Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электрические коммутационные аппараты постоянного тока 13
1.1. Области применения и конструктивные особенности коммутационных аппаратов постоянного тока 13
1.1.1. Традиционные методы отключения постоянного тока 13
1.1.2. Аппараты постоянного тока, применяемые в городском электрифицированном транспорте 22
1.1.3. Выключатели и контакторы для коммутации цепей постоянного тока на подвижном составе электрифицированного железнодорожного транспорта 27
1.1.4. Быстродействующие автоматические выключатели постоянного тока для коммутации цепей специальных электрофизических установок, тяговых подстанций, прокатных станов металлургии. Выключатели линий электропередачи постоянного тока 31
1.1.5. Достоинства и недостатки традиционных коммутационных аппаратов постоянного тока 36
1.2. Вакуумные аппараты постоянного тока 37
1.2.1. Вакуумный коммутационный аппарат с контуром противотока 38
1.2.2. Вакуумные гибридные аппараты постоянного тока 40
1.2.3. Вакуумные дугогасительные устройства с поперечным магнитным полем 43
Выводы по главе 1 60
Глава 2. Объект исследования, условия и методика проведения эксперимента 62
2.1. Объект исследования з
2.2. Испытательный стенд. Условия и методика измерений 70
2.2.1. Описание испытательного стенда 70
2.2.2. Методика измерений 74
2.2.3. Методы борьбы с напряжением помех 83
Выводы по главе 2 85
Глава 3. Исследование устойчивой стадии горения дуги в ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 86
3.1. Экспериментальное исследование устойчивой стадии горения дуги в ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 86
3.1.1. Исследование длительности устойчивой стадии горения дуги 86
3.1.2. Ток нарушения устойчивости дуги в ВДК с аксиально-симметричным магнитным полем 90
3.2. Моделирование процесса нарушения устойчивости горения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле 92
3.3. Обсуждение результатов 96
Выводы по главе 3 102
Глава 4. Исследование отключения тока ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 104
4.1. Экспериментальное исследование отключающей способности
ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 104
4.1.1. Влияние индукции магнитного поля и межконтактного зазора на отключение тока ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 104
4.1.2. Влияние параметров цепи на отключающую способность ВДК
с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 108
4.1.3. Исследование неустойчивой стадии дуги в ВДК с
аксиально-симметричным поперечным магнитным полем 113 4.2. Математическое моделирование развития нестационарного слоя объемного заряда на неустойчивой стадии гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле 117
4.3. Обсуждение результатов 121
4.4. Способы повышения предельной отключающей способности 129
Выводы по главе 4 130
Заключение 133
Список литературы
- Аппараты постоянного тока, применяемые в городском электрифицированном транспорте
- Описание испытательного стенда
- Ток нарушения устойчивости дуги в ВДК с аксиально-симметричным магнитным полем
- Влияние индукции магнитного поля и межконтактного зазора на отключение тока ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем
Введение к работе
Актуальность темы. Постоянный ток широко применяется в различных областях промышленности, в электрооборудовании городского и железнодорожного транспорта, в энергетике, в устройствах автономного питания водного и воздушного транспорта, а также в специальных электрофизических установках. В нашей стране во всех выше перечисленных областях для коммутации силовых цепей постоянного тока используются традиционные электромагнитные и электропневматические контакторы и выключатели. С середины прошлого века не произошло существенных изменений в принципах гашения открытой электрической дуги в традиционных аппаратах. Их модернизация за счет применения новых материалов не позволяет в полной степени устранить следующие недостатки: низкий коммутационный ресурс; большие эксплуатационные затраты; низкая экологичность; существование области критически малых отключаемых токов; наличие свободного пространства для выхлопа ионизованных газов; ограниченность применения в пожароопасных средах. Поэтому имеется потребность в новых видах коммутационных аппаратов для отключения цепей постоянного тока, которые будут надежными, с высоким коммутационным ресурсом, а также лишены недостатков традиционных аппаратов при приемлемых технико-экономических показателях.
Аппараты на основе вакуумных дугогасительных камер (ВДК) лишены недостатков, свойственных традиционным аппаратам. Так как падение напряжения на диффузной вакуумной дуге составляет всего несколько десятков вольт, то для отключения постоянного тока в вакуумных аппаратах применяются специальные меры. Например, известен способ принудительного перевода тока ВДК через ноль путем шунтирования ее ветвью с предварительно заряженной емкостью. Или гибридный способ, когда параллельно ВДК устанавливается полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор. Однако применение этих способов для отключения сравнительно небольших токов до сотни ампер при напряжении до 4 кВ экономически невыгодно из-за наличия дополнительных элементов, которые значительно повышают стоимость аппарата по сравнению с аналогичными по параметрам традиционными аппаратами.
