Оценка скорости перемещения дуги в вакуумных дугогасительных камерах с поперечным магнитным полем

УДК 621.316

В.В. Муллин, М.А. Фурсаев

ОЦЕНКА СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДУГИ В ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ С ПОПЕРЕЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Обсуждены причины изменения скорости перемещения дуги в пространстве между контактами в вакуумных дугогасительных камерах с поперечным магнитным полем при изменении напряжения коммутируемого тока. Проведена оценка изменения этой скорости в течение периода напряжения.

Вакуумная дугогасительная камера, контакт, вакуумная дуга, поперечное магнитное поле

V.V. Mullin, M.A. Fursaev

EVALUATION OF ARC MOTION SPEED IN VACUUM INTERRUPTERS USING TRANSVERSE MAGNIIC FIELD CONTACTS

Factors causing variation speed in the gap between transverse magnetic field contact of a vacuum interrupter at different values of switched current voltage are discussed. The variation speed evaluation during the whole voltage period is effectuated.

Vacuum interrupter, contact, vacuum arc, transverse magnetic field

Вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) нашли широкое применение в качестве исполнительных элементов в современной техники коммутации электрических цепей переменного тока высокого напряжения. Они представляют собой конструкцию, в полости которой в вакуумной среде осуществляется механическое замыкание и размыкание контактов. При этом загорается и гаснет дуга между контактами, один из которых является катодом, а другой - анодом. При смене полярности напряжения функции катода и анода между контактами меняются.

С целью увеличения коммутационного ресурса ВДК используется магнитное поле. Различают конструкции камер с поперечным и магнитным полем [1]. В настоящей работе рассматриваются особенности действия магнитного поля, способствующие увеличению коммутационного ресурса ВДК.

Коммутация электрической цепи осуществляется как при номинальном токе, так и при токе короткого замыкания. Очевидно, коммутационный ресурс, зависящий от уровня термической нагрузки контактов, существенно ниже при токах короткого замыкания. При больших значениях тока вакуумная дуга в ВДК пребывает в сжатой форме, при которой она концентрируется в «столбы», т.е. формируются сгустки плазмы, имеющие резкие границу в поперечном направлении и во всем пространстве между катодом и анодом. При такой форме дуги на поверхности контакта, выполняющего функцию анода, под действием интенсивной электронной бомбардировки образуются «анодные пятна», которые, наряду с «катодными», 136

являются источниками сильно ионизованной плазмы. Для снижения термической нагрузки, что соответственно приводит к увеличению коммутационного ресурса, в данном случае необходимо обеспечить более равномерную термическую нагрузку анода, которая может достигаться перемещением столба дуги в течение времени. Это перемещение осуществляется при использовании поперечного магнитного поля.

Магнитное поле в ВДК создается за счет специальной конструкции контактов, которые имеют индукторы. По этим кондукторам, когда горит дуга, протекает ток, который обусловливает магнитное поле между разомкнутыми контактами. Величина магнитной индукции этого поля прямо пропорциональна величине тока дуги. Индукторами, обеспечивающими создание поперечного магнитного поля, являются спиралеобразные участки контактов, которые образуются прорезями на контактах. Угловая ориентация этих участков, расположенных друг против друга, такова, что притекающие по ним токи имеют одно и то же направление на столб дуги, который можно рассматривать как проводник с током. В соответствии с законом Ампера поперечное магнитное поле приводит его в движение. В [1] для расчета силы, действующей на столб дуги, предложено использовать соотношение

^ = 0,5ЬВ,

где I - ток, протекающий по спиралеобразному участку контакта, Ь - расстояние между контактами, В - магнитная индукция. Под действием этой силы столб дуги перемещается вдоль спиралеобразных участков, т.е., по существу, по периферии рабочих поверхностей контактов.

В ВДК с поперечным магнитным полем электроны в столбе дуги находятся под действием скрещенных электрического и магнитного полей. В этих условиях электроны двигаются под действием силы. Скорость поступательной компоненты этого движения определяется соотношением

у = Е/В,

где Е - напряженность электрического поля, величина которого определяется величиной напряжения между разведенными контактами. Можно предположить, что с этой скоростью

Мгновенное значение напряженности электрического поля, действующее на электроны столба дуги, изменяется во времени так, как и напряжение между контактами. Величина магнитной индукции также изменяется в течение полупериода этого напряжения, поскольку магнитное поле обусловлено током дуги, протекающим по индукторам контактов. Изменение величины магнитной индукции пропорционально изменению тока дуги. В свою очередь, величины мгновенных значений тока дуги и напряжения между контактами связаны через вольт-амперную характеристику вакуумной дуги, вид которой приведен на рис. 1 [2].

