Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Катодные процессы в аппаратах защиты 8
1.1. Аппараты защиты для систем управления 8
1.2. Катодные процессы в электрических разрядах 14
1.3. Процессы с фазовыми превращениями 17
1.4. Взрывная эмиссия электронов 30
1.5. Методы интегрирования для решения задач с фазовыми превращениями 32
1.6. Модель катодных процессов 36
1.7. Выводы по результатам проведенного анализа и постановка задач исследований 40
ГЛАВА 2. Математические модели катодных процессов электротехнических комплексов 42
2.1. Модель процессов на катоде электрических разрядов 42
2.2. Фазовые превращения 44
2.3. Процессы при постоянном тепловом потоке 48
2.4. Системы с безразмерными параметрами 54
2.5. Время стабилизации температурных процессов 60
2.6. Температура поверхности 61
2.7. Постоянная плотность объемного тепловыделения 65
Выводы по второй главе 70
ГЛАВА 3. Термоавтоэлектронные процессы в электроразрядных устройствах 71
3.1. Микропроцессы на границе металл-плазма 71
3.2. Классификация процессов по типам катодных пятен 82
3.3. Функция распределения вероятности катодных процессов 91
3.4. Динамика развития катодных процессов 94
3.5. Скорость электрической эрозии 102
3.6. Эрозионные ряды 106
Выводы по третьей главе 109
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование параметров катодного падения потенциала в аппаратах защиты и управления КА 110
4.1. Исследование спектра колебаний катодного потенциала материалов электродов 110
4.2. Методика экспериментального исследования 112
4.3 Анализ результатов 119
Выводы по четвертой главе 124
Основные результаты и выводы по работе 125
Список литературы
- Процессы с фазовыми превращениями
- Процессы при постоянном тепловом потоке
- Классификация процессов по типам катодных пятен
- Методика экспериментального исследования
Процессы с фазовыми превращениями
Для электрических аппаратов наиболее трудной и определяющей является стадия отключения цепи. Аппарат защиты – автоматический выключатель в сети питания систем управления космических аппаратов.
Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами вследствие ионизации возникает дуга, продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. При этом промежуток между контактами остается проводящим и протекание тока по цепи продолжается. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1 А и более [124].
Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо погасить появляющуюся между контактами дугу, а не только разомкнуть его контакты
Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Гашение дуги в цепях переменного тока облегчено снижением мгновенного значения тока до нулевого значения. Прохождение тока прекращается, но среда между контактами остается ионизированной, т.е. отрицательные и положительные заряды, и раскаленный электрод, что может приводить к повторным пробоям промежутка. При увеличении разрежения атмосферы увеличивается и износ контактов [125].
Условием гашения дуги постоянного тока - на всем диапазоне изменений тока от максимальных значений до нуля (при размыкании цепи), вольтамперная характеристика дуги должна быть выше реостатной характеристики отключаемой цепи [125].
Для воздействия на столб дуги возникающей между электродами, необходимо увеличивать ее активное электрическое сопротивление вплоть до бесконечного значения, чтобы межконтактный промежуток становился изоляционным. Это достигается быстрым охлаждением столба дуги, уменьшением теплосодержания и температуры, в результате чего снижаются степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц, и увеличивается активное сопротивление дуги [125].
Методы гашения дуги [126]: - охлаждение дуги потоком охлаждающей среды (жидкости или газа); применение дугогасящей способности вакуума (в связи с отсутствием носителей для образования дуги ) вакуумный выключатель; применение более дугостойкого материала контактов; применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации; применение дугогасительных решёток; увеличение длины столба дуги путем его растяжения или увеличения числа разрывов на полюс выключателя; применение дугогасительных камер; - использование "магнитного дутья". Для дуговых процессов наибольшее значение имеют процессы, происходящие у электродов - термоэлектронная (испускание электронов из разогретой поверхности катода) и автоэлектронная (испускание электронов из катода под воздействием сильного электрического поля) эмиссии.
