Influence of external axial magnetic field on the characteristics of a high-current arc in a vacuum circuit breaker.pdf Введение При отключении токов вакуумным сетевым выключателем в межэлектродном промежутке формируется дуговой разряд. При относительно малых токах (как правило, не превышающих 6 кА) дуга функционирует в диффузном режиме [1]. При этом эмиссионную роль и роль источника плазмы в разрядном промежутке играют катодные микропятна, равномерно распределенные по поверхности катода, а анод выполняет лишь пассивную роль коллектора заряженных частиц. По мере увеличения тока канал разряда контрагируется под действием собственного азимутального магнитного поля. При этом анод существенно разогревается, на нем формируется анодное пятно, являющееся мощным источником паров и плазмы, что может приводить к изменению самого механизма разряда. Плавление электродов сопровождается их более интенсивным износом, а наличие плотных паров в промежутке в процессе эскалации напряжения негативно сказывается на отключающей способности вакуумного выключателя. Все эти недостатки присущи прежде всего контактам торцевого типа, которые наиболее просты в изготовлении, но не генерируют магнитных полей (кроме азимутального). Поэтому они используются в вакуумных выключателях, предназначенных для отключения относительно слабых ударных токов (до 5-6 кА) [2]. В сильноточных вакуумных выключателях используют контакты специальной формы, в которых при протекании тока генерируются дополнительные магнитные поля. Так, использование контактов с поперечным магнитным полем заставляет дуговой канал вращаться по поверхности электродов, не привязываясь к определенному месту, что снижает тепловую нагрузку на электроды [3]. В настоящее время наиболее перспективными с точки зрения отключения сильных токов являются электроды с аксиальным магнитным полем (АМП). Такие электроды содержат под контактной площадкой короткую катушку, генерирующую АМП при протекании тока самого разряда. Наличие АМП в разрядном промежутке препятствует контрагированию канала разряда и формированию анодного пятна и способствует стабилизации сильноточной вакуумной дуги в диффузном режиме [4]. В результате уменьшается эрозия контактов [5], повышается уровень отключаемых токов и улучшается отключающая способность [6]. Как уже отмечалось, в электродах с АМП поле генерируется протекающим через электрод током, т.е. синхронно с током разряда. Поэтому удельная индукция АМП, выраженная в мТл/кА (обычно до 7-8 мТл/кА), остается практически постоянной на протяжении всего разряда и может быть изменена только путем внесения изменений в конструкцию самих электродов. В этой связи большой интерес представляют лабораторные исследования с возможностью плавного регулирования индукции синхронного АМП. Для создания однородного аксиального магнитного поля в лабораторных условиях обычно используются внешние катушки. В [7] такие катушки были запитаны от внешнего источника постоянного тока. Ток в катушках регулировался, однако при этом АМП не было синхронным с током разряда. Другой вариант состоит в том, что в качестве внешней катушки используются витки провода с протекающим током разряда [8]. Такие катушки создают синхронное АМП, однако очевидным недостатком такого подхода является невозможность плавно менять индукцию поля в широких пределах. В настоящей работе внешние катушки для создания внешнего АМП питаются от отдельного источника тока, который меняется синхронно с током разряда. По амплитуде такое синхронное АМП можно регулировать плавно в широких пределах независимо от амплитуды тока в разрядном промежутке. Подобный подход реализован ранее в работе [9]. Следует отметить, что в [9] использовались электроды с генерацией АМП, т.е. результирующее магнитное поле было суперпозицией внешнего поля и поля от электродов. В настоящей работе использованы модельные плоские электроды (торцевого типа), в которых собственное аксиальное магнитное поле не генерируется. Методика эксперимента Функциональная схема эксперимента представлена на рис. 1. Эксперименты проводились на экспериментальном стенде, выполненном согласно синтетической схеме по Вейлю - Добке [6]. Стенд имитирует переходные процессы, характерные для отключения вакуумным выключателем токов короткого замыкания в линиях электропередач. Данная схема генерирует гармонический импульс тока амплитудой до 15 кА с длительностью по основанию 10 мс, что соответствует промышленной частоте тока 50 Гц. После