Существуют научные предпосылки для создания аппарата на базе ВДК с поперечным относительно направления тока магнитным полем. В таком аппарате реализуются условия, при которых падение напряжения на вакуумной дуге в момент коммутации значительно превышает напряжение источника питания.
В 70 - 80 годы прошлого столетия исследованиями по отключению постоянного тока в поперечном магнитном поле занималась группа из научно-исследовательского института электроэнергетики (Electric Power Research Institute Inc.) (США) в составе Кимблииа (Kimblin C.W.), Хеберлейна (Heber-Iein J.V.R.), Слейда (Slade P.G.), Вошала (Voshall R.E.) и Холмса (Holmes F.A.). Она исследовала возможность создания вакуумного токоограничителя на базе ВДК с поперечным магнитным полем, которое формируется двумя
соосньши катушками, установленными перпендикулярно вакуумному промежутку. В то же время Рольф Детлефсен (Rolf Defhlefsen), сотрудник выше указанного института, предложил способ отключения постоянного тока в разряднике с поперечным относительно направления тока магнитным полем. Магнитное поле создавалось катушкой, установленной соосно с разрядником. Эти конструкции оказались очень громоздкими, и для них был необходим дополнительный источник питания катушки. В начале этого века сотрудники ФГУП ВЭИ Алферов Д.Ф., Иванов В.П. и Сидоров В.А. предложили оригинальную конструкцию ВДК с поперечным аксиально-симметричным магнитным полем, которое создается цилиндрическими постоянными магнитами, установленными соосно с ВДК со стороны одного из контактов. Использование постоянных магнитов упрощает конструкцию аппарата в целом и значительно снижает массогабаритные характеристики по сравнению с вариантом, в котором для создания магнитного поля используется катушка. Предварительные исследования, проведенные на ВДК с поперечным аксиально-симметричным магнитным полем, показали перспективность данного технического решения для отключения постоянного тока до 100 А при напряжении до4кВ.
Цель работы. Исследование закономерностей гашения электрической дуги постоянного тока в ВДК с поперечным магнитным полем, направленное на создание нового типа вакуумного коммутационного аппарата для отключения цепей постоянного тока.
Основные задачи:
Экспериментальное исследование характеристик вакуумной дуги в течение устойчивой стадии, изучение условий нарушения устойчивости дуги при различных значениях индукции магнитного поля и длинах межконтактного зазора.
Анализ результатов экспериментального исследования нарушения устойчивости вакуумной дуги постоянного тока с помощью модели течения плазмы в постоянном поперечном магнитном поле.
Экспериментальное исследование характеристик вакуумной дуги отключения в течение неустойчивой стадии и определение отключающей способности ВДК с аксиально-симметричным магнитным полем при различных значениях индукции магнитного поля, параметров внешней цепи и межконтактного зазора.
Математическое моделирование процесса отключения постоянного тока на завершающей стадии гашения вакуумной дуги в зависимости от параметров внешней цепи и индукции магнитного поля.
Методы исследования. Для экспериментального исследования отключения тока в ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем использовался высоковольтный сильноточный стенд отдела 0200 ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина, оснащенный современной системой диагностики электрических сигналов. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки экспериментальных данных, методы математического
анализа, методы теории электрических цепей, методы численного решения уравнений на ЭВМ.
Научная новизна.
Впервые получены экспериментальные данные длительности устойчивой стадии горения вакуумной дуги постоянного тока в аксиально-симметричном поперечном магнитном поле в зависимости от тока дуги.
Впервые экспериментально определены и теоретически обоснованы зависимости критической плотности тока, при которой происходит нарушение устойчивого горения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле, от величины межконтактного зазора и индукции магнитного поля.
Найдены экспериментальные зависимости отключающей способности ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем от индукции магнитного поля, межконтактного зазора и параметров внешней цепи.
Выполненные статистические исследования отключающей способности ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем позволили оценить зависимость вероятности отключения тока от индукции магнитного поля и величины шунтирующей ВДК емкости.
