Рыльская Л.А.
В вакуумных дугогасительных камерах и управляемых разрядниках причиной пробоев при наиболее низких напряжениях являются свободные частицы субмиллиметровых размеров (макрочастицы), которые образуются в результате коммутационных операций. В статье рассматривается гипотеза о двухпараметричности критерия инициирования вакуумного пробоя макрочастицами, даются его параметры. Показано, что при использовании в этом случае двухпараметричного критерия достигается согласование экспериментальной и теоретической зависимостей пробивной межэлектродной напряженности от размеров частиц во всем их диапазоне.
Ключевые слова: дугогасительные камеры, вакуум, пробой, макрочастицы
The reason for low-voltage breakdowns in vacuum interrupters and triggered vacuum switch is unbound, submillimeter-size particles also known as «macro particles». Such particles are caused by switching operations in those units. The article deals with the hypothesis of twoproperty criterion of vacuum breakdown initiation caused by macro particles. The two properties are also unveiled in the article. The author explains that the use of two-property criterion in this case confirms both experimentally and theoretically the dependences of interelectrode breakdown voltage stress upon the size of particles in the whole range of their sizes.
Key words: vacuum interrupter, vacuum, breakdown, macroparticles.
Хорошо известно, что свободные частицы в вакуумных приборах сильно уменьшают их пробивное напряжение. Имеется много соображений о механизмах инициирования частицами пробоя в вакуумных приборах при высоких напряжениях [1,2], причем все модели, предложенные для объяснения и предсказания такого пробоя, классифицируются по размеру частиц. Инициирование вакуумного пробоя частицами размером меньше 20 мкм (микрочастицами), скорость которых при пробивных напряжениях может превышать 200 м/с, связывают с последствиями ее соударения с электродом, в основном с катодом.
Для частиц размером больше 20 мкм (макрочастиц), скорость которых относительно невелика, инициирование пробоя связывают с возникновением искрового разряда между электродом, главным образом катодом, и подлетающей к нему частицей еще до столкновения с ним. Предполагается, что этот разряд может служить поджигающей искрой, инициирующей межэлектродный вакуумный пробой. Отметим, что при импульсном напряжении с большой крутизной фронта импульса возможен разряд между катодом и отлетающей от него макрочастицей, который также может служить поджигающей искрой для инициирования пробоя между электродами. Этот случай здесь не рассматривается. Предполагается, что к электродам приложено либо постоянное напряжение, либо напряжение промышленной частоты.
Известно, что самые низкие пробивные напряжения бывают в случаях, когда в межэлектродном промежутке присутствуют макрочастицы. При этом установлено, что для частиц размером больше 100 мкм пробивная напряженность межэлектродного промежутка от размера частиц не зависит [3, 4]. Однако, если размер частиц меньше указанного пограничного значения, то происходит увеличение пробивных напряженностей при уменьшении размера частиц. Однозначного объяснения причин указанной закономерности сегодня не существует.
Вместе с тем установлено, что при тренировке высоким напряжением свободные частицы удаляются из межэлектродного промежутка, вследствие чего его пробивные напряжения значительно возрастают. Соответственно предполагалось, что пробои, вызванные такими частицами, могут быть исключены и продолжение дискуссии о пробоях, инициируемых частицами таких размеров, как бы потеряло свою актуальность. Однако оказалось, что этот бесспорный эффект предварительной тренировки не может быть реализован в вакуумных дугогасительных камерах (ВДК) и управляемых разрядниках (ВУР). Причиной является следующее обстоятельство: в этих устройствах свободные частицы в широком диапазоне субмиллиметровых размеров могут образовываться каждый раз при проведении очередной коммутационной операции и избавиться от них путем предварительной тренировки принципиально нельзя. В результате в ВДК и ВУР такие частицы могут стать причиной пробоев, происходящих при рабочем напряжении - это повторные пробои или неразвившиеся повторные пробои (NSDD) [5]. Поэтому следует считать, что не потеряли актуальности вопросы, во-первых, о критерии инициирования вакуумного пробоя макрочастицами, и, во- вторых, о том, почему при одном и том же механизме инициирования пробоя зависимость пробивных напряженностей от размера частиц не является однозначной, а существует пограничный размер макрочастиц, разделяющий их по влиянию на пробивную межэлектродную напряженность.
