5-3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ В КОРОТКОМ ОТКЛЮЧАЮЩЕМ ПРОМЕЖУТКЕ
Рис. 5-18. Распределение зарядов (а), напряженности поля (б) и потенциала (в) в коротком промежутке при появлении напряжения на промежутке и после прохода тока через нуль и изменения полярности на электродах.
Рассмотрим короткий отключающий промежуток в момент перехода тока через нуль, в котором в предшествующий полупериод (или полупериоды) горела дуга. Как отмечалось, коротким промежутком следует считать такой, у которого процесс образования последуговой электрической прочности определяется явлениями, происходящими в тончайшем слое газового пространства, непосредственно примыкающего к поверхности катода, и на самой поверхности катода. Повторное зажигание дуги в следующий после гашения дуги полупериод переменного тока является следствием совокупности причин, определяющих условия выхода электронов с поверхности катода. Если такие условия не создаются, то пробой не возникает и дуга прекращается.
Влияние остальных частей дугового промежутка на его результирующую начальную прочность весьма незначительно, и им вполне можно пренебречь.
Предположим, что последуговая плазма имеет равномерную плотность ионизации во всех точках пространства между электродами, причем плотность положительных ионов равна плотности отрицательных (электронов). Когда полярность прикладываемого к промежутку выключателя напряжения изменяется, т. е. начинается процесс восстановления напряжения на промежутке, то под влиянием этого напряжения электроны, обладающие значительно большей подвижностью, чем ионы, начинают перемещаться в направлении нового анода. Можно допустить, что положительные ионы в рассматриваемый отрезок времени остаются неподвижными, в результате этого в области, примыкающей к катоду, образуется зона, в которой появится положительный пространственный заряд.
Распределение электрического поля вдоль промежутка становится неравномерным, и практически вся разность потенциалов, приложенная к промежутку, сосредоточится на участке пространственного положительного заряда. Наибольшего значения напряженность электрического поля достигает непосредственно у поверхности катода, а по направлению к аноду она будет линейно уменьшаться, достигая нуля на границе пространства огненного заряда и дуговой плазмы. Это легко доказать, пользуясь уравнением Пуассона.
На рис. 5-18 показана картина расположения отрицательных и положительных частичек в коротком промежутке при приложении к нему напряжения Un.
Характер распределения потенциала и напряженности электрического поля вдоль промежутка можно получить, исходя из уравнения
Плотность электронов и ионов п можно выразить как функцию температуры газа, пользуясь уравнением Саха.
из уравнения (5-30) видно, что пробивное напряжение обратно пропорционально
Кривые на рис. 5-19 показывают, что пробивное напряжение короткого промежутка сильно зависит от температуры газа, особенно в зоне, примыкающей к области катода, и от энергии ионизации газа. Если газ содержит большое количество паров меди (горячий электрод), то пробивное напряжение такого промежутка может существенно снижаться, так как энергия ионизации паров меди составляет около 7,5 эВ. Например, если полагать, что энергия ионизации газа за счет примеси паров металла уменьшится с 12,5 до 10 эВ, то при температуре газа около 5 000 К пробивное напряжение промежутка может снизиться с 1 500 до 80 В.
Электрическая прочность коротких промежутков после прохода тока через нуль довольно быстро нарастает во времени, причем чем короче промежуток, тем быстрее происходит этот рост (рис. 5-20).
Из рис. 5-20 можно видеть, что более короткий промежуток (S1) способен обеспечить гашение дуги, в то время как при более длинном (S2) имеет место повторное зажигание дуги (точка а).
Это явление может быть объяснено тем, что в более коротком промежутке спад температуры идет быстрее, чем в более длинном, за счет отвода тепла электродами. С падением температуры снижается плотность ионов, а следовательно, и напряженность электрического поля у катода. В более коротких промежутках, кроме того, повышается скорость рекомбинации отрицательных и положительных ионов за счет влияния электродных плоскостей, что также ведет к снижению плотности пространственного заряда у катода.
