Influence of a pulse axial magnetic field on a high-current arc of a vacuum circuit breaker.pdf Введение На сегодняшний день вакуумные выключатели широко применяются в среднем классе напряжений [1]. Почти все выключатели имеют механизм формирования собственного магнитного поля за счет протекания тока разряда по контактам специальной формы. Такие контакты формируют либо аксиальное магнитное поле, либо радиальное магнитное поле в разрядном промежутке [2]. Использование контактов с поперечным магнитным полем заставляет дуговой канал вращаться по поверхности электродов, не привязываясь к определенному месту, что снижает тепловую нагрузку на электроды [2, 3]. Однако большее предпочтение отдается контактам, генерирующим аксиальное магнитное поле, поскольку они обладают лучшей отключающей способностью [4]. При отключении токов вакуумным сетевым выключателем в межэлектродном промежутке формируется дуговой разряд. При относительно слабых токах (до 6 кА) дуга функционирует в диффузном режиме [5]. При этом эмиссионную роль и роль источника плазмы в разрядном промежутке играют катодные пятна, равномерно распределенные по поверхности катода, а анод выполняет лишь пассивную роль коллектора заряженных частиц. С увеличением тока под действием собственного азимутального магнитного поля канал разряда контрагируется. При этом анод существенно разогревается, на нем формируется анодное пятно. Как правило, анодное пятно является мощным источником паровой фазы и плазмы. Плавление электродов сопровождается их более интенсивным износом, а наличие плотных паров в промежутке в процессе нарастания 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 их используют в вакуумных сетевых выключателях, предназначенных для отключения относительно слабых ударных токов (до 5-6 кА) [6]. В настоящее время наиболее перспективными с точки зрения отключения сильных токов являются электроды, генерирующие аксиальное магнитное поле (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 [7]. В результате уменьшается эрозия контактов [8], повышается уровень отключаемых токов и улучшается отключающая способность [9]. 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 АМП и несинхронным магнитным полем относительно основного тока разряда. Для создания однородного аксиального магнитного поля в лабораторных условиях обычно используются внешние катушки. В [10] 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 [11]. Такие катушки создают синхронное АМП, однако очевидным недостатком данного подхода является невозможность плавно менять индукцию поля в широких пределах. Настоящая работа посвящена исследованию влияния несинхронного магнитного поля на характеристики вакуумно-дугового разряда в вакуумном сетевом выключателе. Стоит отметить, что подобный подход реализован ранее в работе [12]. Однако в ней 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 Схема эксперимента представлена на рис. 1, а. Эксперименты проводились на экспериментальном стенде, выполненном по синтетической схеме Вейля - Добке [9]. Стенд имитирует переходные процессы, характерные для отключения вакуумным выключателем токов короткого замыкания в линиях электропередач. Данный стенд 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 нуль на промежуток накладывается импульс переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) амплитудой до 41.5 кВ с заданной скоростью нарастания. Однако в наших экспериментах импульс ПВН не прикладывался. 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 [13]. Дуговой разряд инициировался размыканием контактов. Электроды разводились со скоростью близкой к 1.3 м/с. Рис. 1. Принципиальная электрическая схема эксперимента (а) и осциллограмма тока и напряжения горения разряда в отсутствие внешнего магнитного поля (б) Аксиальное магнитное поле в промежутке создавалось двумя внешними катушками, соединенными параллельно. 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 0.866 мТл на 1 А проходящего тока. Ток в катушках обеспечивался от независимого внешнего источника питания. Параметры источника питания подбирались таким образом, чтобы длительность магнитного поля была 1.5, 2.8 и 4.5 мс. Длительность магнитного поля 10 мс подробно рассмотрена в работах [14, 15]. Амплитуда тока в катушках регулировалась зарядным напряжением. 