Рыльская Л.А., Перцев А.А.
Известно [1], что существует повышенная вероятность пробоев межконтактного промежутка (КП) вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в первые доли секунды после отключения тока. Пробои инициируются свободными макрочастицами, которые образуются из-за разрушения поверхности контактов при их смыкании, а также под действием дугового разряда. Под действием рабочего напряжения частицы многократно переносятся с контакта на контакт. Часть из них выбрасывается за пределы КП. Частицы обладают скоростями до нескольких метров в секунду, поэтому могут оказаться в любом из межэкранных промежутков (ЭП) и вызвать их пробои. Поток частиц из КП не является стационарным. Напротив, максимальный сразу после операции отключения, он через десятые доли секунды практически прекращается. Такой характер первичного потока должен приводить к соответствующей динамике количества частиц в ЭП и задавать временной ход вероятности их пробоев. Цель работы - определить влияние потока макрочастиц из КП на частость пробоев ЭП.
Схема ВДК и электрических соединений приведена на рис.1а. Для усиления внутренней изоляции корпуса ВДК и защиты его от металлизации применены экраны 1-5, из которых экраны 2-4 изолированы один от другого и от обоих контактов. В условиях эксплуатации экраны 2-4 находятся под «плавающим» потенциалом. Смежными экранами образуются межэкранные промежутки ЭП-ЭП4. В эти промежутки могут попадать частицы из КП и провоцировать в них пробои. Расстояние между КП и ЭП]-ЭП4 лежит в пределах 0,1-0,2 м. Контактами ВДК отключался ток 140-520 А при напряжении на промежутках ЭП]-ЭП4 24-29 кВ промышленной частоты.
На рис. 1 приведена схема электрических соединений для набора данных о распределении времени пробоев ЭПу Через резистор 50 кОм к этому промежутку прикладывалось напряжение, воздействующее на ВДК. К промежуткам
Puc.l. Схема электрических соединений при исследовании пробоев межэкранных промежутков вакуумной дугогасительной камеры (а) и осциллограммы отключаемого тока и напряжения на промежутке ЭП1 (б, в):
1-5 - экраны; ЭП]-ЭП4 - межэкранные промежутки; КП - межкон- тактный промежуток; В - выключатель; Rr R, - резисторы по 50 кОм; С= 3 10'4 мкФ; С,=310"2 мкФ; 7’1-7V1 - время пробоев; ТЛ-Т\ - моменты восстановления электрической прочности.
ЭП-ЭПА напряжение не прикладывалось. Благодаря форсированию электрического режима пробои промежутка ЭЯ, наблюдались практически при каждой операции отключения тока. Возникновение пробоев фиксировалось по изменению напряжения на ЭЯр для чего использовались делитель напряжения Ср С2 и электронный осциллограф с механической разверткой. Пример записи пробоев промежутка ЭЯ, приведен на рис. 1, б, в. Время пробоев Г, и V, отсчитывалось от момента t= 0, когда происходило отключение тока. Видно, что при возникновении пробоев напряжение на ЭЯ, в масштабе осциллограммы падает до нуля, что свидетельствует о возникновении дугового разряда, который самопроизвольно в результате явления среза тока прерывался через несколько миллисекунд.
Схема для регистрации времени пробоев промежутка ЭЯ2 была аналогичной, с той разницей, что резистор Л, и делитель Ср С2 присоединялись к экрану 2, а экран 1 соединялся с «землей» через резистор R= 50 кОм. Эти соединения на рис. 1 ,а указаны пунктиром.
Пробои, возникающие в испытуемом ЭЯ, не приводили к зажиганию дуги в других ЭЯ, так как появляющееся на них в это время напряжение было существенно меньше пробивного.
На промежутках ЭЯ3 и ЭЯ4 измерения не делались, поскольку эти промежутки идентичны по конфигурации и расположению относительно контактов промежуткам ЭЯ2 и ЭЯ,.
Последовательность операций при проведении каждого опыта была следующей: при снятом с ВДК напряжении (выключатель В отключен) смыкались ее контакты; включался выключатель В, и через контакты ВДК пропускался ток 1= 140^-520 А в течение 1 -3 полупериодов промышленной частоты; контакты размыкались, и ток отключался; ВДК в течение примерно 0,5 с оставалась под действием возвращающегося напряжения U= 25+29 кВ, которое затем снималось отключением выключателя В.
