2. Теория и практика отключения в вакууме
2.1. Диэлектрические свойства вакуума
Любая среда отключения должна быть прежде всего хорошим изолятором, так как речь идет о создании преграды для прохождения тока. Вакуумная среда не является исключением из правила: вакуум обладает нужными диэлектрическими свойствами, но при этом эти свойства особые по отношению к газообразным диэлектрикам, которые обычно используются при давлении, превышающем или равном 1 бару. Вакуум, квалифицирующийся как «высокий» (диапазон давления от 10-1 до 10-5 Па либо от 10-3 до 10-7 мбар), в колбах вакуумных выключателей (см. рис. 2) в действительности представляет собой газ под низким давлением: обычно это давление составляет 10-6 мбар в новой колбе.
Рис. 2 : Вакуумная камера Schneider Electric 17,5 кВ
При таком давлении объем в 1 мм3 еще содержит 27.106 молекул газа, но их взаимодействием можно пренебречь, так как средний свободный пробег между двумя столкновениями молекул составляет порядка сотни метров: таким образом, такое состояние определяется понятием вакуума, как если бы каждая молекула была, практически, единственной.
Диэлектрические характеристики газа
При обычных уровнях давления (атмосферное и более высокое давление) диэлектрические характеристики газа представлены правой ветвью кривой Пашена (см. рис. 3): напряжение пробоя V является возрастающей функцией от произведения р-d (р = давление, d = расстояние между электродами). Это отношение характеризует механизм цепной ионизации (лавинная ионизация), которая вызывает пробой: электроны должны получить между двумя столкновениями энергию, достаточную (пропорциональную pd ) для ионизации молекул газа, и, таким образом, создать другие электроны.
Рис. 3 : Изменение электрической прочности воздуха в зависимости от давления (кривая Пашена)
При низких значениях давления этот механизм перестает работать. В действительности электроны могут получить много энергии за время их среднего свободного пробега, но вероятность того, что электроны столкнутся с молекулами, которые они ионизируют, до того, как достигнут электрода, становится незначительной: лавинный процесс и размножение носителей заряда прекращаются, и электрическая прочность повышается. Именно это явление представлено на кривой Пашена, где показана минимальная электрическая прочность для произведения р d порядка 1 Па в азоте. Выше этого значения электрическая прочность быстро улучшается (левая часть кривой Пашена) и достигает уровня значений р d менее 10-2 Па м. Этот уровень и характеризует диэлектрические свойства откачанных колб (давление ниже 10-3 мбар либо 10-1 Па, расстояние порядка 1 - 10 см). Это соответствует высокой электрической прочности, сравнимой с прочностью в элегазе SF6 при давлении примерно 2 бара и интервалов порядка 1 см. В этой области электрическая прочность больше не ограничивается механизмами ионизации остаточного газа, но ограничение вызывается явлениями, связанными с состоянием поверхности электродов, например, электростатической эмиссией и присутствием отделяемых частиц.
Автоэлектронная эмиссия
Автоэлектронная эмиссия заключается в экстракции электронов из металла электродов. Этого можно добиться за счет значительного повышения температуры металла: таким образом происходит термоэлектронная эмиссия у поверхности разогретых катодов электронных ламп. Другой способ заключается в приложении достаточно сильного электрического поля к поверхности металла. Данное явление, а именно автоэлектронная эмиссия может происходить в вакуумных камерах. Данный процесс рассчитывается с помощью уравнения Фаулера- Нордхайма, которое в упрощенном виде представлено ниже:
je - плотность электронного потока, Ам-2; A = 1,54 * 10-6 A * Дж * В-2 Е - напряженность электрического поля, Вм-1; ф - работа выхода, еВ (4,5 еВ для меди).
Как можно заключить из вышеуказанных цифровых значений, автоэлектронная эмиссия становится заметной только при значениях напряженности поля на поверхности металлов в пределах от нескольких 109 Вм-1 до 1010 Вм-1. Речь идет об очень больших значениях, определенно превышающих значения напряженности макроскопического поля, применяемых при расчетах для вакуумных камер (порядка 107 Вм-1 = 100 кВ/см). Тем не менее, автоэлектронная эмиссия отчетливо наблюдается в вакуумных камерах: таким образом, из этого можно сделать вывод, что местно, на микроскопическом уровне, электрическое поле усиливается коэффициентом интенсификации р, составляющим порядка нескольких 102 или 103. Явления, обуславливающие эти высокие значения р, еще полностью не описаны исследователями, которые, главным образом, на первый план выдвигают либо воздействие микроскопических острых частиц, либо включений или изолирующих частиц на поверхности металла.