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 25 000 кадров в секунду при разрешении кадра 576×384. Время экспозиции фиксировано и равно 1 мкс. Экспериментальные результаты и их обсуждение Исследование влияния внешнего аксиального короткого магнитного поля проводилось при фиксированной амплитуде основного тока разряда (6.5 кА). Менялась только длительность импульса магнитного поля и время его включения относительно начала протекания основного тока разряда в промежутке. На рис. 2 представлена осциллограмма напряжения горения разряда и импульса короткого магнитного поля длительностью 1.5 мс, приложенного в различные моменты времени. В первом случае (1) магнитное поле прикладывалось практически сразу после инициирования дугового разряда в промежутке. Видно, что приложенное магнитное поле (промежуток времени 1-2.5 мс) практически не влияет на начальную стадию горения разряда. Лишь незначительно понижается напряжение горения. После окончания действия магнитного поля, разряд переходит в контрагированную стадию с образованием анодного пятна. Во втором случае (2) магнитное поле прикладывается через 6 мс после начала протекания тока. Видно, что до момента приложения магнитного поля напряжение горения совпадало со случаем (1). По мере роста поля напряжение начинает понижаться. В момент времени 6.5 мс наблюдается резкое понижение напряжения горения. Это свидетельствует о переходе разряда из контрагированного в диффузную форму. В данном случае индукция магнитного поля в пике достигала значения 142 мТл. В момент воздействия магнитного поля напряжение горения разряда понизилось с 55 до 38 В. Начало понижения напряжения горения происходит примерно через 250 мкс после приложения импульса магнитного поля. Скорее всего, это связано с тем, что в начальный момент времени индукция магнитного поля слишком маленькая и ее значение ниже собственного азимутального поля. Минимальное напряжение достигается спустя примерно 1 мс после начала импульса уже на спадающей части. Рис. 2. Осциллограмма напряжения горения разряда и импульса короткого магнитного поля, приложенного в различные моменты времени (первый случай - (1), второй случай - (2)). I - ток в катушках, t - время горения разряда, U - напряжение горения разряда В следующей серии экспериментов длительность магнитного поля была увеличена. На рис. 3 представлены осциллограммы короткого магнитного поля длительностью 2.8 мс, приложенные в различные моменты времени. Как и в предыдущем случае, поле, приложенное в начальный момент времени (рис. 3, случай (1)), практически не влияло на характеристики разряда и лишь незначительно понижало напряжение горения. После его окончания разряд переходил в контрагированную стадию. В этой серии экспериментов индукция магнитного поля в пике достигала значения 253 мТл. В заключительной серии экспериментов длительность магнитного поля была увеличена до 4.5 мс. Приложение импульсов в начальной и конечной стадиях горения разряда практически не отличалось от предыдущих двух серий экспериментов, т.е. если импульс прикладывался вначале размыкания контактов, то после его окончания разряд переходил в стационарный контрагированный режим. Рис. 3. Осциллограмма напряжения горения разряда и импульса короткого магнитного поля длительностью 2.8 мс, приложенного в различные моменты времени (первый случай - (1), второй случай - (2), третий случай - (3)). I - ток в катушках, t - время горения разряда, U - напряжение горения разряда Рис. 4. Осциллограмма напряжения горения разряда и импульса короткого магнитного поля длительностью 4.5 мс. I - ток в катушках, t - время горения разряда, U - напряжение горения разряда (а) и серия фотографий разрядного промежутка в различные моменты времени (б) На рис. 4 представлены осциллограммы для длительности импульса 4.5 мс, приложенного в 3 мс относительно начала протекания тока основного разряда. Видно, что при задержке импульса магнитного поля 3 мс разряд не успевает выйти на стационарный режим с анодным пятном (как, например, на рис. 3 в случаях (1) и (3)). В промежуток времени 2.5-3 мс наблюдаются нестационарные процессы формирования анодного пятна (рис. 4, б), подробно описанные в [16]. Поскольку в момент времени 3 мс начинает нарастать магнитное поле, то стационарное анодное пятно не