Предложена математическая модель развития нестационарного слоя отрицательного объемного заряда в прианодной области вакуумного промежутка при нарушении устойчивого горения дуги.
Новыми являются результаты расчета нагрева поверхности анода на стадии гашения вакуумной дуги при отключении тока ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем.
Достоверность результатов. Достоверность результатов, изложенных в работе, обеспечена использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в коммутационных устройствах и подтверждается сравнением результатов экспериментальных исследований с аналитическим расчетом и численным моделированием.
Практическая ценность работы. По результатам проведенных исследований и моделирования были оценены значения индукции магнитного поля и ход контактов ВДК, необходимые для успешного отключения цепей постоянного тока. А также сформулированы предложения по повышению предельной отключающей способности вакуумных дугогасительных камер с поперечным магнитным полем, которые могут быть использованы при разработке вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока на максимальное рабочее напряжение 4 кВ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. На основе результатов экспериментальных исследований обоснована одномерная гидродинамическая модель течения плазмы в поперечном магнитном поле, которая позволила качественно оценить условия нарушения устойчивого горения вакуумной дуги. По модельным представлениям нарушение устойчивости обусловлено уменьшением скорости ионов до скорости ионного звука.
Развита модель возникновения неустойчивой стадии, в которой протекание тока в прианодном слое объемного отрицательного заряда описывается законом Ленгмюра, в предположении, что размер слоя увеличивается с постоянным ускорением. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными осциллограммами тока и напряжения.
Показано, что предельная отключающая способность ВДК может быть обусловлена нагревом поверхности анода до температуры, при которой плотность металлического пара достигает предельно допустимых значений и становится возможным пробой вакуумного промежутка под действием восстанавливающегося напряжения.
Реализация работы. Полученные результаты работы использованы при производстве ВДК с поперечным магнитным полем, которые являются коммутационным элементом в вакуумных контакторах типа КБВ-3-25 на номинальное напряжение 3 кВ, номинальный ток 25 А и предельный ток отключения 50 А. Контактор прошел сертификационные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ г. Щербинка и предназначен для коммутации вспомогательных цепей подвижного состава железнодорожного транспорта.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: научно-техническая конференция молодых специалистов «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы», 17 - 18 февраля 2004 г., г. Саратов; конференция, посвященная 85-летию ВЭИ, 2-6 октября 2006 г., г. Москва; IX симпозиум «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2030. Перспективные технологии электроэнергетики», 28 мая - 1 июня 2007 г., Московская область, г. Истра; международная конференция «Электрические контакты и электроды» (ЭК-2007), 23 - 28 сентября 2007 г., Украина, Крым, пос. Кацивели; физические семинары ВЭИ.
Личный вклад автора. Участие в подготовке и проведении экспериментальных исследований по отключению тока ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем. Проведение расчетов по модели нарушения устойчивости горения дуги, модели динамики развития неустойчивой стадии и определение температуры поверхности анода, а также анализ полученных результатов.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 80 источников. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, включая 74 рисунка и 11 таблиц.
Аппараты постоянного тока, применяемые в городском электрифицированном транспорте
Для включения и отключения цепей постоянного тока используются различные типы аппаратов в зависимости от уровня коммутируемых токов и напряжений, а также специальных условий работы. На сегодняшний день электромагнитные аппараты являются наиболее распространенными аппаратами для коммутации цепей постоянного тока. Они используются на подвижном составе городского и железнодорожного транспорта, в горнодобывающей промышленности, в специальных электрофизических установках и энергетике.
Для сравнения различных способов гашения дуги постоянного тока традиционными электромагнитными аппаратами сопоставим между собой градиенты напряжений, которые получаются при различных методах гашения дуги постоянного тока величиной 2000 А [1] (таблица 1.1.1).
Самым простейшим способом отключения постоянного тока величиной десятки ампер и напряжений до 250 В является разведение контактов в воздухе без применения каких-либо специальных мер [2]. Так в рубильниках при отключении небольших токов (до 75 А) гашение электрической дуги происходит за счет ее механического растягивания.
При утяжелении условий дугогашения, т.е. увеличении отключаемых токов, используется магнитное дутье, которое создается специальной катушкой. Эта катушка включается в цепь последовательно с отключающими контактами. Поперечное магнитное поле, создаваемое катушкой, ускоряет движение дуги в воздушной среде, увеличивает напряженность электрического поля на дуговом столбе, длину дуги и тем самым способствует гашению дуги при токах сотни ампер с меньшей длительностью горения дуги по сравнению с простейшим разведением контактов в воздухе без применения специальных мер.