Катодное падение напряжения сосредоточено на очень маленьком участке дугового разряда, непосредственно примыкающему к катоду (0,001 мм при нормальных атмосферных условиях). Падение напряжения составляет величины порядка 10 - 20 В, поэтому, напряженность электрического поля у катодов составляет величин порядка 105 В/см и более. При стольких величинах напряженности электрического поля эмиссия электронов с поверхности катодов может осуществляться в большей степени благодаря автоэлектронной эмиссии. Если температура кипения материала катода может превышать 2500 К, то эмиссия электронов с поверхности катодов может происходить благодаря термоэлектронной эмиссии. При таких условиях эмиссия электронов с катодов происходит и при более низких значениях падений потенциалов у катодов. При таких условиях катодное падение напряжения является, косвенной причиной выходов электронов с поверхностей катодов, обеспечивающее выделение необходимого количества энергии для нагрева катода в прикатодной области, а не прямой, как при автоэлектронной эмиссии [125].
На рисунке 1.1 показано изображение столба дуги между электродами и показано распределение падения напряжения вдоль столба дуги. Общее падение напряжения на дуге состоит из трех составляющих: падения напряжения в дуговом столбе -UСТ, катодного - UK, и анодного - UА падений напряжений.
Процессы при постоянном тепловом потоке
Разновидностями электрических разрядов являются искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды. Исследования прохождения электрического тока в вакууме и в газе под действием поля проводятся давно, и к настоящему времени накоплены обширные теоретические и экспериментальные материалы. Несмотря на то, что теория электрических разрядов стала успешнее развиваться после принятия того, что дуга – явление тепловое, а не только электрическое, электроразрядные процессы по-прежнему рассматриваются в статике, не учитывая фазовых превращений и объемных тепловыделений [49].
Ведутся широкомасштабные исследования электрических разрядов для создания и совершенствования электроразрядных устройств. Исследованы направления технологического применения электрического разряда под руководством д.т.н. А. М. Смыслова, ведется разработка и технические применения плазмотрона (д.ф.-м.н. Б. И. Михайлов), очень известны работы профессора 0. Б. Брона [16, 95] посвященные исследованиям электрической дуги, академика АН РФ Г. А. Месяца по исследованию электронных технологий и др.
К настоящему времени имеются существенные достижения в областях фундаментальных исследований электрических разрядов, в связи с практическим применением электрических разрядов в технике. Это работы А. С. Коротеева по исследованиям электрической дуги в плазмотронах, применяемых для стационарного нагревания газа до высокой температуры [46].
Развиты методы для диагностики плазмы стационарных электрических разрядов. Температура струи плазмы зависит от рода газа, конструкции плазмотрона, параметров разряда и определяется только спектральными методами. Получены методы определения скорости потока, вязкости и динамического напора плазмы.
Стационарная электрическая дуга обеспечивает относительно невысокую плотность тепловых потоков. Доля максимального лучистого теплового потока в стационарной дуге плазмотрона для малых токов составляет 30 %, а при 1,0 кА превышает конвективный тепловой поток и доходит до 60 % [27].
Плотности тепловых потоков в импульсных разрядах выше на несколько порядков, конвективные составляющие от канала разрядов незначительны. Поэтому для расчетов можно применять результаты исследований, полученные при создании импульсного источника света. Основные особенности электрических разрядов определяются в области катодного падения потенциалов, поэтому на изучение катодных процессов уделяются большое внимание. Из состава эмиссионных, ионизационных и теплофизических процессов на катодах за последние годы исследований в основном изучались эмиссионные процессы. В результате чего в физике ионных, электронных и атомных столкновений в настоящее время накоплены огромные экспериментальные материалы, полученные с помощью хорошо развитыми и совершенными методиками. Также продвинулась вперед теория ионизационного процесса. В достаточно полной мере изучены и эмиссионные процессы. Теории термо-, авто- и термоавтоэлектронных эмиссий описывающие процессы эмиссионные во всех условиях на катодах.
