Study of anode spot transient processes of a high-current vacuum arc with high-speed spectroscopy and videorecording.pdf Введение Генерирование анодного пятна, являющегося интенсивным источником паров и плазмы в условиях сильноточного вакуумно-дугового разряда, является существенным фактором, ограничивающим отключающую способность вакуумных сетевых выключателей [1], и остается предметом пристальных исследований в течение многих лет. Исходя из формы и интенсивности свечения прикатодной и прианодной областей разрядного промежутка, режимы горения дуги традиционно классифицируются на диффузный, при котором макропятна на электродах отсутствуют, режим интенсивной дуги (intense mode), связанный с образованием сжатого канала разряда в условиях сильных токов и малых межэлектродных расстояний, и различные режимы с той или иной активностью анодных процессов: режим «футпойнт» (footpoint mode), режим с активным анодным пятном (anode spot mode) [2]. По результатам недавней серии исследований электрических и спектральных характеристик предложена дополнительная классификация режимов горения дуги с анодным пятном первого и второго типов [3, 4]. Режим с анодным пятном второго типа характеризуется формированием как прианодной, так и обширной прикатодной области свечения (катодного макропятна) и сжатого канала разряда в условиях относительно больших межэлектродных расстояний, а также повышенным на 10-20 В напряжением горения, что напрямую указывает на активную роль анодного и катодного макропятен в механизме функционирования разряда [3, 5]. Исследования динамики перехода между различными режимами горения демонстрируют высокую скорость изменения спектрального состава и структуры свечения разряда с временем перехода в десятки и единицы микросекунд [5-7]. При этом особую актуальность приобретают исследования с регистрацией спектра анодного пятна не в отдельные моменты времени, как в [3, 7], а с непрерывной временной разверткой, что и представлено в настоящей работе. Методика эксперимента Схема эксперимента приведена на рис. 1. Эксперимент проводился в динамически откачиваемой вакуумной камере при остаточном давлении ~ 10-5 Па. Разрядный промежуток был образован двумя электродами торцевого типа диаметром 20 мм, выполненными из псевдосплава CuCr40. Гармонический полупериод тока амплитудой до 15 кА длительностью 10 мс, моделирующий ток промышленной частоты, формировался высокодобротной цепью C0L0 (С0 = 60 мФ, L0 = 167 мкГн) с тиристором VT0 в качестве коммутатора. Дуговой разряд инициировался размыканием контактов на начальном этапе протекания импульса тока. Подвижным являлся катодный электрод, его скорость в процессе размыкания была практически постоянна и близка к 1.3 м/c. Внешние магнитные поля к разрядному промежутку не прикладывались. Для регистрации осциллограмм тока и напряжения горения дуги служили низкоомный шунт Rsh в цепи катода и предварительно калиброванный резистивный делитель напряжения (на схеме не показан). Рис. 1. Схема эксперимента Для исследования динамики спектра излучения использовалась комбинация спектрографа Spectra Pro SP-2300 с длиной оптической базы 300 мм и тремя сменными дифракционными решетками (150, 300 и 1200 лин./мм) и скоростной стриковой камеры (хронографа) Hamamatsu C10910, а также цифровой камеры Hamamatsu C10600 для записи изображений с экрана хронографа. Изображение разрядного промежутка фокусировалось на входную щель спектрографа с пятнадцатикратным уменьшением. Входная щель спектрографа была ориентирована в направлении катод - анод (не так, как на схеме на рис. 1), щель на входе стриковой камеры - ортогонально. Ширина щелей составляла 25 и 30 мкм соответственно. Таким образом, двумерная картина на выходе стриковой камеры представляет собой развернутый по времени спектр излучения плазмы, причем регистрируемое излучение исходит из области прямоугольного сечения размером (с учетом фактора масштабирования 15) приблизительно 0.350.42 мм. Изображение юстировалось таким образом, что актуальная исследуемая область располагалась в месте наиболее вероятного появления анодного пятна, а расстояние от поверхности анода составляло 0.8 мм. В большей части экспериментов использовалась дифракционная решетка 300 лин./мм, обеспечивающая приемлемое спектральное разрешение, и спектральный диапазон 423-469 нм, содержащий линии нейтральных атомов, одно- и двухзарядных ионов материала электродов. Длительность