Всего сделано 75 опытов, в которых пробои межэкранных промежутков наблюдались 53 раза. Предварительная обработка не выявила существенной разницы в распределении времени возникновения пробоев в ЭП] и в ЭЯ2, поэтому данные, полученные при испытаниях этих промежутков, объединены (таблица). Самые поздние пробои межэкранных промежутков наблюдались через 0,35 с, самые ранние - во время действия переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН).
* Пробои, происшедшие в интервале 0 — 5 мс, исключены из статистической обработки, поскольку в это время напряжение на промежутке искажено переходным процессом.
По данным таблицы построена гистограмма времени пробоев промежутков ЭЯ, и ЭЯ, (кривая 1, рис. 2). Доверительные границы гистограммы оценены при доверительной вероятности 0,7. Из гистограммы видно, что около 60% пробоев произошли в интервале времени 5-50 мс, остальные 40% - в последующие 300 мс. Существенное увеличение плотности пробоев в интервале 5-50 мс исключает аппроксимацию гистограммы одной экспонентой, как это было возможно при аппроксимации аналогичной гистограммы для времени пробоев межконтактного промежутка.
Из представлений [1] о динамике макрочастиц следует, что при операции отключения из МП исходит экспоненциально затухающий поток частиц, назовем их «новыми», которые долетают до ЭП. Фронт потока в его движении к ЭП размывается, поэтому число новых частиц в ЭП сначала увеличивается, проходит через максимум, а затем также экспоненциально уменьшается.
В соответствии с изменением числа частиц в ЭП изменяется вероятность его пробоев. Пробои ЭЯ, обусловленные новыми частицами (рис. 2, кривая 2), возникают через 10-20 мс после отключения тока, за которые преодолевается расстояние от контактов до ЭЯ достаточно крупными (больше 0,1 мм) и поэтому относительно медленными (v< 10 м/с) частицами, способными инициировать пробои при указанном напряжении. Затем вероятность пробоев возрастает, достигая максимума, после которого экспоненциально уменьшается. Параметры экспоненты определены из условия аппроксимации
Рис. 2. Гистограмма времени пробоев межэкэкранных промежутков (1); распределение, обусловленное «новыми» частицами (2); распределение, обусловленное «старыми» частицами (3), и аппроксимирующая его функция (4).
Чтобы показать, что старые частицы могут дать указанное распределение, рассмотрим изменение числа пробоев межэкранного промежутка, «загрязненного» старыми частицами при приложении к нему напряжения в момент /=0. Очевидно, что плотность вероятности времени пробоев /?(/), вызванных этими частицами, пропорциональна их числу n{t) и количеству перелетов с электрода на электрод в единицу времени;
(1)
ею гистограммы 1 на участке />100 мс (рис. 2). Кривая 2 на участке /<100 мс, где экспонента существенно расходится с гистограммой, построена качественно путем плавного сопряжения точки начала кривой 2 с экспонентой. Несмотря на произвольность такого построения, невозможно допустить ошибку, приводящую к принципиально иной трактовке результатов.
Площадь, ограниченная кривой 2 (рис. 2), существенно меньше площади гистограммы 1. Из этого факта следует, что инициирование пробоев межэкранных промежутков обусловливается не только новыми частицами, залетающими в них из межконтактного промежутка при выполнении данной операции отключения, но и «старыми» частицами, которые попали на экраны при выполнении предшествующих коммутационных операций и активизировались под действием возвращающегося напряжения и вибраций камеры. Распределение частости пробоев, вызванных старыми частицами (кривая 3, рис. 2), получим, как разность ординат между гистограммой 1 и кривой 2.
Здесь С, - коэффициент пропорциональности; v(t) - скорость частиц; d - расстояние между электродами. Скорость и число частиц изменяются со временем; скорость нарастает, пока не достигнет значения v ; число частиц убывает, поскольку они со временем оказываются за пределами промежутка.
Если считать, что к межэкранному промежутку приложено не переменное, а постоянное напряжение и поле в промежутке однородно, то можно получить аналитическое выражение зависимости p(t).
Рис. 3. Абсолютные значения скорости сферической частицы при многократных перелетах с электрода на электрод.