При повышении отключаемых токов до нескольких килоампер и напряжений до 10 кВ принимаются меры по локализации дугового столба, например затягиванием его в узкую щель с помощью магнитного поля. Узкая щель образуется между пластинами из керамического материала, обладающего высокой дугостойкостью и малой изнашиваемостью под действием дуги. Для получения магнитного поля используют катушку, которая включается последовательно с контактами, между которыми возникает дуга.
На рис. 1.1.1 показана плоская щель, в которой поперечное магнитное поле растягивает дуговой столб на роговых электродах. Благодаря высокой теплоотдаче дугового столба напряженность электрического поля в дуговом столбе увеличивается, поэтому для получения необходимого напряжения на дуге требуется ее относительно небольшая длина по сравнению с открытой дугой. Вследствие этого размеры камеры получаются небольшими. Конструкция плоскощелевой камеры выполнена таким образом, чтобы обеспечить минимальное сопротивление вхождения дуги в узкую щель. Для размещения кон 15 тактов в месте образования дуги щель делается широкой. Переход от широкой части к узкой делается, по возможности, более плавным, чтобы не создавалось сопротивления вхождению дуги. Любая задержка при движении дуги приводит к сильному нагреву стенок камеры, газообразованию и еще большему торможению движения.
В работе [1] описываются эксперименты по отключению постоянного тока 90 кА при напряжении 500 В, которые проводились на автоматическом выключателе А-2080 с плоскощелевой асбоцементной дугогасительной камерой и катушкой магнитного дутья, включенной последовательно с контактами. Возникающая при отключении тока дуга поднималась на метр над камерой и достигала огромной яркости. Электродинамические силы, действующие на дугу и создаваемые протекающим в ней током, заставляют двигаться дугу со скоростью до 200 м/с. Движение дуги в воздухе способствует ее гашению, но, одновременно с этим, оно приводит к возникновению звуковой волны, подобной той, которая появляется при взрыве. При проведении авторами экспериментов выяснилось, что отключение большого постоянного тока при напряжении до 500 В не требует каких-либо специальных мер для гашения дуги. Дуга гаснет довольно быстро (10 -г 15 мкс) под действием собственного магнитного поля. Причем удаление дугогасительной катушки из камеры испытуемого аппарата не вызвало каких-либо заметных изменений в его работе. Поэтому в дальнейших разработках дугогасительных устройств конструкторы руководствовались принципами: дугу нужно погасить в малом объеме, при малом звуковом и световом эффекте, за малое время и при малом износе частей аппа 16 рата. Для этой цели приходится применять дугогасительные камеры с узкими продольными щелями, дугогасительные решетки, и другие меры.
Существуют различные типы дугогасительных камер с зигзагообразной щелью, в которых дуга растягивается на большую длину по сравнению с плоскощелевой камерой. Это позволяет сделать камеру более компактной с более высокой отключающей способностью.
Поперечное магнитное поле используется для растяжения дугового столба и затягивания его в дугогасительную решетку. Для создания магнитного поля используется катушка, которая включается последовательно с контактами. Такой способ создания магнитного поля называется сериесным возбуждением. Достоинства этого способа возбуждения заключаются в том, что направление силы, втягивающей дугу в дугогасительное устройство, не зависит от направления тока. Витки сериесной катушки обтекаются полным током, поэтому если номинальный ток аппарата достаточно велик, то сечение провода катушки должно быть большим. Большое количество толстых витков приходится применять для гашения дуги при малых токах, что приводит к расходу большого количества меди на сериесные катушки дугогасительных устройств. У этого способа возбуждения есть серьезный недостаток - ненадежное гашение дуги при малых токах 5 - 7 А. При токах меньше этой критической величины гашение дуги происходит за счет ее удлинения расходящимся подвижным контактом. При токах больше критических дуга с помощью динамических сил заводится в камеру и гаснет. Еще один способ создания магнитного поля дугогашения - шунтовое возбуждение. При таком способе возбуждения катушка подключается параллельно зажимам питающей сети.
Описание испытательного стенда
Магнитное поле возбуждается с помощью двух соосных катушек 60 и 62, расположенных по бокам вакуумного промежутка. Катушки 60 и 62 включены последовательно и питаются от вспомогательного источника питания 64 путем замыкания в нужный момент времени ключа 66. В таком промежутке отклонение ионов от анода может быть обусловлено действием холловского электрического поля.
