К вопросу о повышении электрической прочности вакуумных конденсаторов*

УДК.621.319.47

Е.А. Емельянова, В.П. Буц, А.А. Рыжов, Н.К. Юрков К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ* *.

Аннотация

Существуют различные способы обработки поверхности электродов вакуумных конденсаторов. Наиболее эффективными являются способы тренировки высоким напряжением. Рассмотрен способ тренировки вакуумных конденсаторов высоким напряжением в импульсном режиме. Представлены достоинства способа тренировки в импульсном режиме.

Summary

There are a lot of vacuum condenser electrode faces processing techniques. Training technique of vacuum condenser by high voltage is the most efficient one. The article deals with the training technique of vacuum condenser by high voltage during pulsing. The advantages of the examined technique are shown in the article.

Электрическая прочность междуэлектродного вакуумного промежутка определяется многими факторами - степенью вакуума, материалом электродов, состоянием их поверхности и др. [1].

В литературе по вакуумному пробою имеются противоречивые сведения по влиянию обработки поверхности электродов на их электрическую прочность. В работах [2-4] отмечается, что улучшение обработки поверхности электродов не улучшается пробивных свойств зазора. В работах [5-7] отмечалось, что улучшение обработки электродов повышает электрическую прочность вакуумного зазора. Разноречивость литературных данных по этому вопросу, особенность конструкции и технологии получения емкостных медных электродов вакуумных конденсаторов определили необходимость проведения экспериментов по выявлению оптимального с точки зрения получения максимальной электрической прочности вида обработки емкостных электродов вакуумных конденсаторов. На рис.1 представлены результаты в виде зависимости пробивного напряжения от числа пробоев при следующих состояниях поверхности штампованных медных коаксиальных емкостных электродов толщиной 0,5 мм с радиальным зазором 1,5 мм:

1 - после штамповки;

2 - после химического травления;

3 - после электрополировки и последующего пребывания на воздухе в течении 30

суток;

4 - после электрополировки с одновременной обработкой торцев электродов;

5 - после электрополировки.

Последнее и оказалось оптимальным - пробивное напряжение составили 54 кВ (ампл.знач.). Зависимости, представленные на рис.1, являются представлением хода тренировки пробоями прибора. Тренировки производились напряжением 50 Гц.

Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Создание

высококачественных вакуумных конденсаторов» ФЦП «Научные и научно-педагогические

кадры инновационной России (2009-2013 гг.)» Гос.контракт №П489 от 13 мая 2010 г.

*

Существуют различные способы тренировки электровакуумных приборов высоким напряжением - тренировка на постоянном напряжении, тренировка на переменном напряжении, тренировка в импульсном режиме.

Рисунок 1 - Зависимости пробивного напряжения вакуумных промежутков от числа пробое при различных состояниях поверхностей медных электродов.

Рассматривая различные способы тренировки высоковольтных приборов Н.В. Черепнин [8] высказал предположение о преимуществе импульсной тренировки перед тренировкой напряжением другой формы, предположив возможность ее осуществления “импульсами такой длительности, при которой острия на отрицательно заряженных электродах успевают испариться, но дуговой разряд не развивается”.

Импульсные технологии повышения электрической прочности в вакууме рассмотрены в [9]. Обобщение известных экспериментальных результатов по времени запаздывания пробоя позволило авторам сформулировать критерий оптимальности импульсного кондиционирования. Из критерия следует, что для достижения наилучшего состояния катодной поверхности и максимальной электрической прочности электроды вакуумного промежутка следует обрабатывать высоковольтными импульсами, длительность которых равна времени запаздывания пробоя ґи = t3. В случае воздействия

импульсов їи = t3 энергия, выделяемая в эмиттере, оказывается равной энергии его разрушения. При этом энергия импульса расходуется лишь на инициирование пробоя и не идет на возникновение и развитие коммутационных процессов в промежутке с последующим переходом разряда из высоковольтной стадии в сильноточную. Обработка электродов импульсами ta = t3 разрушает существующие центры эмиссии без возникновения новых образований.

Метод контролируемой обработки поверхности катода в вакууме, реализующий оптимальный режим, предложен в [10]. Метод апробирован на электродах из нержавеющей стали. Контроль поверхности катода осуществлен на постоянном токе по коэффициенту усиления напряженности электрического поля микронеоднородностями катодной поверхности. В качестве воздействия использованы высоковольтные импульсы наносекундной длительности при амплитудах, обеспечивавших равенство времени запаздывания пробоя длительности приложенного импульса ^ = t3. В результате

реализации метода показано существенное повышение качества катодной поверхности минимальным количеством импульсов. Однако проверка метода контролируемой обработки осуществлена на электродах из нержавеющей стали, результаты по его применению на электродах из других металлов электровакуумных приборов отсутствуют.

С целью проверки применимости метода к высоковольтным электровакуумным приборам исследована контролируемая обработка медных электродов вакуумных конденсаторов.

В экспериментах использованы вакуумные конденсаторы с емкостью 60 пФ с цилиндрическими коаксиальными электродами и межэлектродным зазором d = 0,5 мм.

Контроль состояния поверхности катода, в качестве которого был выбран внутренний электрод, осуществлялся в режиме постоянного тока по величине коэффициента усиления поля в на микронеоднородностях катодной поверхности. Коэффициент усиления в рассчитывался по крутизне вольтамперных характеристик

ln(/ / E02) = f (1/E0), построенных в координатах Фаулера-Нордгейма (рис. 2).

На катод прибора подавали наносекундные импульсы отрицательной полярности длительностью їи = 40 нс с амплитудой, рассчитанной по предварительно определенному коэффициенту в, характеризовавшего состояние катодной поверхности.

