Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук: 05.09.01 – Электромеханика и электрические
аппараты. — Всероссийский электротехнический институт им. В.И.
Ленина. — Москва, 2010. — 96 с.
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 эксплуатационными затратами и экологической чистотой.
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 d ~ 10 мм обнаружено формирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. Показано, что с увеличением di/dt > 1010 А/с происходит нарушение устойчивости развития сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающееся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Впервые установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах. Полученные результаты позволили определить требования к параметрам инициирующего разряда и длине вакуумного промежутка, обеспечивающие устойчивое развитие сильноточного разряда при высокой скорости нарастания тока и, следовательно, минимальные энергетические потери, что важно для повышения ресурса узла поджига РВУ.
Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия образования катодных пятен под плазмой вакуумного разряда с током It при напряжении U: , где постоянная G определяется материалом электродов и состоянием поверхности катода. Предложена и экспериментально апробирована методика расчета коммутационных характеристик РВУ с отделенным от катода вспомогательным импульсным источником плазмы. Методика позволяет оптимизировать параметры вспомогательного источника. Полученные результаты способствовали разработке новых способов инициации разряда с целью повышения ресурса РВУ.
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 iK = 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 b > 1, т.е. отличаются от экспоненциального распределения, присущего вакуумным промежуткам без внешнего магнитного поля. Из этих результатов следует, что наложение аксиально-симметричного магнитного поля изменяет статистические свойства вакуумной дуги отключения.
Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование критической плотности тока jin, 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 diin(z)/dt, определяемая скоростью хода dz/dt 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 «НПП «КОНТАКТ»», г. Саратов, и ООО «Вакуумные технологии», г. Рязань, освоено мелкосерийное производство новых типов РВУ и вакуумных контакторов.
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 эксплуатационными затратами и экологической чистотой.
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 d ~ 10 мм обнаружено формирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. Показано, что с увеличением di/dt > 1010 А/с происходит нарушение устойчивости развития сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающееся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Впервые установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах. Полученные результаты позволили определить требования к параметрам инициирующего разряда и длине вакуумного промежутка, обеспечивающие устойчивое развитие сильноточного разряда при высокой скорости нарастания тока и, следовательно, минимальные энергетические потери, что важно для повышения ресурса узла поджига РВУ.
Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия образования катодных пятен под плазмой вакуумного разряда с током It при напряжении U: , где постоянная G определяется материалом электродов и состоянием поверхности катода. Предложена и экспериментально апробирована методика расчета коммутационных характеристик РВУ с отделенным от катода вспомогательным импульсным источником плазмы. Методика позволяет оптимизировать параметры вспомогательного источника. Полученные результаты способствовали разработке новых способов инициации разряда с целью повышения ресурса РВУ.
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 iK = 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 b > 1, т.е. отличаются от экспоненциального распределения, присущего вакуумным промежуткам без внешнего магнитного поля. Из этих результатов следует, что наложение аксиально-симметричного магнитного поля изменяет статистические свойства вакуумной дуги отключения.
Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование критической плотности тока jin, 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 diin(z)/dt, определяемая скоростью хода dz/dt 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 «НПП «КОНТАКТ»», г. Саратов, и ООО «Вакуумные технологии», г. Рязань, освоено мелкосерийное производство новых типов РВУ и вакуумных контакторов.