Критерии инициирования вакуумных пробоев частицами субмил- лиметровых размеров. Считается [1, 2], что если макрочастица стартовала с анода и приближается к катоду, то такой микроразряд может служить поджигающей искрой, инициирующей пробой между электродами, т.е. действие микроразряда между катодом и подлетающей к нему макрочастицей на возникновение пробоя, по сути, аналогично действию искусственной поджигающей искры на катоде. Отсюда сделано предположение [ 1 ], что минимальная энергия микроразряда W , при которой возможны инициированные им пробои, для всех макрочастиц должна иметь постоянное значение и, вероятно, такое же, как и при искусственном поджиге. Условие W =const
было выдвинуто в [1] в качестве критерия инициирования пробоя искрой микроразряда между катодом и макрочастицей. При таком критерии пробоя межэлектродная напряженность с увеличением размера макрочастиц должна уменьшаться. Для более крупных частиц, у которых зависимость пробивных напряженностей от их размера отсутствует, этот критерий в исходном виде, естественно, не действует. Для объяснения этого расхождения эксперимента и теории в [1] высказано предположение о том, что исходная теоретическая формула является недостаточно строгой и для более крупных частиц в нее следует вносить некоторые поправки. Этим утверждается, что критерий постоянства пробивной электростатической энергии частицы должен действовать во всем диапазоне размеров макрочастиц. Напротив, в [4] предполагается, что для относительно крупных частиц действует другой критерий межэлектрод- ного пробоя, а именно, достижение некоторой минимальной одинаковой для всех частиц плотности плазмы, образующейся в микрозазоре между катодом и частицей при разряде между ними. При этом утверждается, что плотность плазмы в микрозазоре не зависит от размера частиц, а определяется межэлектродной напряженностью, поэтому и пробивное значение этой напряженности оказывается не зависящим от размера частиц. Однако не понятно, почему для более мелких частиц этот критерий не действует. Кроме того, при обоих критериях остается открытым вопрос о наличии некоторого пограничного размера частиц, при отклонении от которого в сторону его увеличения или уменьшения какой-либо из предложенных критериев инициирования пробоя, назовем их однопараметрическими, в исходном виде перестает действовать и нуждается в поправках.
Логично предположить, что противоречия между критериями пробоя не должно быть и истина, вероятно, состоит в том, что при пробоях, инициируемых микроразрядом между катодом и подлетающей к нему макрочастицей, критерий пробоя в действительности является не одно-, а двухпараметрическим. В [6] в качестве критических параметров были рассмотрены напряженность электрического поля в зазоре между частицей и катодом и расстояние между ними, при котором эта напряженность максимальна. Однако на основе этих параметров двухпараметрического критерия пробоя наличие пограничного размера частиц не получило четкого обоснования.
В настоящей работе сделана новая попытка решить проблему. В качестве параметров двухпараметрического критерия инициирования вакуумного пробоя макрочастицами приняты величины, которые соответствуют двум критериям чисто вакуумного пробоя, наиболее четко сформулированным в [8]. Применительно к случаю инициирования межэлектродного пробоя искрой микроразряда между катодом и подлетающей к нему макрочастицей для использования критериев чисто вакуумного пробоя, по мнению автора, необходимо, чтобы: 1) между катодом и частицей произошел разряд, т.е. напряженность Екш на катоде в микрозазоре между ним и частицей должна достигнуть пробивного значения для микрозазора Ек^> >Екш пр; 2) энергия W, выделившаяся при этом микроразряде, была достаточна для получения такой массы выделенного газа, при которой возможно образование катодного пятна, т.е. необходимо, чтобы W > W .
Целью настоящей статьи является доказательство того, что при двухпараметрическом критерии инициирования пробоев микроразрядом между подлетающей макрочастицей и катодом при вышеуказанных параметрах обеспечивается согласование теоретической и экспериментальной зависимостей пробивных напряженностей от размеров макрочастиц во всем их диапазоне и объясняется причина наличия внутри диапазона пограничного значения размера частиц, разделяющего их по виду зависимости пробивной межэлектродной напряженности от размера.