Наложение поперечного магнитного поля на вакуумную дугу приводит к существенному изменению динамики катодных пятен и генерируемой ими катодной плазмы. В этом случае катодные пятна выстраиваются преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля и перемещаются поперек поля в ретроградном направлении (т.е. в противоположном направлению действия силы Ампера). При этом скорость перемещения групп катодных пятен по поверхности катода увеличивается с ростом индукции магнитного поля В± и может достигать десятков метров в секунду.
Динамика токонесущего потока катодной плазмы определяется совместным действием силы Лоренца и холловского электрического поля, которые направлены в противоположные стороны. Согласно работам [26, 28] холлов-ская сила F,, = zev-fij/li значительно превышает силу Лоренца F[ = zev,B± и не зависит от тока дуги. Здесь ze и v,- - средний заряд и скорость ионов соответственно, 1е и /( - электронный и ионный токи (для электродов из меди ///, 10). Результирующая сила приводит к изгибу плазмы в направлении действия силы Ампера на общий ток дуги (рис. 1.2.8).
Авторы работы [26] предложили модель, в которой перенос тока в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем осуществляется в тонком слое на ретроградной стороне плазмы, где сосредоточена основная часть холловского поля. Эмитированные из катода ионы претерпевают отражение в этом слое, что приводит к их отклонению в амперовом направлении.
В рамках предложенной модели [26] определено пороговое значение индукции стационарного магнитного поля Ді=0,34[Тл]/ [см], при котором ионы не достигают анода, и вблизи поверхности анода образуется слой объемного отрицательного заряда, на котором резко возрастает напряжение. Однако данная модель не объясняет наблюдаемую в эксперименте зависимость отключающей способности вакуумного промежутка от тока дуги.
В патенте [27] фирмы Westinghouse Electric Corporation № 4,021,628 (США) предложена конструкция вакуумного ограничителя тока короткого замыкания (рис. 1.2.7) на базе ВДК с поперечным магнитным полем. При разведении контактов в ВДК на заданное расстояние между ними возникает дуга. На нее воздействует поперечное магнитное поле, создаваемое катушками. В результате взаимодействия вакуумной дуги с поперечным магнитным полем возникает нестабильность ее горения и отключаемый ток переходит в параллельную цепь с резистором 74, где ограничивается и отключается.
В патенте [29] организации Electric Power Research Institute № 4,250,364 (США) на основе описанной выше конструкции предложен вакуумный ограничитель тока с поперечным колебательным магнитным полем. Магнитное поле в межконтактном промежутке ВДК создается двумя соосными катушками 60 и 62, оси которых расположены перпендикулярно вакуумному промежутку (рис. 1.2.9). Рис. 1.2.9. Конструкция вакуумного ограничителя тока с поперечным колебательным магнитным полем
Колебательное магнитное поле создается катушками путем их подключения к предварительно заряженному конденсатору 65. Колебания поперечного магнитного поля вызывают колебания напряжения на вакуумной дуге, которые, в свою очередь, вызывают колебания тока в цепи ВДК - конденсатор 72 - резистор 76 - катушка 74. При переходе этих колебаний через нулевое значение ток ВДК обрывается и отключаемый ток перетекает в параллельную цепь с токоограничивающим сопротивлением 77.
В патенте [30] организации Electric Power Research Institute № 4,319,296 (США) усовершенствована предыдущая конструкция: последовательно с ВДК с поперечным колебательным магнитным полем добавлена еще одна ВДК 18 (рис. 1.2.10).
Авторы работы [26] при проведении экспериментов столкнулись с проблемой каскадного горения дуги по пути контакт - изолированный экран 51 контакт. Для борьбы с этим явлением были предложены различные конструктивные решения. Вакуумный токоограничитель с поперечным колебательным магнитным полем и двумя последовательными ВДК
В патенте [31] организации Electric Power Research Institute № 4,215,255 (США) предложена конструкция ВДК с несколькими цилиндрическими экранами разного диаметра (рис. 1.2.11).
ВДК для токоограничителя с нескольким цилиндрическими экранами разного диаметра Следующее усовершенствование предложено в патенте [32] организации Electric Power Research Institute № 4,267,415 (США) (рис. 1.2.12). В этой конструкции ВДК, по сравнению с предыдущей, претерпела изменения экранная система - сделано несколько изолированных друг от друга экранов одинакового диаметра.
