в этом канале в течение всего импульса тока. В этом случае с ростом тока при і 6 кА число КП вблизи узла поджига увеличивалось, и появлялись заметные всплески напряжения. При малых значениях di/dt 108А/с (такие режимы были получены при увеличении индуктивности L{) после образования КП на СФР-граммах наблюдалось диффузное свечение в видимом межстержневом зазоре, которое распространялось в направлении основания анода. Скорость распространения фронта этого свечения vCB 103м/с при di/dt 2-10 А/с, и увеличивалась с ростом di/dt (рисунок 5.5). В режимах с более короткими импульсами тока при Li 2,5 мкГн (рисунок 5.3), отличающихся более высокими начальными значениями di/dt, диффузное свечение плазмы становилось менее заметным вследствие недостаточной чувствительности фотопленки при необходимом временном разрешении СФР -грамм.
При /т 8 кА (di/df l0 А/с) первоначальный разрядный канал стягивался на торец анодного стержня и наблюдалось образование нового КП на катодном стержне в межстержневом зазоре на расстоянии 20-30 мм от основания катода. Из этого КП образовывался светящийся канал, который і закорачивал межстержневой промежуток. Момент образования такого канала совпадал с первым ступенчато образным спадом напряжения на рисунке 5.6 при токе /к=7-8 кА.
В этом режиме разряд в межстержневом промежутке горел из одного КП и практически не перемещался вплоть до окончания импульса тока. Первый разрядный канал из узла поджига постепенно затухал при уменьшении тока. Отметим, что напряжение, при котором образовывалось новое КП в межстержневом промежутке, практически не зависело от di/dt и составляло 150 - 200 В. В некоторых опытах образование нового КП происходило в одном из соседних (невидимых) межстержневых промежутках, что проявлялось в виде заметных отблесков свечения из этого промежутка. В этом случае в видимом межстержневом промежутке не наблюдалось образования никаких разрядных каналов в течение импульса тока.
На рисунке 5.7 представлена зависимость тока /к при котором разряд переходил в межстержневой промежуток, от максимальной скорости нарастания тока.
Характерно, что во всех исследуемых режимах вплоть до dildt- 10 А/с 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 значении di/df 5-10а 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 рисунке 5.8.
Эти 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). Как следует из анализа СФР-грамм, по мере нарастания тока эти пятна быстро (в течение 15 — 25 мкс) выстраивались в ряд на рабочей поверхности катодного стержня вдоль его оси. Иногда КП переходили и на торцы катодных стержней, что приводило к появлению значительных ( 400 В) всплесков напряжения.
Заметим, что в этом режиме свечение вблизи узла поджига после образования новых КП на катодных стержнях, как правило, быстро погасало. Разряд полностью переходил в межстержневые промежутки - многоканальная стадия разряда.
Аналогичные исследования были проведены в режиме поджига на аноде (Ui 0). Типичные для этого режима осциллограммы напряжения и тока представлены на рисунке 5.9.
Следует отметить, что начальная стадия роста тока при поджиге на аноде имела отличительные особенности: после подачи импульса поджига наблюдалась практически бестоковая (протекает только ионный ток) пауза, по длительности равная времени запаздывания включения 1-1,5 мкс, а после пробоя имел место крутой рост тока и спад напряжения на вакуумном промежутке.
Надежная инициация разряда в данном режиме происходила при амплитуде тока поджига /t K U{ 5, где К = 8-Ю4 А В0 5. В этом случае первое КП образовывалось на торце катодного стержня напротив узла поджига. Затем при достижении током значений 5 - 6 кА разрядный канал полностью переходил от узла поджига в межстержневой промежуток. Такой переход всегда сопровождался ступенчато образным уменьшением напряжения. Диапазон токов, в котором наблюдалось образование нового КП в межстержневом промежутке в режиме поджига на аноде был меньше, чем в режиме поджига на катоде (рисунок 5.7). В дальнейшем поведение разряда в межстержневых промежутках было практически такое же, как и в режиме поджига на катоде.
Как и следовало ожидать, шунтирование Сх диодными блоками практически не повлияло на характерные особенности развития разряда на фронте тока. Однако, в отличие от рассмотренных выше режимов, в случае униполярного импульса тока наблюдалось более однородное свечение в межстержневом промежутке на спаде тока, характерное для диффузной моды горения вакуумной дуги.