Теплофизические процессы взаимосвязаны с ионизационными и эмиссионными процессами и играют важную роль для баланса энергии на катодах. Применения теории термоавтоэлектронной эмиссии к изучениям явлений на катодах с электрическими разрядами предопределяет одновременное рассмотрение и теплофизических процессов, которые сопровождаются испарением и плавлением материалов катодов. Теплофизические процессы на катодах еще недостаточно изучены. Об этом свидетельствуют обзоры работ по теории катодных процессов, приведенные в работах [39, 117].
К настоящему времени при анализах процессов в области катодных падений потенциалов пользуются уравнениями сохранения токов, уравнением Маккоуна и уравнением тока термоавтоэлектронной эмиссии Морфи и Гуда. Потоки нейтральных частиц, испаряющихся с поверхностей катодов, определяются уравнением, полученным Ленгмюром-Дэшманом [25]. Учет же теплофизических явлений довольно произвольно включает тепловыделение. Ни в одной из рассмотренных автором известных работ не рассматривались в динамике процессы на границе катода и плазмы. Что сдержано отсутствием решений задач нестационарных теплопроводностей с испарением и плавлением материалов. Поэтому большинство работ позволяют оценивать лишь допустимые области существований взаимосвязанных величин напряженностей полей у катодов, температур, плотности токов. А экспериментальные определения выше указанных параметров к настоящему времени либо невозможно, либо дают приближенные результаты. Основная же трудность экспериментальных исследований заключена в том, что в области катодных падений потенциалов сосредоточена большая энергия при очень маленьких размерах. При таких условиях значительную роль имеет математическое моделирование, чтобы результаты, полученные теоретически, доводились до формы, удобной для сравнивания с экспериментальными результатами.
Совместные рассмотрения в динамике эмиссионных и теплофизических явлений на границе катода и плазмы электрических разрядов при воздействии поверхностной теплоты бомбардировкой катодов током ионов и объемного резистивного нагрева позволило бы, установить источники энергий, определяющих теплофизические явления, объяснить экспериментальные и теоретические противоречия, создать методологические основы для экспериментальных исследований в области катодных падений потенциалов и определить дальнейшие направления развития исследований и разработок по созданию электроразрядных устройств.
Изучениям электрической эрозии посвящены большое количество исследований, накоплены значительные экспериментальные материалы, хотя еще не установлены закономерности и не объяснены противоречия присутствующих процессов. Например, эрозия определяется затраченной энергией, а скорость электрической эрозии пропорциональна количеству электричества, не определены влияния на стойкость материалов катодов. Что затрудняют разработки новых материалов для катодов, а также методов анализов эрозионной стойкости материалов катодов.
Из анализа результатов проведенных исследований следует, что накоплены значительные материалы и проработаны многие вопросы теории электрических разрядов. Но, из структуры, теплофизических, эмиссионных и ионизационных процессов определяющих явления в электрических разрядах, теплофизические процессы на границах материалов и плазмы, сопровождающиеся фазовыми превращениями испарения и плавления, не достаточно изучены. Протекающие при воздействиях объемного и поверхностного источников энергий процессы характерны для многих технологий с применением электрических разрядов, в области катодных и анодных падений потенциалов, и для условий работы электроразрядных устройств электротехнических комплексов.
Решение нелинейных задач теплопроводности испарения и плавления позволило бы проводить исследования для взаимосвязанных теплофизических, ионизационных и эмиссионных процессов, определить закономерности и рекомендации для усовершенствования и разработки новых устройств. Разработка основ теории позволило бы значительно улучшить принципы построения и порядок проектирования электроразрядных устройств электротехнических комплексов.
Классификация процессов по типам катодных пятен
Установившаяся температура на поверхности определена величинами воздействующих тепловых потоков и сумм приращений энтальпии фазового превращения. В выражениях (2.70) и (2.71) различны величины предэкспоненциальных членов. По расчетам видно, что температуры на поверхностях в начале испарений незначительно отличается от температур при стационарных испарениях (рисунок 2.5).