перехода тока через ноль на промежуток накладывается импульс переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) амплитудой до 41.5 кВ и наперед заданной скоростью нарастания. В нашем эксперименте амплитуда ПВН составляла 26 кВ, скорость нарастания - 1 кВ/мкс. Схема содержит калиброванные датчики для измерения тока дуги и напряжения на промежутке. Эксперименты проводились при остаточном давлении в камере ~ 10-5 Па, поддерживаемом магниторазрядным насосом. Дуговой промежуток формировался двумя идентичными электродами диаметром 2 см. В качестве материала электродов использовался медно-хромовый композиционный материал CuCr35 [10]. Дуговой разряд инициировался размыканием контактов. Электроды разводились со скоростью близкой к 1.3 м/с. Рис. 1. Функциональная схема эксперимента Аксиальное магнитное поле в промежутке создавалось двумя внешними катушками, соединенными последовательно. Каждая катушка состояла из 190 витков со средним диаметром 232 мм. Расстояние между катушками составляло 205 мм. Согласно закону Био - Савара - Лапласса, индукция магнитного поля на оси катушек составляет величину 0.86 мТ на 1 ампер проходящего тока. Ток в катушках обеспечивался от независимого внешнего источника питания. Параметры источника питания подбирались таким образом, чтобы индукция магнитного поля была синхронна с током основного разряда. Амплитуда тока в катушках регулировалась зарядным напряжением. Максимальный ток в катушках составлял величину 225 А, что соответствует индукции магнитного поля 195 мТл. Пример осциллограмм тока разряда, тока в катушках и импульса ПВН представлен на рис. 2. Для приведенного случая ток в катушках составляет величину 112 А, что соответствует индукции магнитного поля 96 мТл. Амплитуда тока разряда составляет 10 кА, соответственно удельная индукция магнитного поля равна величине 9.6 мТл/кА. Далее по тексту будем использовать именно удельную индукцию, рассчитанную таким образом. Рис. 2. Осциллограммы тока разряда, тока во внешних катушках и импульса ПВН после перехода тока через ноль Для визуализации процессов в разрядном промежутке использовалась высокоскоростная видеокамера Photron Fastcam SA1.1. Запуск камеры осуществлялся внешним сигналом синхронно с началом протекания тока через разрядный промежуток. Скорость записи камеры составляла 25000 кадр./с при разрешении кадра 576×384. Время экспозиции фиксировано и равно 1 мкс. Для исследования плотности плазмы после перехода тока через ноль использовался двумерный набор миниатюрных ленгмюровских зондов, более подробно описанный в [11]. Экспериментальные результаты и их обсуждение При исследовании влияния АМП на характеристики дугового разряда проводилась серия испытаний, в которых амплитуда тока дуги фиксировалась, а изменялась только амплитуда тока в катушках, т.е. от импульса к импульсу изменялась удельная индукция АМП. На рис. 3 представлены осциллограммы напряжения дуги из серии импульсов, взятых при различной удельной индукции АМП при амплитуде тока разряда 12 кА. В отсутствие магнитного поля и при относительно низкой удельной индукции (до 6 мТл/кА) напряжение горения разряда имело стабильную фазу, характеризующуюся повышенным уровнем напряжения. Анализ видеокадров показал, что данная фаза соответствует режиму горения интенсивного анодного пятна второго типа [12]. Окончание этой фазы сопровождалось ступенчатым снижением напряжения и генерированием анодного факела, описанного в [13, 14]. Максимальное напряжение горения дуги наблюдалось в фазе горения анодного пятна второго типа в отсутствие магнитного поля, в период времени 5-7 мс. При амплитуде тока дуги 12 кА оно достигало 68 В (рис. 3). Необходимо отметить, что в этой фазе резко уменьшалось количество микропятен на катоде. Основное катодное свечение было представлено в виде макропятна (катодного факела), по яркости и размерам аналогичного анодному пятну и расположенного напротив анодного. На катоде были отчетливо видны зона интенсивного оплавления и эмиссия расплавленных капель из этой зоны. Повышенное напряжение горения разряда и практически полное отсутствие катодных микропятен напрямую указывают на изменение самого механизма разряда по сравнению с диффузным режимом горения и активную роль анодных процессов в этом механизме. Рис. 3. Осциллограммы напряжения горения разряда при различной удельной индукции магнитного поля для тока разряда 12 кА При токе 12-14 кА наличие минимального магнитного поля (до 1.15-1.25 мТл/кА) практически