Базовые соотношения между межэлектродной напряженностью, напряженностью на катоде в зазоре между катодом и частицей, энергией микроразряда между частицей и катодом и размером частиц. Для определения связей между интересующими нас величинами были использованы результаты работы [9] для плоскопараллельных электродов, как это имеет место в ВДК, и для микроразряда между катодом и частицей в форме шарика. В [9] было показано, что, когда отношение расстояния между поверхностями частицы и катода X к радиусу частицы R соответствует условию Х/7?<0,3, напряженность на катоде в зазоре между ним и частицей Екш и энергия микроразряда W между частицей и катодом будут примерно соответствовать выражениям:
(1)
(2)
где Е - средняя межэлектродная напряженность; Q - заряд макрочастицы; R - радиус макрочастицы; Хпр - расстояние между частицей и катодом, при котором произошел микроразряд.
Для частицы в форме шарика заряд, полученный от соприкосновения с электродом напряженностью Е, равен:
(3)
где £(=8,85-10'12 Ф/м - диэлектрическая постоянная.
Дискуссионным является вопрос о сохранении частицей заряда, полученного от электрода одного знака, при ее перелете к другому электроду, поскольку в принципе это возможно. Потерю частицей заряда связывают либо с эмиссией, если заряд частицы отрицательный, либо, если заряд положительный, с нейтрализацией электронами, попадающими на частицу из центров автоэлектроннои эмиссии на катоде. Так как в рассматриваемом нами случае заряд частицы положителен, то сама она электроны не эмитирует, т.е. по этой причине не теряет заряда. С другой стороны, движение частицы может происходить вдали от пути прохождения пучка электронов с катода, а пробивные напряженности, соответствующие рассматриваемому механизму пробоя, достаточно малы, поэтому потеря частицей положительного заряда за счет его нейтрализации электронами с катода представляется нам также маловероятной. Кроме того, в ряде работ получены и косвенные свидетельства того, что в этих условиях частица заряда не теряет [2]. Поэтому примем, что приобретенный частицей от контакта с анодом положительный заряд во время ее движения не теряется. Тогда после подстановки в (2) значения Q согласно (3) и некоторых преобразований получим:
, Дж, 
(4)
Зависимость пробивной межэлектродной напряженности от размера макрочастиц при двухпараметрическом критерии пробоя.
Согласно (1) и первому параметру критерия инициирования пробоя макрочастицами (напряженность на катоде Е в микрозазоре между катодом и частицей должна достигнуть значения, равного пробивному для микрозазора) следует, что межэлектродная напряженность, назовем ее Епр], при которой Е —Е , равна:
г К i к мз пр7 г
В том случае, если для всех частиц значения Е и X //?, при котором
пр 7 г г
Е =Е , одинаковы, то из (5) следует, что для макрочастиц всех размеров межэлектродная напряженность Е тоже одинакова и от размера частиц не зависит, т.е. межэлектродная напряженность Е , при которой возникает микроразряд между макрочастицей и катодом, одинакова для них всех.
Однако этот микроразряд не станет поджигающей искрой, если не будет выполнено еще и другое условие, а именно, энергия W этого микроразряда между частицей и катодом должна быть равной или превышать некоторое минимальное значение W>W . Из (4) следует, что для выполнения этого условия значение межэлектродной напряженности, назовем ее £пр2, должно быть равно
Согласно (6) минимальное значение Е должно уменьшаться с увеличением размера частиц R. Совместим оба условия инициирования пробоя макрочастицами согласно выражениям (5) и (6) в системе координат зависимости пробивной межэлектродной напряженности от радиуса частиц. Для построения такой зависимости надо знать значения величин Е ,X/R и W . Точные их значения не известны, однако для качественного представления характера зависимости E^=j[R) при двухпараметрическом критерии пробоя воспользуемся примерными значениями интересующих нас величин, оценив их по известным литературным источникам. Примем по (7)
W = 10'8 Дж, значение
Зависимость пробивной напряженности от размера макрочастицы для каждого из параметров двухпараметрического критерия пробоя и результирующая при двухпараметрическом критерии: 1, Г- для параметра Е =const; 2, 2'- для параметра W =const; сплошная линия - при двухпараметрическом критерии пробоя.