Для того, чтобы вакуумная дуга не достигала боковых стенок ВДК при воздействии на нее поперечного магнитного поля, авторы патента [33] организации Electric Power Research Institute № 4,276,455 (США) (рис. 1.2.13) предложили увеличить диаметр ВДК в той ее части, в которой расположена контактная система.
В патенте №2002-304937 японской фирмы Toshiba Corporation [34] была предложена конструкция ВДК с поперечным магнитным полем, которое создается четырьмя постоянными магнитами 3-6. Магниты устанавливались с внешней стороны контактов 7 и 2 (рис. 1.2.14). і і t
Ток нарушения устойчивости дуги в ВДК с аксиально-симметричным магнитным полем
В (3.2.14) v0 - скорость ионов на катоде. Следует, однако, отметить, что физически реальные решения уравнения (3.2.14) существуют только при vzlvis 1. Это наглядно демонстрирует рис.3.2.2, на котором приведены зависимости f(yz) (3.2.15) для двух значений vis, соответствующих электронной температуре 1 и 2 эВ. При построении рис.3.2.2 все скорости нормировались на величину vis. При расчетах использовались следующие значения физиче ских параметров, взятых из литературы [49]: 7} = 0,5 эВ, М= 10" кг, Z, = 1,8, у =0,08 v0 = 1,25-104м/с. Проводимость плазмы т(Те) определялась по формулам, приведенным в работе [50]. При вычислении плотности тока дуги предполагалось, что поперечное сечение разряда 0,2 см2 (10 мм по оси X и 2 мм по оси У). (3.2.15) имеет максимум при vz = 1. Именно в этой точке, как следует из (3.2.13), производная dz/dv, равна нолю. Таким образом, при достижении ионами скорости, равной скорости ионного звука, возможен кризис течения плазмы, приводящий к нарушению квазистационарного прохождения тока, т.е. процесс горения дуги переходит в неустойчивую стадию. Возникновение кризиса течения плазмы при торможении быстрых катодных ионов до скорости ионного звука обсуждалось ранее в более общей форме в работе [51], а применительно к результатам конкретных экспериментов с аксиально-симметричной конфигурацией вакуумно-дугового разряда при наличии радиального компонента индукции магнитного поля - в работе [52].
Предложенная модель использовалась для объяснения зависимостей длительности устойчивой стадии от тока нарушения устойчивости и тока нарушения устойчивости от величины магнитного поля при разных межконтактных зазорах.
В рамках изложенной в параграфе 3.2 модели было получено аналитическое выражение (3.2.14), позволяющее определить скорость катодных ионов vz как функцию расстояния от катода z, индукции магнитного поля Ву и плотности токау г = enevz/y.
Предположим, что расстояние z от катода, при котором возникает кризис течения плазмы, это есть расстояние от катода до анода, образующееся при разведении контактов. Критическая плотность тока yzcr, при которой возникает кризис течения плазмы на расстоянии z от катода, определяется из соотношения (3.2.14) при Vis = vz. В медной плазме при токах до нескольких сотен ампер температура электронов кТе = 2 -г- 5 эВ [49]. Для плазмы с температурой электронов кТе = 2 эВ, со средним зарядом ионов z\ = 1,8, у = 0,08, v0 = 1,25x104 м/с, VjS = 2,56x104 м/с выражение для критической плотности тока представим в виде:
Выражения (3.2.14) и (3.3.1) отличаются от соответствующего выражения, полученного в работе [26], наличием зависимости z от тока дуги. Зависимость z OTJZ объясняется тем, что с ростом jz увеличивается плотность плазмы и, соответственно, уменьшается величина параметра Холла /? = аВу/епе. Уменьшение параметра Холла влечет за собой уменьшение Z - компоненты силы Ампера, оказывающего тормозящее действие на поток ионов, движущихся к аноду.