Рис. 5-20. Изменение пробивного напряжения Uпр для различных коротких промежутков и восстанавливающегося напряжения от времени.
Таким образом, для обеспечения необходимой напряженности электрического поля у катода, обеспечивающей выход электронов с катода, напряжение, приложенное к промежутку, должно увеличиваться.
Уравнение (5-30) не дает связи длины промежутка с пробивным напряжением. Действительно, уравнение Саха позволяет связать плотность ионов с температурой и параметрами газа (р, Vн), но не учитывает роли металлических плоскостей (электродов) в уровне плотности ионов даже в равновесном состоянии, не говоря уже о динамическом состоянии, когда температура и плотность ионов быстро изменяются в плазме короткой дуги.
Важные и интересные исследования дугогасящей способности коротких промежутков проделали основоположники теории короткой дуги И. Слепиан [Л. 46] и Т. Браун [Л. 47]. Многое в этих работах было выяснено, но отсутствие в то время катодных осциллографов не позволило ответить на ряд вопросов. Эти ответы были даны в более поздних работах.
В экспериментальных работах [Л. 46] и [Л. 47] было показано, что в коротких промежутках с относительно холодными медными электродами начальная электрическая прочность может составлять 250 В на один промежуток. Было также показано, что при нагревании медных электродов до температуры кипения металла прочность существенно снижалась (до 150 В). Браун показал, что различные металлы дают различную величину и скорость нарастания электрической прочности промежутка. На рис. 5-21 показаны критические скорости нарастания напряжения, соответствующие пробою на промежутке, в зависимости от величины S промежутка для ряда металлов (Hg; Zn; Сu; Fe; W) и неподвижной дуги (электроды горячие).
Эти результаты наглядно демонстрируют, что чем выше температура кипения металла, тем ниже оказывается критическая скорость нарастания напряжения на промежутке [Л. 48].
В последние годы была опубликована работа Г. Букхарта [Л. 49]. На рис. 5-22 приведены экспериментальные кривые результатов опытов этого автора по определению пробивных напряжений промежутков в пределах 0,3— 6 мм между серебряными электродами при токе 75 А. Эта диаграмма наглядно подтверждает сказанное выше, т. е. чем больше расстояние между электродами, тем медленнее восстанавливается электрическая прочность.
Рис. 5-21. Критическая скорость нарастания напряжения на коротком промежутке η зависимости от его длины для различных металлов (по Брауну).
По данным Г. Букхарта, существует оптимальная длина промежутка, при которой скорость восстановления электрической прочности получается наибольшей, однако она лежит в области менее 0,3 мм, которую практически невозможно использовать, так как при таких промежутках создается опасность металлического перемыкания пластин решетки за счет образования металлических мостиков у оснований дуги. В аппаратах широкого применения короткие промежутки менее 1 мм по этим причинам обычно не допускаются.
В опытах Г. Букхарта не были выявлены начальные значения (при t0=0) пробивного напряжения Uпр для различных длин промежутков, однако из рис. 5-22 можно видеть, что спустя 20 мкс после достижения током нулевого значения электрическая прочность коротких промежутков достигает 450—900 В (соответственно для промежутков 6 мм и 0,3 мм).
Интересно привести результаты исследования [Л. 5] только начальной прочности коротких промежутков (при t=0). На рис. 5-23 показаны эти данные, где по оси ординат отложены средние значения (из большого числа опытов) начальной электрической прочности Uпр0 короткого промежутка (5=5 мм), а по оси абсцисс величины отключаемого тока для различных контактных материалов. Эти измерения сделаны для дуги, неподвижной относительно электродов. Как видно, наиболее высокие значения начальной прочности дает цинк. Высокие значения электрической прочности и слабую зависимость от тока показывают порошковые композиции без участия вольфрама, такие как Ag/Ni (80/20) и Ag/CdO (85/15).