Что позволяет рассчитывать параметры переходных процессов при постоянных температурах на поверхностях. На рисунке 2.5. изображены графики зависимостей температур поверхностей в функции плотности тепловых потоков. Доля энергии падающих импульсов, которая преобразуется в тепловую энергию на поверхности, характеризует коэффициент теплового взаимодействия - равный соотношению
Для длительности воздействия 70 7 2 коэффициент теплового взаимодействия изменяется в переходной области. В момент начала испарений при t = IQ значение коэффициента равно = 0,82, из которого следует, что определено, с парами материала отводится 85-90% подводимой энергии, а поступает в тело примерно 15-10% от общего воздействующего импульса. Коэффициент теплового взаимодействия постоянен для времени при t 2. Определяющим является тепловое воздействие на мишень определяемое соотношением д0=-Чі- Остальные эффекты вторичны. Меняется и поток q0 с изменениями коэффициента , это определяет целесообразность применения относительных единиц в расчетах.
Процессы испарения и плавления при воздействиях поверхностных источников стабилизируются. Расплавленная зона Х-Х0 достигает установившегося значения, равному соотношению s/q0. Значение времени стабилизации процессов фазовых превращений из выражения (2.30) для значения U = -0,95; равна величине t = 2,05 « 2 . Величина зоны расплавленной обратно пропорциональна плотностям тепловых потоков. Испарения происходят с поверхностей расплавленных материалов, жидкая фаза в материале существуют во всех стадиях процессов.
Глубина расплавленных зон обратно пропорциональны плотностям тепловых потоков внутрь материала, а именно с увеличением q0 уменьшается величина Х-Х0. Положения границ плавления X(t) и испарения X0(t пропорциональны плотностям тепловых потоков. Для переходной области в промежутке времени t0 t 2 для расчетов границ фазового переходов необходимо учесть изменения коэффициентов взаимодействия и потока теплоты q0. После стабилизации процессов испарений, при t 2, U = -1, установившиеся скорость испарения и плавления равны, коэффициент взаимодействия постоянен. Положения границ плавлений определено соотношением (2.54, 2.57, 2.58)
Получаем, что при длительностях импульсов t 2 положения границы испарения и плавления пропорциональны плотностям воздействующих тепловых потоков и длительности импульсов излучений. 2.7. Постоянная плотность объемного тепловыделения
Рассмотрим переходные процессы в зоне, ограниченной границей плавления и границей испарения при q0 = cons?, qv = const, T0 = const.
Электрические разряды применяются в электрофизических устройствах: различных типов сильноточных ускорителей электронов с диодами с магнитной изоляцией, самофокусирующими пучками, с субнаносекундными пучками и пикосекундной электроникой больших мощностей. Электротехнические комплексы применяют в электроискровом легировании, на свечах систем зажигания и контактных материалах коммутационных аппаратов. Они обеспечивают исследование в области высокотвердых вакуумных ионно-плазменных покрытий, исследования в области ионно-имплантационного и вакуум-плазменного модифицирования поверхности. Применяются различные виды разрядов: пробой, искра, дуговой, которые объединяют общие исследования катодных процессов в электроразрядных устройствах электротехнических комплексов.
Проведены рассмотрения совместно эмиссионных и теплофизических процессов в неподвижных катодных пятнах на основании решений уравнения балансов энергий на катодах (рисунок 3.1). В решения введены значения, полученные экспериментально: работа выхода ф из вещества, катодное падение потенциала UK и теплофизические постоянные - теплота плавления L и парообразования L0, удельная теплоемкость c и температура плавления TM.
Температурные режимы катодных пятен рассчитаны с учетом испарения и плавления материала катода поверхностным источником энергии теплового потока. Рассмотрены в динамике элементарные процессы. В связи с тем, что инерционность теплофизических процессов намного выше, чем инерционность эмиссионных процессов, учитываются зависимость от времени только
Методика экспериментального исследования
На основе разработанной количественной теории катодных процессов предложен метод ускоренных испытаний катодных материалов на износостойкость.
Метод основан на анализе спектра колебаний потенциала электрической дуги, обладает высокой разрешающей способностью и малой трудоемкостью. Установлена связь между спектральным разложением и поведением реальных колебательных систем.
