2.3. Явления, связанные с отключением при прохождении тока через нуль
Основные принципы отключения
В работе всех выключателей среднего напряжения используется эффект естественного прохождения через ноль переменного тока (2 раза за период или каждые 10 мс для тока частотой 50 Гц) для отключения тока.
Неизбежность фазы электрической дуги
При установлении в цепи тока повреждения размыкание контактов выключателя не оказывает незамедлительного действия на прохождение тока. На поверхности последних точек контактирования плотность тока становится очень высокой, что вызывает локальное оплавление контактов и образование жидкого металлического моста. Поскольку контакты продолжают размыкаться, этот разогретый током мост становится неустойчивым, и его разрыв выражается в появлении электрической дуги, сфокусированной в парах металла, в результате разрыва жидкого моста. Напряжение дуги, которое возникает, для вакуума является низким относительно электродвижущей силы генераторов сетей низкого или высокого напряжения: таким образом, это напряжение дуги существенно не влияет и не ограничивает ток, проходящий по цепи.
Эта дуга действует в режиме рассеивания или в сфокусированном режиме, представленных в предыдущем разделе, может переходить из одного режима в другой и сохраняться до прохождения тока через нуль.
Фаза восстановления после прохождения тока через нуль
Лаборатория VOLTAC2531 98/12/04/009
Рис. 6 : Успешное отключение тока (источник данных: Merlin Gerin)
Если плазма, которая обеспечивала до этого момента прохождение тока, за время разрыва очень быстро рассеется, к следующему полупериоду ток может не установиться. Тогда на зажимах элемента, перешедшего из состояния проводника в состояние изолятора, появляется переходное восстанавливающееся напряжение (TVR), заданное по схеме. В случае короткого замыкания напряжение TVR возникает в результате колебаний между локальными емкостями и катушками индуктивности сети. Это напряжение, в своей начальной фазе, приблизительно имеет форму (1-cosinus) с частотой, характерной для сетей среднего напряжения, порядка нескольких десятков кГц и достигает пикового значения, превышающего нормальное напряжение сети, что соответствует средней скорости увеличения в несколько кВ/мкс. Если новая изолирующая среда выдерживает механическое напряжение диэлектрика, которое прикладывается, отключение тока считается успешным (см. рис. 6).
Отключение в вакууме
Чтобы определить условия успешного отключения тока, необходимо изучить явления, происходящие вблизи нуля тока в плазме электрической дуги в вакууме.
Послеразрядный ток
К концу полупериода ток уменьшается тем быстрее, чем больше был пиковый ток, и выше частота сети (di/dt = ю I). Дуга в вакууме переходит в режим рассеивания и вблизи нуля тока теперь имеется только одно катодное пятно. Напротив, пространство между контактами еще заполнено остаточной плазмой, в целом нейтральной, состоящей из электронов, ионов и нейтральных частиц, образованных предыдущей дугой. В момент прохождения тока через нуль последнее катодное пятно исчезает, поскольку отсутствует напряжение дуги. Таким образом, больше нет участка эмиссии, излучающего заряженные частицы (электроны и ионы), необходимые для передачи электрического тока. С этого момента между двумя контактами возникает напряжение с полярностью, противоположной напряжению предыдущей дуги (TVR): бывший анод становится отрицательным по отношению к бывшему катоду и отталкивает электроны. Ток в цепи теперь представляет собой только ионный ток, экстрагируемый бывшим анодом из остаточной плазмы, которая разрежается: этот ток противоположной полярности по отношению к току в дуге называется послеразрядным. Таким образом, бывший анод больше не находится в контакте с нейтральной плазмой, еще присутствующей в пространстве между контактами: анод отделен от плазмы определенным пространством, подобным экранирующей оболочке, что объясняет отсутствие электронов, отталкиваемых под действием отрицательного напряжения бывшего анода, и присутствие только положительных ионов, которые преодолевают границу нейтральной плазмы и затем ускоряются к бывшему аноду. Таким образом, напряжение, которое возникает между бывшим катодом и бывшим анодом, прикладывается только по толщине этого пространства (оболочки), разделяющей нейтральную плазму и бывший анод. Кроме того, присутствие в этом пространстве положительных пространственных зарядов усиливает электрическое поле на поверхности бывшего анода, напряженность которого больше средней напряженности соответствующего поля при значении TVR, деленном на толщину оболочки (см. рис. 7). Толщина пространства, окружающего бывший анод, пропорциональна напряжению между нейтральной плазмой и электродом и обратно пропорциональна плотности положительных ионов: то есть толщина увеличивается с изменением TVR, и скорость этого увеличения возрастает, по мере того как плазма разрежается. Когда пределы пространства достигают бывшего катода, остаточная плазма исчезает, поскольку все ее заряды использованы послеразрядным током, который переходит на нуль. Эти явления происходят за очень малый промежуток времени: общая продолжительность прохождения после- разрядного тока обычно составляет 1 - 10 мкс (см. рис. 8).