успевает сформироваться. Под действием поля разряд возвращается в диффузный режим. Напряжение снижается до уровня 35 В и остается постоянным на промежутке времени 3.5-7.5 мс. Серия снимков разрядного промежутка показывает, что в это время дуговой разряд функционирует в диффузном режиме, анодное пятно отсутствует (рис. 4, б, момент времени 7.00 мс). После окончания действия магнитного поля напряжение горения повышается, и канал разряда под действием собственного магнитного поля пытается перейти в контрагированный режим. Поскольку ток основного разряда уже снижается, разряд не успевает выйти на стационарный режим с активным анодным пятном. Однако попытки формирования анодного пятна подтверждаются фотографией разрядного промежутка, представленной на рис. 4, б в момент времени 7.80 мс. На рис. 5 представлены осциллограммы напряжения горения разряда и тока в катушках для длительности импульса магнитного поля 4.5 мс, приложенного через 4 мс после начала протекания тока через разрядный промежуток. Анализ показал, что с момента времени 2 мс разряд функционирует в режиме нестабильного анодного пятна [16]. Этот режим продолжается до момента 3.2 мс. Начиная с 3.2 мс, разряд переходит в режим с анодным пятном (рис. 5, б), который продолжается до момента времени 4.2 мс. Несмотря на то, что в 4 мс было приложено магнитное поле, его значение было еще достаточно низким и не влияло на характеристики разряда. С момента времени 4.2 мс роль магнитного поля увеличивается, и напряжение горения начинает снижаться, хотя анодное пятно продолжает функционировать. Полностью анодное пятно распадается к моменту 4.6 мс, но разогретая область все еще наблюдается. Дальше, по мере увеличения магнитного поля, разряд окончательно переходит в диффузный режим горения, который продолжается вплоть до перехода тока через нуль. Рис. 5. Осциллограмма напряжения горения разряда и импульса короткого магнитного поля длительностью 4.5 мс. I - ток в катушках, t - время горения разряда, U - напряжение горения разряда (а) и серия фотографий разрядного промежутка в различные моменты времени (б) Таким образом, время активной фазы анода составляет чуть больше 1 мс. Такой режим функционирования разряда снижает тепловую нагрузку на электроды, что в конечном итоге приводит к уменьшению эрозии контактной группы. Это также положительно сказывается на отключающей способности выключателя в целом, поскольку перед эскалацией напряжения на промежутке (после перехода тока через нуль) отсутствует источник паровой фазы и плазмы (разогретый анод). Заключение В работе исследовано влияние внешнего аксиального несинхронного магнитного поля на поведение дугового разряда в вакуумном выключателе. Длительность импульса магнитного поля регулировалась от 1.5 до 4.5 мс. Такой подход является актуальным с точки зрения экспериментального моделирования современных вакуумных выключателей. Показано, что достаточно короткое магнитное поле длительностью 1.5 и 2.8 мс, приложенное в начальный момент времени горения разряда, в целом не влияет на характер горения дугового разряда, а лишь немного делает короче фазу с активным анодным пятном. Такое же поле, но приложенное в момент уже существующего анодного пятна, приводит к переходу режима горения от контрагированного к диффузному. Однако после окончания воздействия этого поля разряд возвращается в контрагированный режим. Таким образом, длительность активной фазы анода (т.е. режима с анодным пятном) понижается лишь незначительно. Магнитное поле длительностью 4.5 мс, приложенное в моменты времени от 0 до 4 мс относительно начала протекания тока через промежуток, показывает такие же результаты, что и магнитное поле с более короткой длительностью (1.5, 2.8 мс). Однако при задержке приложения поля 4 мс характер горения разряда изменяется. Так, активная фаза анодного пятна сокращается до 1 мс в начальный период горения разряда. После прекращения воздействия магнитного поля режим горения разряда остается диффузным. Такой режим функционирования разряда снижает тепловую нагрузку на электроды, что в итоге приводит к уменьшению эрозии контактной группы. В таких условиях плотность последуговой плазмы уменьшается, ее распад происходит быстрее, а вероятность обратного пробоя промежутка снижается.

Скачать электронную версию публикации