Процесс формирования напряжения пробоя
Наличие активных микроскопических участков эмиссии выражается, главным образом, в низкой электрической прочности новых камер (примерно 10 кВ/см); напротив, в ходе экспериментов установлено, что многократный пробой диэлектрика разрушает эти участки или, по меньшей мере, уменьшает значение коэффициента интенсификации, что говорит о высокой чувствительности этих участков. Таким образом, должная электрическая прочность (относительно заданных значений) достигается только в результате процесса формирования напряжения пробоя, который заключается в подаче в течение нескольких минут повышенного напряжения (значением равным расчетной электрической прочности): многочисленные пробои, которые происходят, постепенно повышают электрическую прочность между электродами. Это явление представлено на рисунке 4, где показано изменение во времени напряжения пробоя при прохождении разрядов: предел повышения электрической прочности достигается на уровне примерно 108 Вм-1, что, кроме того, соответствует микроскопическому «неснижаемому» р порядка 100.
Рис. 4 : Изменение во времени напряжения пробоя между двумя электродами в вакууме при прохождении разрядов
Механизм пробоя
В результате пробоя диэлектрика, который возникает под действием тока электронной эмиссии, бывают задействованы дополнительные механизмы: в действительности установившийся ток электронной эмиссии (при максимальных значениях в несколько мА) не переходит в обязательном порядке в пробой, если подаваемое напряжение не увеличивается, ток эмиссии может даже сам по себе уменьшаться под влиянием процесса формирования напряжения пробоя. Пробой как таковой связан с образованием локализованной плазмы (ионизированный газ), достаточно плотной для того, чтобы вызвать лавинный процесс газовых разрядов. Плазма может образовываться со стороны катода за счет подрыва участка микроскопической эмиссии в результате интенсивного нагрева, обусловленного очень высокой локальной плотностью тока (эффект Джоуля - Ленца): пробой происходит в среде паров металла, образующихся при разрушении участка эмиссии. Плазма может также образовываться со стороны анода, бомбардируемого пучком энергетически сильно заряженных электронов (что выражается, к тому же, в появлении рентгеновского излучения). Этот локальный поток энергии вызывает десорбцию газа, поглощенного с поверхности, и испарение металла с поверхности анода: затем образованный газ ионизируется пучком электронов, и происходит пробой.
Влияние отделяемых частиц
Второй фактор может вызвать пробой диэлектрика в вакууме: речь идет об отделяемых частицах присутствующих на поверхности стенок вакуумного
выключателя. Высвобождаясь под воздействием удара или электростатических сил, эти заряженные частицы приобретают энергию при преодолении расстояния между электродами. В момент столкновения с электродом, который их притягивает, эти частицы могут вызвать пробой за счет двух, возможно, сопутствующих явлений:
- локального повышения плотности газа в результате десорбции поглощенных молекул газа;
- возникновения процесса электронной эмиссии и частичного испарения частиц или электрода под действием пучка, который их бомбардирует. Подтверждением практического значения состояния частиц является экспериментально полученный вывод о том, что электрическая прочность в вакууме между двумя электродами повышается приблизительно пропорционально значению квадратного корня расстояния между электродами. Это отношение может быть объяснено предположением, что частицы должны получить заряд энергии (пропорциональный В2/ф, достаточный для того, чтобы вызвать пробой. По этой же причине крупные частицы, способные нести более мощный электрический заряд, способны создать больше проблем, чем мелкие частицы.
Рассматривая вопрос неблагоприятного влияния отделяемых частиц на электрическую прочность вакуумных выключателей, следует учитывать два обстоятельства:
- трудно добиться очень больших значений электрической прочности, даже при значительном расстоянии между электродами (см. рис. 5);
- электрическая прочность вакуумного выключателя носит неопределенный характер: пробой может произойти с задержкой относительно подачи напряжения и при напряжении, меньшем, чем напряжение, которое безаварийно выдерживалось раньше.
Выводы
- Вакуум обладает нужными диэлектрическими свойствами при условии ограничения подаваемого напряжения в пределах примерно от 100 до 200 кВ, что соответствует требуемому уровню изоляции для заданных
Допустимая электрическая прочность
Рис. 5 : Допустимая электрическая прочность при очень большом расстоянии между электродами
значений напряжения, 36 кВ, при которых расстояние между электродами может составлять несколько сантиметров. При больших значениях напряжения задача обеспечения необходимой электрической прочности вышеописанным методом становится трудоемкой и менее эффективной, чем решение этой проблемы за счет использования газовой изоляции SF6.
Электрическая прочность любого устройства отключения в вакууме изменяется во времени. В действительности, в результате механических действий и воздействия электрической дуги происходит изменение состояния поверхности контактов и генерация частиц. Таким образом, уровень электрической прочности, обеспечиваемый при выходе на требуемое напряжение, не может считаться окончательно достигнутым. Следовательно, вакуум не является идеальной изолирующей средой, когда надежность поддержания уровня электрической прочности является первостепенной задачей, например, в случае применения разъединителя.