Спектральный метод должен сыграть решающую роль в расшифровке катодных процессов дуги. Развитие этого метода позволит получить точные сведения об электрическом поле у катода, распределении энергии электронов и концентрации частиц в катодном пятне. Пока же единственным твердо установленным при его помощи фактом является обязательное присутствие в катодной области дуги паров металла катода и их участие в механизме разряда.
Из статической теории катодных процессов следует, что спектр катодного пятна дискретен, а параметры разряда определяются интегральным воздействием многократно повторяющихся элементарных процессов. Дискретность процессов определяет низкочастотные колебания катодного падения потенциала. Поэтому, изучая спектры колебаний низковольтных дуг, можно определять функции распределений и средние значения длительностей существований элементарного катодного пятна. На основании полученных спектров колебаний падения потенциала определяется скорость электрической эрозии материала.
Рассмотрим зависимость скорости электрической эрозии на поверхности контактов от длительности существования элементарного катодного пятна. Количество металла, удаленного с катода за один элементарный акт распада пятна определяется объемом сферической лунки с радиусом, равным глубине плавления металла.
Таким образом зная коэффициент К, то есть все теплофизические параметры материала и частоту колебаний потенциала электрической дуги можно без труда определить скорость. Методика экспериментального исследования
На основе полученного соотношения (4.3) был предложен новый метод исследования износоустойчивости катодов из различных материалов при различных условиях эксплуатации.
Основой метода является получение спектральной характеристики низкочастотных колебаний потенциала дуги. Спектр катодного пятна получается экспериментально с помощью анализатора спектра С4-25 (рисунок 4.1).
Спектры колебания потенциала дуги можно с помощью анализатора получить для различных металлов при различных значениях тока дуги и при самых разных внешних условиях.
Плотность распределения вероятности частоты колебания напряжения дуги описывается уравнением вида:
Для проведения исследования была предложена экспериментальная установка (рисунок 4.2), состоящая из анализатора спектра частотных характеристик С4-25. Величина тока задается регулировочным резистором R. В момент размыкания контакта К, устройством управления коммутацией (УК), сигнал потенциала дуги подается на анализатор спектра частотных характеристик С4-25. Спектр с анализатора фотографируется фотоаппаратом. Рисунок 4.2 – Схема экспериментальной установки окись кадмия
Как видно из приведенных кривых (рисунок 4.10), в области токов до 12А наибольшая частота колебаний, соответственно наименьшая скорость эрозии, наблюдается у КМК-А00 (серебро). В диапазоне токов от 12А до 80А – минимальная скорость электрической эрозии у КМК-А10 и при токах больше 80А максимальной износоустойчивостью обладает КМК-А20. Зная такие данные по износоустойчивости можно рекомендовать применение материала в той или иной области.
Рекомендовано применить серебро (КМК-А00) Ср-99,9 для выключателей до 15 А, серебро-окись кадмия (КМК-А10) – для автоматических выключателей до 75 А, серебро-окись меди (КМК-А20) – автоматических выключателей защиты до 150 А.
Из уравнений (3.34, 3.35) следует, что масса материала, эродирующего на единицу количества электричества, прямопропорциональна воздействующему тепловому потоку и обратно пропорциональна приращению энтальпий фазового превращения. В уравнениях определяющим параметром является скрытая теплота парообразования, и большая масса материала эродируется в жидком состоянии. Это объясняется зависимостью расплавленной зоны металла от энергии поверхностного источника, распределяемой пропорционально теплофизическим постоянным материалов. На испарение идет большая часть энергии, а остальная тратится на передачу теплоты в электрод и на плавление металла. В таблице 4.3 показаны результаты расчетов по выражению (3.39) и значения скорости эрозии в вакууме полученные экспериментально [121]. Для металлов Cu, Ag, Fe j , q0 – расчетные значения.
Как видно из полученных результатов, соответствия расчетов и эксперимента удовлетворительное, только для серебра расчетное значение выше экспериментального значения скорости электрической эрозии. Скорость электрической эрозии сильно изменяется от влияния внешних факторов. На рисунке 4.11 показаны зависимости экспериментальных значений скорости электрической эрозии от давления, в диапазоне изменений давления от атмосферного до космического вакуума (10-4 Па).