развертки хронографа составляла 1 мс. Скоростная видеорегистрация разряда производилась двумя видеокамерами: Photron Fastcam SA1.1, установленной с противоположного по отношению к спектрографу направления, и Evercam-3000-4-M, установленной сбоку, как показано на рис. 1. Для обеих камер скорость регистрации зависела от размера кадра (количества пикселей). Скорость съемки первой камеры составляла 100 тыс. кадров в секунду при размере кадра 192176, а второй камеры - 5 тыс. кадров в секунду при разрешении 640480. Таким образом, первая камера предназначалась для скоростной регистрации с ущербом качеству кадра, приоритетом второй камеры была более качественная регистрация структуры разряда. Длительность экспозиции на обеих камерах составляла 1 мкс. Экспериментальные результаты и их обсуждение Типичный набор данных, характеризующий процессы при переходе разряда в режим горения с активным анодным пятном, представлен на рис. 2-4. На рис. 2 приведены осциллограммы тока и напряжения горения и отдельные кадры, снятые второй видеокамерой (сбоку). Амплитуда импульса тока составляла 5 кА. Размыкание контактов произведено с минимальной задержкой в несколько десятков микросекунд после начала импульса тока. Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения горения дуги (а) и отдельные кадры, снятые видеокамерой № 2 (б) На начальном этапе разряда напряжение горения возрастает плавно с ростом тока и межэлектродного расстояния с 22-23 до 33-35 В к третьей миллисекунде разряда. На этом этапе разряд имеет диффузную форму с катодными микропятнами, распределенными практически однородно по поверхности электрода; некоторое количество микропятен достигает его боковой поверхности. Анодное свечение зарождается к третьей миллисекунде разряда в форме узкой области, вплотную граничащей с поверхностью анода, что соответствует режиму «footpoint». Начиная с момента времени ~ 3.8 мс разряд стационарно функционирует в режиме активного анодного пятна 2-го типа. Характерными особенностями этого режима являются повышенное на 20-25 В напряжение горения, наличие как анодного, так и обширного катодного макропятен, располагающихся напротив друг друга. При относительно малых токах (< 3-4 кА) и межэлектродном зазоре (< 3-5 мм) анодное и катодное макропятна остаются узкими в осевом направдении, имеют четкую границу и разделены темным пространством. С ростом межэлектродного расстояния, начиная с тока 4-5 кА, пространственная структура анодного пятна приобретает трехслойный характер (см. кадр в момент времени t = 5.58 мс на рис. 2). Как показывают результаты исследований [6, 8], различные пространственные слои в таком факеле соответствуют различному зарядовому составу частиц. С ростом амплитуды тока до 7-8 кА и выше катодный макрофакел и средний слой анодного факела, состоящий премущественно из ионизованного материала, перекрываются и образуют сплошной канал разряда. Кроме того, важной отличительной особенностью функционирования дуги в таком режиме является резкое уменьшение количества микропятен на катоде, особенно на боковой поверхности контактной площадки и областях, отстоящих на удалении от оси разряда, т.е. на периферии катодного макрофакела. В целом, все факторы свидетельтвуют о существенном изменении характера разряда, связанном, по-видимому, с подключением конкурирующих механизмов электронной эмиссии и переноса тока и ионизации в промежутке по механизму газового разряда в парах материала электродов. Промежуток времени t = 3-3.8 мс является переходным от диффузного режима горения дуги к режиму с активным анодным пятном второго типа. В отрезок времени t = 2.95-3.95 мс, показанный на рис. 2, была записана спектрохронограмма свечения прианодной области разрядного промежутка. Она представлена на рис. 3. Расшифровка линий в спектре производилась с использованием базы данных спектральных линий [9] и облегчалась тем, что линии разных компонентов имели существенно различную динамику во времени. Так, характерные спектральные профили для двух отрезков времени, t = 3.57-3.58 и 3.39-3.44 мс, приведены в нижней части рис. 3. В первом из приведенных профилей в спектре преобладают линии нейтральных атомов, включая хорошо известные резонансные атомные линии хрома Cr I, = 425.43, 427.48 и 428.97 нм. Во втором профиле в спектре широко представлены ионные линии. Совмещение временных профилей отдельных спектральных линий с осциллограммами