Выражение (3.3.1) позволило определить зависимость длительности устойчивой стадии от тока дуги при разведении контактов ВДК. Эксперименты по изучению длительности устойчивой стадии от тока нарушения устойчивости проводились при условии постоянства отключаемого тока. Магнитное поле в этих опытах также не менялось и было равно Ву = Вгл = 90 мТл. Тогда, анализируя выражение (3.3.1) при постоянной плотности тока и магнитном поле, получили, что нарушение устойчивого горения дуги будет происходить при достижении плоскости анода определенного расстояния z от катода. Так как характер движения контактов неизвестен, то рассмотрим два случая (рис. 3.3.1). Первый-когда контакты разводятся с постоянной скоростью vk = 1,1 м/с. Тогда выражение (3.3.1) принимает вид:
На рис. 3.3.2 приведены экспериментальные зависимости среднего времени устойчивого горения дуги ts от тока при /jn 7о (рис. 3.1.3), а также результаты расчета ts с помощью выражения (3.3.2) для сечения разрядного ка-нала S = 0,1 см . Расчеты выполнены для двух режимов движения контактов: 1 - движение контактов с постоянной скоростью v = 1,1 м/с (z = Vjc s) и 2 - движение контактов с постоянным ускорением а = 400 м/с2 (z = at lT). Видно, что результаты расчета качественно подтверждают полученные в экспериментах функциональные зависимости ts от тока дуги и индукции магнитного поля.
При фиксированном зазоре z = 5 соотношение (3.3.1) позволяет для заданной величины By = Z?ra оценить минимальную (критическую) плотность тока jzCT, при которой горение дуги становится неустойчивым. Тогда выражение (3.3.1) принимает вид: Г (А/см2) = 0,06(мм)Д2(мТл)
Экспериментальная зависимость (точки) среднего времени ts устойчивого горения дуги с учетом стандартного отклонения а от тока нарушения устойчивости 1-т и результаты расчета (кривые). 1 - движение контактов с постоянной скоростью vk = 1,1 м/с (г = Vk?s), 2 - движение контактов с постоян ным ускорением а - 400 м/с (z = ats IT)
На рис. 3.3.3 и 3.3.4 показаны результаты расчета с помощью соотношения (3.3.1) для двух значений сечения разрядного канала S = 0,1 и 0,2 см2 и зависимости средних значений тока 1т от индукции BYa для двух значений зазора 5 = 4 и 2 мм (рис. 3.1.5 и 3.1.6), а также стандартное отклонение а. Из рисунков видно, что рассчитанные зависимости качественно согласуются с экспериментальными.
Влияние индукции магнитного поля и межконтактного зазора на отключение тока ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем
Неустойчивая стадия изучалась при индуктивности LQ 2 мкГн, постоянная времени цепи LQ/RO = 0,1 мкс (при RQ = 20 Ом). При таких временах возможно определение частоты колебаний, происходящих в плазме разряда. Тогда как при LQ = 6 мГн постоянная времени LQ/RO = 0,3 мс.
При малых С\ 0,025 мкФ вначале наблюдался резкий рост напряжения до максимального значения /br 500 н-1000 В примерно за 10 мкс, сопровождаемый быстрым спадом тока примерно на 50 А. При U = UbT происходил пробой вакуумного промежутка. Напряжение быстро спадало до уровня 300 -г 500 В, а ток возвращался в исходное состояние. В дальнейшем среднее напряжение на дуге постепенно нарастало до напряжения источника питания, а ток медленно спадал. В этом случае в течение всей неустойчивой стадии наблюдались осцилляции напряжения и тока с частотой 1 МГц. Частота осцилляции практически не зависела от емкости Сі и магнитного поля 5га.
При увеличении С І 0,1 мкФ время роста напряжения до U — /ы увеличивалось. Глубина спада тока при U С/ы также увеличивалась. После пробоя часто появлялись резкие всплески тока, амплитуда которых увеличивалась с увеличением С\. В этом случае, после первого пробоя происходил более глубокий спад напряжения до уровня 50 -f 100 В. При С\ = 0,5 мкФ наблюдались, в основном, повторяющиеся процессы сравнительно медленного роста напряжения и спада тока, длительность которых (20 -f 50 мкс) определялась достигаемым уровнем максимального напряжения /ы- При этом шум напряжения и тока заметно уменьшился. Величина последующих пиков напряжения /ы, как правило, увеличивалась. С увеличением напряжения пробоя t/br амплитуда всплесков тока возрастала. Такой процесс завершался спадом тока до ноля и восстановлением напряжения на ВДК. Как следует из результатов экспериментов, неустойчивая стадия характеризуется последовательностью циклов возрастания напряжения и спада тока с последующим пробоем вакуумного промежутка.