XJR оценим по [10] путем экстраполяции экспериментальных значений X в область известных значений пробивных межэлектродых напряженностей для макрочастиц и примем равным (X IR) =0,03. Тогда расстояние, при котором ожидается микроразряд между катодом и частицей, при ее размерах 50-И00 мкм и (X р/Л)=0,03, будет равно 1,5-к3 мкм.
Из [1] известно, что в промежутке, образованном перекрещивающимися вольфрамовыми проволочками, при расстоянии между ними от 2 до 8 мкм напряженность на катоде при пробое в вакууме 10~9 мм рт. ст. составляла от 4,25 до 2,75.108 В/м. С другой стороны, согласно [11] в ВДК для частиц, инициирующих повторные пробои после коммутационных операций, среднее значение пробивной межэлектродной напряженности на катоде получено равным Е =8,5* 106 В/м. С учетом вышесказанного расчетное значение £кмзп~3,6-108 В/м, которое, как видим, лежит в пределах указанных выше экспериментальных значений пробивных напряженностей на катоде для зазоров микронных размеров. Поэтому для дальнейших рассуждений примем Е -3,6-108 В/м и, соответственно,
Е =8,5-10+6 В/м.
Так как указанное значение Е предполагается относящимся к макрочастицам всех размеров, то на рисунке это будет выглядеть как прямая 1, параллельная оси абсцисс. Отметим, что согласно выражению (5) теперь можно вычислять Е , на основании
независимых экспериментальных данных о значениях Е и (X //?), чего нельзя было сделать раньше.
Значения ЕирГ соответствующие (6), т.е. второму критическому параметру пробоя, при названных выше значениях W и (X /R) на том же рисунке представлены графиком 2. При значении R=R0 (в данном случае /?()~85 мкм) графики 1 и 2 пересекаются. Это означает, что для частиц этого размера критические, т.е. пробивные значения обоих параметров двухпараметрического критерия пробоев, выполняются при одном и том же значении межэлектродной напряженности Е^. Из рисунка также видно, что для частиц других размеров значения пробивных напряженностей одновременно по обоим пороговым параметрам двухпараметрического критерия пробоя не совпадают. Напряженность, при которой
по одному из них может наступить пробой, почти всегда недостаточна для пробоя по другому пороговому параметру. Отсюда следует, что для выполнения критериев по обоим параметрам двухпараметрического критерия пробоев напряженность должна быть повышена до большего из пороговых значений, требуемых одним из его параметров. Очевидно, что лишь при этом условии становятся выполненными пороговые требования к обоим параметрам. Причем, критерий для одного из этих параметров почти всегда выполняется по минимуму, а для другого - с превышением.
Из рисунка видно, что в диапазоне размеров частиц R<R0 минимальная напряженность, необходимая для межэлектродного пробоя по графику 2 (согласно параметру W=Wmm и выражению (6)), выше той, которая требуется для пробоя по графику 1, соответствующему параметру £'KMj=J£,KMjn и выражению (5). При R>R0 соотношение для значений пробивных напряженностей обратное. Это означает, что при двухпараметрическом критерии пробоя зависимость Е =f(R) должна соответствовать не одному из графиков 1 или
Подставив в (7) принятые выше значения входящих в него величин, имеем:
- а лишь их участкам, обозначенным на рисунке сплошными линиями, так как только в этих случаях выполняются требования двухпараметрического критерия пробоя: Е >Е , W>W .