Обсуждение результатов
Для объяснения полученных результатов рассмотрим, как меняется ток в камере во времени при различных параметрах разрядного контура и сопротивления шунтирующего резистора. Пренебрежем активным сопротивлением разрядного контура по сравнению с его волновым сопротивлением. Тогда ток в разрядном контуре i(t) — Ims m(cof), где со = 1/\JcgL0 . Для простоты рассмотрим начальный участок роста тока
Пусть контакты начинают расходиться в момент t\ при токе /0. Ток в Шунтирующем реЗИСТОре В ЭТОТ МОМеНТ JRQ = UK0/RS, где UKO 20 В -напряжение на ВДК в момент t\. Полагая, что скорость нарастания напряжения на ВДК в течение устойчивой стадии дуги практически постоянна dU/dt 20-30 В/мс, найдем изменение тока в шунтирующем резисторе в течение устойчивой стадии
Согласно модельным представлениям, развитым в разделе 7.2, критический ток, при котором должно происходить нарушение устойчивости дуги в поперечном магнитном поле, зависит от индукции магнитного поля Вг и величины межконтактного зазора z(f). Для общепринятых параметров плазмы вакуумной дуги выражение для критического тока можно представить в виде (7.15)
Полагая, что длина межконтактного промежутка увеличивается во времени со скоростью vt 1,1 м/с, из (7.27) для Вг - 137 мТл a S = 0,1-0,15 см получим
Экспериментальные значения ікь уст), полученные в серии измерений при di/dt 90 А/мс (Со—10 мФ, LQ=6 мГн) ДЛЯ разных сопротивлений Д представлены на рисунке 7.30. Линейная интерполяция экспериментальных точек /кіп(А) = 135/уСТ(мс) показана в виде прямой 5. Полученная зависимость /кіпСуст) качественно согласуется с расчетной зависимостью (7.28). На рисунке 7.30 в виде прямых 6 и 7 показано также изменение тока /кОуст) в ВДК для Д? = 0,5 Ом и Rs = 2 Ом соответственно: Эти прямые получены из выражения (7.26) при Ліко = 290 А для i?s = 0,5 Ом и /Ико = 55 А для Rs = 2 Ом. При этом с увеличением Rs скорость нарастания тока в ВДК уменьшилась примерно в два раза. Из рисунка 7.30 следует, что для перехода дуги в неустойчивую стадию
Необходимо обеспечить пересечение прямых /к( уст) И /Пп( уст) Следует отметить, в условиях эксперимента контакты расходились на максимальное расстояние d 4 мм за время tK — 3,6 мс. Поэтому для создания условий перехода дуги в неустойчивую стадию зависимости /н уст) и іктіїуот) должны пересекаться при tycT tK.
Для иллюстрации влияния скорости нарастания тока di/dt на рисунках 7.31 и 7.32 представлены аналогичные зависимости, полученные при С0=5 мФ и Rs = 1 Ом для LQ=6 мГн И L0=l,4 мГн соответственно. Здесь на каждом рисунке показаны зависимость z m(A) = 135г1 ,ст(мс) и зависимости /К уст) для разных значений di/dt.
Видно, что, согласно (7.26), с ростом di/dt увеличивается скорость нарастания тока в ВДК. Зависимость 7 на рисунке 7.31 соответствует предельному току isbr, полученному в каждом режиме.
В этом случае длительность устойчивой стадии составляла 3,5 мс и контакты расходились на максимальное расстояние. В результате при дальнейшем увеличении di/dt уже не удовлетворялось необходимое условие пересечения зависимостей ік(іусі) и /лгш( уст)- Кроме того, согласно рисунку 7.32, при Lo=1.4 мГн скорость нарастания тока в ВДК с ростом di/dt становилась сравнимой со скоростью нарастания тока в цепи, что также ограничивало предельную отключающую способность ВДК с поперечным магнитным полем.
Следует отметить, что приведенные выше оценки условия нарушения устойчивости дуги справедливы только на линейном участке роста тока в цепи разрядного контура. Вблизи максимума тока для более точных оценок в выражении (7.26) следует учитывать реальное изменение тока в разрядном контуре /(0 = Ims m(cot).
При выполнении условия нарушения устойчивости дуги предельный отключаемый в ВДК ток будет зависеть от длительности неустойчивой стадии горения вакуумной дуги. Длительность неустойчивой стадии дуги в значительной степени определяется возможностью пробоя вакуумного промежутка при резком увеличении напряжения. Шунтирование вакуумной камеры резистором ограничивает уровень возрастающего напряжения и тем самым уменьшает вероятность пробоя вакуумного промежутка. С увеличением Rs напряжение на ВДК возрастает до уровня U = IRS, что может привести к увеличению длительности неустойчивой стадии. В результате гашение дуги в ВДК будет происходить после максимума тока на его спаде. Соответственно отключаемый ток будет уменьшаться.