Низкие значения начальной прочности при всех значениях тока имеет вольфрам, а в области больших токов порошковые композиции с содержанием вольфрама Ag/W (70/30), что является следствием образования за счет вольфрама высокой температуры на вновь возникающем катоде, а следовательно, появления термической эмиссии. Из этих данных вытекает, что в отключающих аппаратах с короткими промежутками применение вольфрама и вольфрамовых композиций может привести к снижению дугогасящей способности.
Скорость расхождения контактов в этих опытах составляла 0,6 м/с, а длительность горения дуги до момента ее гашения 10 мс (полупериод промышленной частоты).
Принцип короткой дуги находит свое применение на практике. Наибольшее распространение получили устройства с дугой, затягиваемой в решетку, состоящую из железных пластин (рис. 5-24). В этом устройстве длинная дуга, возникающая между рабочими контактами отключающего аппарата, втягивается элtктроматнитными силами на железные пластины и разбивается на ряд последовательно включенных коротких дуг. При переходе тока через нуль между пластинами отдельных промежутков будет восстанавливаться электрическая прочность, а в результате , общая прочность такой решетки будет равна арифметической сумме прочностей отдельных ее промежутков:
где m — число промежутков решетки; U1р.ср — средняя прочность единичного промежутка (примерно 50 В).
На прочность промежутка оказывает влияние материал пластин (обычно сталь), а также местный нагрев пластин вследствие того, что дуга после вхождения ее на пластины практически остается неподвижной. Эффект сильного нагрева пластин проявляется даже при относительно небольших отключаемых токах (100—200 А).
Поведение отдельных коротких дуг между пластинами решетки носит в некотором мере случайный и различный характер. Так, например, нс все дуги между пластинами движутся с одинаковой скоростью и одновременно останавливаются, вследствие чего восстанавливающееся напряжение между пластинами распределяется неравномерно, а следовательно, суммарная прочность всей решетки снижается по сравнению с тем, что давало бы произведение числа промежутков на прочность единичного промежутка.
Рис. 5-24. Схема дугогасительной камеры с решеткой из железных пластин.
Использование стальных пластин для дугогасительных решеток чрезвычайно упрощает конструкции дугогасительных камер отключающих аппаратов, так как дуга втягивается в решетку и разделяется на ряд коротких дуг за счет сил взаимодействия между дугой и пластинами без дополнительных катушек магнитного дутья. В начале процесса втягивания дуги в решетку, когда дуга находится еще в воздухе, электромагнитные силы значительны, дуга быстро входит на пластины, но в средней зоне пластин эта сила исчезает, и дуга останавливается.
Указанный принцип устройства дугогасительной камеры не может быть использован для больших отключаемых токов вследствие того, что втянутая на пластины мощная дуга сильно оплавила бы стальные пластины, камера была бы недолговечной и могла разрушиться даже после первых нескольких отключений.
Принцип короткой дуги нашел также свое применение в дугогасительных камерах более мощных отключающих аппаратов, где дуга затягивается на пластины из меди и закручивается на них с большой скоростью при помощи радиального магнитного поля, как это было показано на рис. 3-15. Благодаря высокой скорости прохождения дуги но поверхности пластин, они остаются достаточно холодными, поэтому начальную прочность единичного промежутка с медными электродами при перемещающейся дуге можно принять 250—300 В.
Втягивание дуги на медные пластины обеспечивается при помощи изолированной шины, обтекаемой отключаемым током, пропущенной в центре пластин. Этот ток создает в зазорах стальных охватывающих пластин поперечное магнитное поле, которое затягивает дугу на медные пластины. С этого момента электрическая дуга оказывается в области радиального поля, создаваемого отключаемым током, протекающим по катушкам, включенным между крайними пластинами отдельных пакетов пластин.