не влияло на напряжение горения разряда. При удельной индукции АМП 3.2 мТл/кА и далее по мерее роста удельной индукции напряжение горения разряда снижалось, а длительность режима с активным анодным пятном уменьшалось как за счет более позднего зажигания, так и за счет более раннего окончания. Стоит отметить, что по мере роста удельной индукции возрастало количество микропятен на катоде. Кроме того, они распределялись более равномерно по поверхности катода. Поперечные размеры катодного макропятна также увеличивались, а яркость заметно спадала. Форма анодного факела, генерируемого при распаде анодного пятна (в момент спада напряжения), по мере роста удельной индукции становилась менее вытянутой. При удельной индукции 9-9.5 мТл/кА наблюдались лишь кратковременные попытки перехода в фазу с повышенным напряжением горения, стационарного режима не достигалось. При дальнейшем росте удельной индукции амплитуда модуляций напряжения дуги резко снижалась, и дуга горела в режиме, близком к диффузному. При максимальной удельной индукции 16 мТл/кА напряжение горения не поднималось выше 52-54 В. В качестве критического мы принимали такое значение удельной индукции, при котором стационарный режим с повышенным напряжением горении дуги отсутствовал, поскольку с практической точки зрения именно он является наиболее актуальным. Рис. 4. Зависимость максимального напряжения горения разряда от тока дуги в отсутствие и при наличии магнитного поля На рис. 4 представлена зависимость напряжения горения разряда от тока разряда в отсутствие магнитного поля и при удельной индукции АМП 14 мТл/кА. Видно, что напряжение горения всегда возрастает с увеличением тока разряда. При приложении внешнего АМП напряжение понижается на 15-20 В относительно исходного значения. Критическая удельная индукция магнитного поля, при которой не наблюдается стационарного режима разряда с повышенным напряжением горения, также растет с ростом тока основного разряда (рис. 5). Рис. 5. Зависимость критической удельной индукции магнитного поля от тока разряда На рис. 6 представлена зависимость напряжения горения разряда от индукции магнитного поля. Видно, что наибольшее влияние магнитное поле оказывает на малые токи (порядка 8-10 кА), при этом напряжение горения снижается более чем в 1.7 раза. По мере увеличения тока разряда влияние АМП снижается и зависимость приобретает более монотонный характер. Рис. 6. Зависимость максимального напряжения горения разряда от индукции магнитного поля при различном токе дугового разряда Для исследования концентрации плазмы после перехода тока через ноль использовался двумерный набор миниатюрных цилиндрических ленгмюровских зондов, работающих в режиме электронного тока насыщения [11]. Анализ полученных данных показал, что с увеличением индукции магнитного поля токи на зонды уменьшаются, прекращение токов происходит практически одновременно для всего массива, а не по очереди. Кроме того, в зондовых токах отсутствуют обрывы, позволяющие восстановить динамику катодного слоя в условиях нарастания напряжения на промежутке, как это было сделано в [11]. Все это указывает на снижение концентрации плазмы в течение горения дуги и последуговой плазмы и более быстрый ее распад. Заключение В работе исследована зависимость основных характеристик сильноточной вакуумной дуги (напряжение и режим горения, плотность последуговой плазмы) от внешнего аксиального магнитного поля, синхронного с током разряда, т.е. такого, удельная индукция которого, выраженная в мТл/кА, остается постоянной в течение всего разряда. Удельная индукция в экспериментах регулировалась в широких пределах. Такой подход является актуальным с точки зрения экспериментального моделирования современных вакуумных выключателей. Показано, что с ростом удельной индукции магнитного поля напряжение горения разряда монотонно понижается. При этом контрагирование разряда и формирование анодного пятна подавляются, т.е. режим горения остается близок к диффузному. В этих условиях плотность последуговой плазмы снижается, ее распад происходит быстрее, а вероятность обратного пробоя промежутка уменьшается. Наибольшее влияние магнитное поле оказывает на характеристики разряда при относительно малых токах. Значения удельной индукции АМП, критические для перехода от контрагированного режима к диффузному, возрастают с ростом амплитуды тока дуги и составляют 7-11 мТл/кА при амплитуде тока 6-14 кА соответственно.

Скачать электронную версию публикации