тока и напряжения горения дуги в актуальный отрезок времени t = 2.95-3.95 мс приведено на рис. 4. В нем построены профили трех спектральных линий, излучаемых частицами различного зарядового состояния: нейтральными атомами (Cr I, = 427.48 нм), однозарядными (Cr II, = 462.76 нм) и двухзарядными ионами (Cu III, = 437.08-437.34 нм). На этом же рисунке приведен ряд видеокадров, снятых камерой № 1. Маркер (+) на кадрах соответствует положению актуальной области регистрации спектрохронограммы. До начала переходных процессов (t = 2.95-3.1 мс) разряд по характеру распределения катодных микропятен функционирует в режиме, близком к диффузному. Однако, как отмечалось выше, на аноде присутствует тонкая область свечения (см. кадр t = 2.98 мс на рис. 2). Как следует из анализа спектральных данных (рис. 3 и 4), анодное свечение в этот период обусловлено, главным образом, излучением двухзарядных ионов. Перед окончательным переходом разряда в стационарный режим с повышенным напряжением горения (t = 3.78 мс) имели место две попытки такого перехода. В первой из них, на отрезке времени t = 3.1-3.25 мс, напряжение горения дуги возрастает c 35-36 до 58-60 В и тут же резко обрывается. Во второй попытке (3.25-3.6 мс) можно наблюдать переход разряда в режим с повышенным напряжением, стационарное плато и обратный переход. Именно для этого отрезка приведены видеокадры разряда как в период роста напряжения (верхний ряд), так и при обратном спаде (нижний ряд). Рассмотрим этот отрезок более подробно. Перед началом роста, т.е. при t = 3.25-3.26 мс, напряжение горения дуги минимально и составляет приблизительно 34 В. При этом анодное свечение представлено, в основном, линиями двухзарядных ионов, а на фотографиях имеет вид узкой полоски («footpoint»). На катоде макропятно практически отсутствует, присутствует лишь значительное количество микропятен, как в режиме диффузного горения дуги (см. кадр t = 3.26 мс на рис. 4). Таким образом, спектральные характеристики и форма разряда практически идентичны вышеописанному периоду t = 2.95-3.1 мс до начала переходных процессов (кадр t = 2.98 мс на рис. 2). Рис. 3. Негатив спектрохронограммы в отрезок времени t = 2.95-3.95 мс и спектральные профили в отрезки времени 3.57-3.58 мс (кр. 1) и 3.39-3.44 мс (кр. 2) В интервале времени t = 3.26-3.36 мс напряжение горения возрастает до уровня 46-50 В. При этом излучение в линиях однозарядных ионов усиливается, а в линиях двухзарядных ионов ослабевает. В этот период напряжение бывает сильно модулировано, всплескам напряжения соответствуют всплески интенсивности линий однозарядных ионов и провалы интенсивности в линиях двухзарядных ионов, и наоборот. Интересно, что при этом характер свечения анодного пятна практических не меняется; лишь по мере постепенного роста напряжения горения несколько увеличиваются яркость и видимая толщина пятна. Катодное свечение претерпевает более существенные изменения. Напротив анодного пятна над поверхнотью катода формируется обширное макропятно, по яркости сравнимое с анодным. По мере роста напряжения горения возрастают размер катодного макропятна и яркость обоих пятен. Кроме того, формируется темное пространство, разделяющее катодное и анодное пятна, в результате чего повышается контрастность картины. Наконец, важнейшее замечание касается катодных микропятен. Их количество и локализация в этот отрезок времени не претерпевают радикальных изменений. Завершающий этап перехода в режим с повышенным напряжением горения (56-60 В) происходит в течение интервала времени t = 3.37-3.39 мс. В этот период резко и почти синхронно с напряжением горения дуги возрастает интенсивность линий двухзарядных ионов. Интенсивность линий однозарядных ионов также возрастает, по времени опережая не только рост линий двухзарядных ионов, но даже рост напряжения горения разряда. Яркость и видимый размер как анодного пятна, так и катодного макропятна сильно увеличиваются. Важно отметить, что именно в этот временной отрезок резко сокращается количество катодных микропятен, как было описано выше (см. кадры t = 3.37 и 3.40 мс на рис. 4, а также кадр t = 3.38 мс на рис. 2). Рис. 4. Осциллограммы тока и напряжения горения дуги и временные профили спектральных линий с длиной волны излучения = 427.48 нм (Cr I), 462.76 (Cr II) и 437.08-437.34 нм (Cu III) в переходный период t = 2.95-3.95 мс (внизу) и отдельные кадры, снятые камерой № 1 (вверху) За