Математическое моделирование развития нестационарного слоя объемного заряда на неустойчивой стадии гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле Известно, что ток в вакуумном промежутке поддерживается катодными пятнами, которые генерируют поток плазмы, распространяющийся от катода к аноду с начальной скоростью ионов vo = (1,2 -f 1,6) 104 м/с. При протекании тока с плотностью 7 в поперечном магнитно поле Ву возникает отклонение токового канала и появляется ]х составляющая, направленная параллельно плоскости контактов. При взаимодействии jx компоненты плотности тока с поперечным магнитным полем Ву возникает сила Ампера РА, направленная от анода к катоду и воздействующая на электроны. Благодаря силам кулоновско-го взаимодействия происходит торможение ионов, движущихся по направлению к аноду за счет своей кинетической энергии (рис. 4.2.1).
Образование слоя объемного отрицательного заряда у анода при наложении поперечного магнитного поля Ву .
В этом случае ионы могут не достигать анода и у анода образуется слой отрицательного объемного заряда с положительным анодным падением. Дуга переходит в неустойчивую стадию, которая, в случае успешного отключения, может завершиться ее погасанием.
Для более полного понимания этих эффектов было проведено численное моделирование процесса отключения постоянного тока в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем при возникновении неустойчивой стадии гашения дуги. Предполагалось, что при переходе дуги из устойчивой стадии в неустойчивую стадию в прианодной области вакуумного промежутка образуется слой отрицательного объемного заряда (рис. 4.2.2). Наблюдаемый в эксперименте быстрый спад тока в вакуумном промежутке на фоне растущего напряжения может быть обусловлен увеличением во времени размера слоя d отрицательного объемного заряда вследствие воздействия поперечного магнитного поля.
Схематичное изображение слоя отрицательного объемного заряда. je - плотность электронного тока, do - начальный размер слоя Для расчетной модели были приняты следующие допущения: 1) граница анодного слоя движется с некоторым постоянным ускорением ad; 2) связь между напряжением на слое, током и размером слоя описывается законом Ленгмюра при пренебрежении объемным зарядом ионов; 3) площадь эмиссионной поверхности плазмы на границе слоя отрицательного объемного заряда S остается постоянной во всем диапазоне исследуемых токов; 4) плотность тока равномерно распределена по эмиссионной поверхно сти. Для представленной на рис. 4.2.3 схемы замещения запишем систему уравнений в виде: dn + " где Uco - напряжение на Co; S - площадь эмиссионной поверхности плазмы на границе слоя отрицательного объемного заряда; ід — ток дуги; Ud — напряжение на ВДК; є0 - диэлектрическая постоянная; е - заряд электрона; те — масса электрона; d0 - начальный размер слоя; ad - ускорение, с которым растет слой; t -текущее время; А - постоянная в ВАХ нелинейного резистора R\\ а - коэффициент нелинейности Ri [57].
В результате численного решения системы уравнений (4.2.8) - (4.2.10) были получены зависимости тока и напряжения на дуге от времени на начальном участке высоковольтной стадии дуги. Расчеты проводились от момента перехода процесса горения дуги в неустойчивую стадию, соответствующего началу быстрого роста напряжения.
Ускорение ad является неизвестной величиной и для ее определения использовался адаптивный метод [20, 61]. Приняли допущение, что слой растет, начиная с некоторого размера 1 мм, величина которого определяется напряжением и током дуги при завершении устойчивой стадии. Ускорение аа определялось из экспериментальных осциллограмм тока и напряжения. Критерием поиска являлось наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных кривых для данных значений шунтирующей емкости С\ и поперечной составляющей индукции магнитного поля Brd (табл. 4.3.1).
Площадь эмиссионной поверхности плазмы на границе слоя отрицательного объемного заряда принималась равной площади сечения дугового канала S = ОД 5 см2 и оставалась постоянной для всех значений Q и Вта. Такое значение S не противоречит результатам работы [39] для устойчивой стадии дуги.
На рис. 4.3.1 и рис. 4.3.2 показаны расчетные кривые для U и ід. Видно, что расчетные кривые удовлетворительно совпадают с экспериментальными зависимостями вплоть до напряжения /ы, при котором происходит пробой вакуумного промежутка. В отсутствие пробоя расчетный ток в промежутке быстро спадает до ноля, а расчетное напряжение возрастает до уровня напряжения на емкости С0.
Найденные в результате расчетов усредненные по трем коммутациям значения ускорения ad, скорости нарастания напряжения dU/dt для различных значений емкости Q и индукции Вта представлены в таблице 4.3.1. Там же представлено измеренное время роста напряжения tv до момента пробоя промежутка.