На участках графиков Г и 2\ обозначенных на рисунке штриховыми линиями, значения Е при двухпараметрическом критерии пробоя не могут быть пробивными. Однако в итоге, как видно из рисунка, и при двухпараметрическом критерии пробоя критическим бывает почти всегда только один его параметр - тот, для достижения которого при данном размере частиц требуется большее значение напряженности, поскольку необходимое значение другого его параметра при этом уже ранее достигнуто. Именно это и является причиной существования диапазона размеров частиц, меньшего или большего некоторого порогового значения, обозначенного на рисунке R0, в котором действует как бы только один критерий пробоя, но в зависимости от выбранного диапазона размеров этот критерий разный. Как отмечено выше, лишь при одном размере частиц, равном RQ, значение Епр = ЕпрГ т.е. напряженности по (5) и (6) совпадают. Таким образом при рассмотренных параметрах двухпараметрического критерия пробоев наличие особого порогового размера частиц, разделяющего их по критериям пробоя, вполне закономерно. Причем значение этого размера можно определить, поскольку для таких частиц при одном и том же значении напряженности W=W , Е =Е . Для этого в выражение (4) надо подставить значение W=W , а значение Е принять равным тому, которое соответствует пробивному напряжению для частиц с R>R0, т.е. выражению (5). Преобразовав (4), получим:
Как видим, участки графических зависимостей, обозначенные на рисунке сплошными линиями, согласуются с известными экспериментальными зависимостями пробивных напряженностей от размера частиц и позволяют объяснить природу возникновения порогового размера.
Отметим, что при напряженностях, превышающих 30 кВ/мм, скорость частиц приближается к столь большим значениям, что пробивные напряженности для инициирования пробоя из-за соударения частицы с катодом могут оказаться меньше, чем для его инициирования поджигающей искрой. Размер частиц, соответствующий этому условию, и окажется минимальным для инициирования пробоя поджигающей искрой, однако определение указанного минимального размера макрочастиц выходит за рамки поставленной в работе задачи.
Также отметим, что хотя критерий пробоя макрочастицами согласно [4] по физической сути отличается от первого параметра, рассмотренного выше двухпараметрического критерия пробоя, однако по последствию влияния размера макрочастиц на пробивную межэлектродную напряженность они совпадают. Второй критерий этого же двухпараметрического критерия пробоя полностью соответствует критерию пробоя согласно [1]. Таким образом, определились причины, по которым критерии пробоя согласно [1,4] соответствовали экспериментальным данным не во всем диапазоне размеров макрочастиц, а лишь в отдельных его частях для каждого критерия. Определилась также физическая суть пограничного размера макрочастиц. Как и предполагалось, при двухпараметрическом критерии пробоя устраняется кажущееся противоречие в том, что при одном и том же механизме инициирования пробоев имеют место как бы два различных вида влияния размера макрочастиц на пробивные напряженности.
Подчеркнем, что все вышеприведенные расчеты являются лишь демонстрационными, достаточными только для принципиального обоснования предложенной гипотезы о двухпараметрическом критерии пробоя. Более того, точные значения всех используемых в расчетах величин не являются постоянными, а зависят и от материала электродов, и от трудно контролируемых вакуумно-технологических факторов (таких, например, как состав и плотность адсорбированных на поверхности газов, шероховатости поверхности и прочее) и в других условиях могут быть иными.
Автор благодарит Д.Ф. Алферова за полезные замечания при обсуждении статьи.
Список литературы
- Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. - М.: Атомиздат, 1972.
- Латам Р. Вакуумная изоляция установок высокого напряжения. - М.: Энергоатомиз- дат, 1985.
- Олендзская Н.Ф. Пробой вакуумного промежутка при переносе между электродами проводящих частиц. - Радиотехника и электроника, 1963, № 3.
- Пошехонов П.В., Соловьев В.И. К вопросу об инициировании вакуумного пробоя макрочастицей. - Электронная техника. Сер. 3. Газоразрядные приборы, 1970, вып. 3(19).
- Рыльская Л.А., Перцев А.А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока. - Электротехника, 1985, № 1.
- Nevrovsky V.A., Pertsev A.A., Rylskaya L.A. On criteria of discharge triggering by macroparticles in vacuum. - XVII-th 1SDEIV, Berkley, California, 1996.
- Сливков И.Н. Минимальная энергия инициирования электрического пробоя в вакууме. -ЖТФ, 1966, т. 36, вып. 6.
- Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000.
- Мартынов Е.П. К анализу электрического разряда между частицей и плоскостью. - Электронная техника. Сер. 10. Технология и организация производства, 1968, вып. 3.
- Мартынов Е.П., Иванов В.А. Микроразряд проводящих частиц и пробой вакуумного промежутка. - Радиотехника и электроника, 1969, №> 11.
- Рыльская Л.А., Перцев А.А. Напряженности на контактах и экранах ВДК при пробоях после отключения тока. - Электротехника, 1989, № 2.