Для формирования наносекундных импульсов использовали кабельный генератор, схема которого приведена на рис. 3.

PQ

(N

<

О

I

М)

1/E0, 10 7м/В

Рисунок 2 - Предпробойные токи вакуумного конденсатора после обработки электродов импульсами.

Схема формирования состояла из формирующей Л0 и передающей Л1 линий, выполненных из отрезков радиочастотного кабеля РК-75-9-12. Длительность

высоковольтного импульса, воздействовавшего на вакуумный конденсатор ВК, определялась длиной формирующей линии и составляла 5 нс/м. Второй конец линии был нагружен на безындуктивный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля R = р. Разрядник Р тригатронного типа обеспечивал крутой фронт

импульса їф = 4 нс. Регистрацию наносекундных импульсов осуществляли при помощи

широкополосного емкостного делителя напряжения Д. Для регистрации использовали осциллограф С9-4А с полосой пропускания 500 МГц. Емкость формирующей линии длиной 8 м составляла 540 пФ и на порядок превосходила емкость нагрузки 60 пФ, что позволяло формировать в ней прямоугольный импульс длительностью їи = 40 нс.

Рисунок 3 - Схема формирования наносекундных импульсов.

Расчет амплитуд импульсов, удовлетворяющих условию оптимальности ґи = t3, осуществляли по зависимости времени запаздывания вакуумного пробоя от микронапряженности электрического поля t3 (Е) для медных электродов, приведенной в [11,12]. По длительности импульса ^ = 40 нс из кривой t3(Е) графическим построением

определена величина Е = 7,1 х 109 В/м необходимой микронапряженности электрического поля. Для обеспечения такой напряженности на катод следует подавать импульс с амплитудой ии, соответствующей состоянию катодной поверхности. Амплитуда ии рассчитывалась на основании предварительных измерений предпробойных токов, построения вольтамперных характеристик в координатах Фаулера-Нордгейма и вычисления параметра в, характеризующего качество катодной поверхности. В пренебрежение неоднородностью поля, амплитуду импульса рассчитывали по соотношению

ии = Ed / b.

Из вольтамперных характеристик ln(7 / Eg) = f (1/ E0), где E0 = U / d, построенных непосредственно перед каждым импульсным воздействием на катод, определялся коэффициент в- По коэффициенту в из микронапряженности Е = 7,1 х 109 В/м рассчитывалась амплитуда импульса. До начала импульсной обработки состояние катодной поверхности характеризовалось коэффициентом b0 = 480. По значению b0 = 480 установлена амплитуда первого импульса ии = 7,4кВ. Воздействие первого импульса улучшило качество катодной поверхности, уменьшив коэффициент усиления поля в 1,8 раза до b1 = 260. Амплитуда второго импульса ии = 13,7 кВ определялась с учетом нового состояния катодной поверхности b1 = 260 и обеспечивала ту же величину

микронапряженности Е = 7,1 х 109 В/м. Таким же образом определялась амплитуда каждого последующего импульса.

Зависимость коэффициента усиления поля от числа поданных импульсов представлена на рис. 4.

в

Рисунок 4 - Зависимости качества катодной поверхности от числа поданных импульсов.

Из кривой b(n) следует, что при оптимальном режиме высоковольтного импульсного кондиционирования происходит монотонное улучшение состояния катодной поверхности с каждым поданным импульсом. Воздействие трех импульсов їи = 40 нс при оптимальном значении амплитуды ии, возраставшей, согласно уменьшению величины коэффициента в, от 7,4 кВ до 40 кВ, обеспечило более чем пятикратное повышение качества катодной поверхности. Обработка обоих электродов вакуумных конденсаторов высоковольтными импульсами їи = t3 позволяет существенно повысить качество электродных поверхностей и электрическую прочность.

Таким образом, показана применимость метода контролируемой обработки поверхности катода высоковольтными импульсами наносекундной длительности к медным электродам вакуумных конденсаторов. Данный метод может быть использован как перспективный для обработки электродов и повышения электрической прочности вакуумных конденсаторов.

Литература

1. Буц В.П., Железнов М.М., Юринов М.М. Вакуумные конденсаторы // Л.: Энергия, 1971 - 136 с.

2. Hadden R.J/. The effect of surface treatment on electric breakdown copper electrodes at 50 cycles at very low pressure. A.E.R.E. G/M., 92, 1951/

3. Anderson H.W. Effect of total voltage on breakdown in vacuum. Electr. Engng. 1935, v. 26, 1315.

4. Leader D. Electrucal breakdown in vacuum. Proc. Jlect. Eng., 1953, 10., p. 138.

5. Llewellyn J.F., Owen W.D. Initiatory electron emission and vacuum breakdown. Proc. Phys. Soc., 83, 283 (1964).

6. Wyker W.Y. The electrical breakdown in vacuum. J. Appl. Sci. Res., B 9,1, 1961.

7. Hawley R., Walley C.A. The electrical breakdown in vacuum. Nature, v. 160, 1961.

8. Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике // М.: Советское радио, 1973 - 384 с.

9. Емельянов А. А., Емельянова Е.А. Импульсные технологии повышения электрической прочности в вакууме // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009 - 160с.

10. Емельянов А.А., Емельянова Е.А. Метод повышения качества поверхности катода вакуумного промежутка // ПТЭ, 2008, № 4, С. 106-109.

11. Емельянов А. А., Емельянова Е.А. Запаздывание пробоя в вакууме// ЖТФ, 2003, Т.

73, Вып. 9, С. 113-120.

12. Буц В.П., Смирнов Э.Н., Рыжов А.А., Юрков Н.К. Электромагнитное экранирование элементов вакуумного делителя высоких напряжений. Измерительная техника 2011 г, №2, стр.61-64.