время стационарного «плато» в интервале t = 3.39-3.55 мс свечение разряда по форме не претерпевает принципиальных изменений. Особенность в динамике спектрального состава в этот период состоит в том, что интенсивность линий однозарядных ионов постепенно снижается, в отличие от линий двухзарядных ионов и нейтралов. Обратный переход в режим «footpoint» (t = 3.56-3.59 мс) сопровождается резким спадом интенсивности ионных линий и столь же резкой, но кратковременной вспышкой света в атомных линиях спектра. Весь процесс такого перехода занимает не более 30 мкс. Заметим, что спад напряжения горения происходит за более короткое время, порядка 1-2 мкс, а изменения в спектре начинаются еще до его спада. На спектрохронограмме и временных профилях хорошо видно, что интенсивность линий однозарядных ионов спадает практически «до нуля», в отличие от линий двухзарядных ионов, интенсивность которых ослабевает до некоторого уровня, приблизительно соответствующего режиму анодного свечения «footpoint». Основные изменения формы свечения при обратном переходе привязаны по времени к спаду напряжения горения разряда. Так, на кадре в момент t = 3.57 мс на рис. 4 запечатлен процесс распада катодного макропятна с немедленным появлением катодных микропятен и ростом их яркости. На следующих кадрах видно формирование обширного анодного выступа - «протуберанца» (t = 3.58 мс), его практически полное исчезновение (t = 3.59 мс) и окончательное формирование режима «footpoint» (t = 3.60 мс). Детальная структура анодного протуберанца, снятая второй камерой, представлена на рис. 2 (кадр t = 3.58 мс). Протуберанец состоит из двух пространственных областей 1 и 2, разделенных четкой границей. Спектральный состав излучения этих областей исследован ранее в [8]. Внутренняя область 1 в основном содержит нейтральные пары, внешний ореол 2 - в основном однозарядные ионы. Динамика атомных линий спектра в настоящей работе полностью согласуется с таким представлением пространственно-зарядовой структуры протуберанца. Описанные динамика спектра и формы свечения промежутка в целом справедливы как для незавершенного перехода в интервале времени t = 3.1-3.25 мс, так и для процессов при окончательном переходе в стационарный режим с повышенным напряжением (t = 3.65-3.78 мс). При увеличении амплитуды тока начало переходных процессов сдвигалось ближе к началу импульса, а переходный период занимал меньшее время и содержал высокочастотную последовательность всплесков напряжения, подобных незавершенному переходу в интервале t = 3.1-3.25 мс, и мог вовсе не иметь участков с длительным плато, таких, как в интервале t = 3.25-3.6 мс. При этом динамика и особенности спектра и форм свечения разряда в целом соответствовали вышеописанным. Заключение В настоящей работе методами скоростной видеорегистрации и спектрохронографии прианодной области сильноточного вакуумно-дугового разряда с медь-хромовыми электродами исследованы переходные процессы плазмообразования в анодном пятне сильноточной вакуумной дуги. Установлено, что в начальной стадии формирования анодного свечения спектр излучения прианодной области содержит, в основном, линии двухзарядных ионов. При переходе разряда в режим с повышенным напряжением горения вначале по мере относительно медленного роста напряжения появляется излучение однозарядных ионов, а яркость линий двухзарядных ионов снижается. Затем в процессе быстрого окончательного роста напряжения, которое достигает 20-25 В относительно начального уровня, происходит сильный рост интенсивности линий двух и однозарядных ионов, причем по времени линии однозарядных ионов всегда опережают линии двухзарядных. По нашему мнению, конкуренция линий одно- и двухзарядных ионов в меньшей степени может быть связана с особенностями пространственного распределения ионов различной зарядности и в большей степени - с изменением режима горения разряда. В режиме с повышенным напряжением горения над поверхностью катода формируется яркое макропятно, а количество катодных микропятен резко уменьшается, что напрямую указывает на возрастание роли механизмов газового разряда. При обратном переходе напряжение горения снижается за время 1-2 мкс, с такой же скоростью распадается катодное макропятно, а анодное пятно на короткое время приобретает форму расширяющегося протуберанца, внутренняя область которого излучает в линиях нейтральных атомов.

Скачать электронную версию публикации