Причины неотключения
Электрическое поле
Серия 1: Е на поверхности бывшего анода
Серия 2: LTTVR/толщина пространства, среднее поле в пространстве
Серия 3: UTVR/расстояние между контактами
Рис. 7 : Электрическое поле на поверхности бывшего анода и соответствующее среднее поле между электродами
Для поддержания тока необходимо, чтобы механизмы формирования электрических зарядов выполняли роль катодных пятен, погашенных бывшим катодом.
Первым возможным механизмом является ионизация нейтрального пара металла, присутствующего в пространстве между контактами. Ионизация происходит тем проще, чем выше плотность нейтральных частиц. Если плотность пара очень высока (очень сильно разогретые зоны на контактах, выделяющие большое количество паров металла), ток вообще не отключается: нет возрастания TVR, и речь идет о «термическом неотключении».
Если плотность нейтральных частиц достаточно велика, чтобы электрическая прочность вакуума снизилась (примерно до минимума по кривой Пашена), ток может быть отключен, но пространство между контактами не выдерживает приложенного напряжения TVR, и во время повышения TVR происходит пробой, то есть речь идет о «диэлектрическом неотключении». Вторым возможным механизмом является возникновение катодных пятен на бывшем аноде. Для этого на поверхности бывшего анода должны быть локально созданы условия электронной эмиссии:
- термо-электронная эмиссия, если имеются очень разогретые точки, что происходит в случае, когда анод содержит тугоплавкий металл (W);
- эмиссия поля или комбинированная эмиссия T.F., если электрическое поле на поверхности сильное в отдельных участках, характеризующихся большим коэффициентом интенсификации р.
Ранее отмечалось, что электрическое поле на поверхности бывшего анода возникает при больших значениях с момента подачи TVR, так как толщина пространства (оболочки) на этом этапе небольшая,
и становится меньше по мере повышения плотности ионов. В то же время бывший анод бомбардируют ионы, получившие ускорение в пространстве(оболочке)под действием TVR, что вызывает местный нагрев. Таким образом, вероятность появления катодных пятен на бывшем аноде тем больше, чем выше плотность ионов в остаточной плазме, что сопровождается повышением плотности нейтральных частиц, которые тормозят при столкновении быстрые ионы, испускаемые катодными пятнами, термализуют их (средняя энергия, близкая к температуре плазмы) и замедляют их диффузию в момент прохождения тока через нуль. Если плотность плазмы в момент прохождения тока через нуль достаточно низкая, возможно создание условий успешного отключения: ток отключается, и в пространстве между контактами выдерживается восстанавливающееся напряжение до выхода его на пиковое значение. Однако, в отношении вакуумных выключателей нельзя говорить о полном обеспечении успешного отключения, когда этот этап преодолен. В действительности, в течение нескольких миллисекунд после отключения внутри выключателя продолжают происходить изменения, и может возникнуть пробой диэлектрика:
- частицы, генерированные во время фазы электрической дуги, могут отделяться от стенок под действием вибрации и/или электростатических сил;
- в зонах оплавления контактов могут выделяться капли металла под действием электростатических сил;
Лаборатория VOLTA С2325 97/03/27/022
Рис. 8 : Послеразрядный ток особо большой продолжительности, примерно 40 мкс, испытание на предельную отключающую способность выключателя
- застывание жидкого металла может вызвать изменения на поверхности контакта или высвободить растворенный газ.
Также случается, что когда вакуумный выключатель прошел испытание на предельную отключающую способность, после, казалось бы, успешного отключения, часто наблюдается запоздалый пробой диэлектрика (см. рис. 9), который может представлять собой:
неустойчивое повреждение (продолжительностью несколько микросекунд), так как выключатель отключает ток высокой частоты, возникающий в результате разряда. Если неустойчивый пробой происходит в течение более четверти периода промышленной частоты после прохождения тока через нуль, то это повреждение квалифицируется как неустойчивый пробивной разряд (NSDD) и объясняется недостаточным запасом прочности устройства (в связи с этим в соответствии со стандартом МЭК 60056 максимально допустимое количество NSDD за полную серию испытаний выключателя на отключающую способность составляет три пробоя);
полный разряд, и в этом случае вновь возникает ток промышленной частоты после более или менее продолжительного периода отключения (порядка 0,1 - 1 мс).
Лаборатория VOLTA С2321 97/03/11/012
Рис. 9 : Пример запоздалого пробоя диэлектрика