Направление намотки катушек — поочередно-противоположное. Радиальное поле при этом (рис. 3-15) в соседних пакетах имеет различное направление, что дает разное направление вращения коротких дуг. В такого рода дугогасительных камерах целесообразно в качестве материала пластин (электродов) брать именно медь по той причине, что медь по сравнению со сталью обеспечивает более высокую электрическую прочность единичного промежутка, более падежное смещение дуги и, главное, дает возможность создать радиальное магнитное поле между пластинами, которое железными пластинами было бы зашунтировано.
В исследованиях И. С. Таева [Л. 5] было показано, что начальная прочность единичных промежутков с неподвижной дугой может спускаться существенно ниже, чем это было установлено для движущейся дуги. По данным [Л. 5] начальная электрическая прочность оказалась ниже 100 В на медных пластинах с неподвижной дугой и в диапазоне изменения длины промежутка 5—24 мм ее рост не зависел от длины дуги. На основании этих данных можно полагать, что электрическая прочность промежутка в основном формируется на небольшом при катодном участке столба, свойства которого мало зависят от длины дуги. Однако И. С. Таев оперировал длинами дуг в такой области, где и у Т. Брауна наблюдалась слабая зависимость электрической прочности промежутка от его длины. На примере рис. 5-21 видно, что при длине дуги 6 мм и выше, снижение прочности промежутка прекращается.
В исследовании электрической прочности коротких промежутков еще имеют место противоречия, которые необходимо устранить.
Короткие промежутки применяются не только в аппаратах низкого напряжения, но и в высоковольтной технике. В выключателях наибольшее напряжение, при котором применялись короткие промежутки, было 35 кВ, что привело, однако, к громоздким решениям. Весьма широкое распространение короткие промежутки получили при гашении дуг в вентильных разрядниках всех классов напряжения. В этих устройствах, как показали исследования В. П. Савельева [Л. 50], начальная электрическая прочность единичного промежутка поднимается даже до 700—1 000 В. Относительно большая величина начальной прочности в данном случае может быть объяснена сильным искажением формы кривой тока, текущего через промежуток (кривая подхода тока к нулю становится значительно более пологой), благодаря нелинейному сопротивлению, включенному последовательно с промежутком (вилит, тирит и т. п.). В вентильных разрядниках короткие промежутки для гашения дуги применяются при всех классах напряжений вплоть до 500—750 кВ.
В коммутационных аппаратах переменного тока промышленного применения короткие промежутки между медными пластинами применяются довольно широко для напряжений 2,5—4,0 кВ (США). В Советском Союзе решетки с короткими дугами находят широкое применение в низковольтных аппаратах защиты и управления (контакты, распределительные автоматы, автоматы гашения поля и пр.).
При производстве низковольтных выключателей недостаточно оценивали роль восстановления напряжения на контактах коммутационного аппарата в эксплуатации. Однако работами И. С. Таева было показано, что и в аппаратах низкого напряжения условия гашения дуги в сильной степени зависят от скорости восстановления напряжения. Поэтому для оценки реальной отключающей способности аппарата низкого напряжения необходимо знать характер нарастания электрической прочности после прохода тока через нуль. В аппаратах переменного тока низкого напряжения необходимо реально оценивать нс только начальную электрическую прочность, но и возможную скорость нарастания электрической прочности к тому моменту, когда восстанавливающееся напряжение реально достигает уровня электрической прочности. Такой учет нарастания электрической прочности позволяет существенно экономить на числе коротких промежутков, выбираемых для дугогасящей камеры аппарата.
Для пояснения сказанного на рис. 5-20 нанесена кривая нарастания восстанавливающегося напряжения на промежутке
· Эта диаграмма показывает, что при длине промежутка S1 может быть принято расчетное напряжение не менее
, т. е. трехкратное значение начальной электрической прочности, если учесть реальный характер кривой восстановления напряжения. Для большего промежутка S2 восстанавливающееся напряжение может быть допущено около 2—2,5-кратной величины
. Учет реальных условий работы аппарата в электрических цепях имеет важное практическое значение для рационального его конструирования.