При этом выводы аналогичны качественно случаю приложения переменного напряжения к промежутку с неоднородным полем. Увеличение скорости частицы при многократных перелетах с электрода на электрод иллюстрируется на рис. 3, где представлена зависимость от времени абсолютных значений скорости сферической частицы в промежутке с однородным электрическим полем при постоянном напряжении и коэффициенте отражения по скорости /£=0,8. Эта зависимость может быть аппроксимирована экспонентой с постоянной тс
(2)
Количество частиц, находящихся в промежутке, убывает по экспоненциальному закону [ 1 ]
(3)
где по - число частиц в промежутке в момент t=0; тзм - постоянная убыли числа частиц в межэкранном промежутке.
Подставляя (2) и (3) в (1), получаем:
График функции p(t), согласно (4) при С2=72 х = Т)п=0,02 с приведен на рис. 2 (кривая 4), откуда видно, что эта кривая аппроксимирует распределение 3. Эмпирические значения постоянных времени т и т находятся в разумных пределах.
Соответствие кривой 4 распределению 3 доказывает, что старые частицы действительно могут сохраняться на экранах секций и в последующем вызывать пробои.
Накопление частиц на электродах промежутка происходит эффективнее при отсутствии на нем напряжения, поскольку при этом действию силы адгезии не противостоит отрывающая частицу сила электрического поля. Накопление частиц, хотя и в меньшей степени, происходит и в нормальном режиме эксплуатации ВДК, когда к ЭП приложено относительно малое напряжение. При коммутационных и других перенапряжениях накопленные на экранах секций частицы активизируются, перелетают с экрана на экран и могут вызвать пробои «собственного», а при вылете из него - пробои других промежутков. В этом отношении межконтактный промежуток не является исключением. До него также могут долетать частицы из межэкранных промежутков и инициировать пробои между контактами.
Результат этого процесса можно увидеть, если в одном из межэкранных промежутков «накопить» частицы, сняв с него напряжение, а затем стимулировать их выход путем подачи напряжения. При этом «накопленные» частицы будут провоцировать дополнительное число пробоев межконтактного промежутка. На рис. 4 приведена экспериментальная зависимость частости пробоев межконтактного промежутка от числа опытов. Видно, что межконтактный промежуток подвергался тренировке, частость его пробоев постепенно уменьшалась и к опыту 35 составляла около 0,06 пробоя на опыт. С опыта 36 (опыт А), когда вместо межэкранного промежутка ЭП] был включен под напряжение промежуток ЭЯ2, произошло примерно пятикратное увеличение частости пробоев /<77, которое продолжалось в течение десяти опытов. Затем частость
Рис. 4. Скачок частости пробоев межконтактного промежутка ВДК (р р - верхняя и нижняя доверительные границы при доверительной вероятности 0,7).
уменьшилась практически до нуля. Противоречие между тем, что для удаления частиц из межэкранного промежутка требуется время примерно 0,1 с (кривая 4, рис. 2), а для прекращения влияния старых частиц из ЭП на частость пробоев КП потребовался десяток опытов, т.е. время на порядок большее, является кажущимся. Следует учитывать, что при каждом опыте при смыкании и размыкании контактов камера подвергается ударам и вибрациям и в процесс оказываются вовлеченными частицы, которые в предшествующих опытах находились в местах межэкранного промежутка с пониженной напряженностью электрического поля и не приходили в движение [2].
Роль частиц из межэкранных промежутка как фактора, провоцирующего пробои межконтактного промежутка, оказывается весьма заметной и по своей эффективности превосходит плазменный механизм поджига, под которым понимается процесс, когда вследствие пробоя межэкранного промежутка и попадания плазмы из него в межконтактный промежуток происходит пробой последнего. Насколько неэффективен плазменный механизм поджига, можно судить по тому, что 53 пробоя межэкранных промежутков не спровоцировали ни одного пробоя межконтактного промежутка.
Полученные результаты могут быть также полезны при проектировании внутренней изоляции электровакуумных приборов, в которых случайно или преднамеренно могут поджигаться дуговые разряды.
Список литературы
- Рыльская Л.А., Перцев А. А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения токаЮлектротехника, 1985, № 1.
- Frral G.A., HuddaF.G. The movement of elongated metal particles under highvoltage stress in vacuum//J. Appl. Phys. 1980, № 51 (9).