Как видно, в области малых токов, где дуга пребывает в диффузной форме, когда плазма практически однородно заполняет пространство между контактами, вольт-амперная характеристика линейна. На линейном участке вольт-амперной характеристики обеспечивается пропорциональность между величинами напряженности электрического поля и магнитной индукции. Поэтому можно считать, что скорость поступательного движения электронов в течение периода переменного напряжения остается неизменной. При больших значениях тока дуги, находящейся в сжатой форме, ее вольт-амперная характеристика нелинейная. Она может быть аппроксимирована показательной функцией с величиной показателя степени больше двух. Величина напряженности электрического поля изменяется в большей степени, чем величина магнитной индукции. Вследствие этого в течение периода переменного напряжения скорость поступательного движения электронов будет изменяться, что влечет за собой изменение перемещения столба дуги. Однако на основании изложенного выше не представляется возможным определить истинную скорость перемещения столба дуги в ВДК с попе-

137

происходит движение столба дуги.

" идут,В

1 1 . >

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика вакуумной дуги

речным магнитным полем при размыкании электрической цепи при коротком замыкании в нагрузке, но может быть оценена величина изменения этой скорости. Критерием изменения может быть величина отношения максимального значения скорости перемещения столба дуги, которую он приобретает в течение полупериода переменного напряжения к значению скорости в фиксированной фазе полупериода.

Для оценки изменения скорости перемещения столба дуги в ВДК в течение полупериода напряжения был рассмотрен простейший случай, т.е. в предположении, что расстояние между контактами остается неизменным, в течение полупериода дуга находится в сжатой форме, а ее перемещение начинается с начала полупериода и заканчивается в его конце, т.е. не учитывается факт пребывания дуги в диффузном состоянии при малых величинах токов. Величина показателя степени при аппроксимации вольт-амперной вакуумной дуги в сжатой форме принималась равной 3.

Как показал расчет, скорость перемещения столба дуги в течение полупериода переменного напряжения сначала увеличивается, а затем уменьшается. Максимальная скорость достигается при максимуме мгновенного значения напряжения. Величина отношения значения максимальной скорости перемещения столба дуги к значениям скорости, соответствующим фазам 10 и 170 градусов переменного напряжения, равна 0,3.

Таким образом, в те моменты времени, когда энергия электронной бомбардировки анода максимальна, обеспечивается максимальная скорость перемещения столба дуги, а вследствие этого перемещения анодного пятна, являющегося местом интенсивной электронной бомбардировки и наибольшей термической нагрузки, по поверхности контакта. Этим достигается равномерность распределения термической нагрузки по поверхности контакта, выполняющего функцию анода в ВДК с поперечным магнитным полем, а тем самым увеличение ее коммутационного ресурса.

Экспериментальная проверка результатов выполненного расчета затруднена из-за сложности обеспечения зажигания дуги при разведенных контактах. Поэтому были использованы данные экспериментальных исследований [3]. Исследования проводились с использованием цифровой видеокамеры. Процесс съемки позволяет регистрировать все моменты существования дуги между контактами в течение полупериода переменного напряжения при сохранении кадров. Дуга зажигалась при размыкании контактов при одновременном начале полупериода переменного напряжения. Однако в [3] не приведены данные относительно скорости разведения контактов и расстояния между разведенными контактами.

Согласно экспериментальным данным перемещение столба дуги начинается не с нулевой фазы переменного напряжения и заканчивается до окончания его полупериода. Дело в том, что при разведении контактов загорается короткая дуга, которая по своим свойствам близка к дуге сжатой формы. Она загорается в последних местах соприкосновения контактов. При малых величинах тока дуги, а следовательно, при малых значениях магнитной индукции сила Лоренца мала и не способна оторвать дугу от места ее возникновения. При уменьшении напряжения дуга переходит их сжатой формы в диффузную, с равномерным распределением плазмы в пространстве между контактами. Однако, как следует из эксперимента, максимальная скорость перемещение столба дуги соответствует области фаз переменного напряжения, где его величина наибольшая. Отношение измеренной максимальной скорости перемещения столба дуги к измеренным скоростям в начале и в конце его перемещения составляют 0,18 и 0,27. Эти значения весьма близки к полученным при расчете.

Таким образом, приведенные выше данные можно рассматривать как подтверждение предположения, что изменение скорости перемещения столба дуги в ВДК с поперечным магнитным полем, когда отключается электрическая цепь при токах короткого замыкания, связано с нелинейностью зависимости напряжения от тока дуги, находящейся в сжатой форме. При этом максимальная скорость перемещения столба дуги достигается в фазах полупериода переменного напряжения, в которых оно максимально, в результате чего увеличивается коммутационный ресурс ВДК такой конструкции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Slade P. G. The Vacuum Interrupter. Theory, Design und Application / P. G. Slade. CPC Press, 2008. - 510 p.

2. Белкин Г. С. Коммутационные процессы в электрических аппаратах / Г. С. Белкин. -М.: Знак, 2003. - 224 с.

3. Gentsch D. High-Speed Observations of Modes of RMT and AMT Contacts / D. Gentsch, W. Shang // XX Internation Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Yalta: Crimea, 2004. - P. 257-260.

Муллин Виктор Валентинович - Victor V. Mullin -

кандидат технических наук, генеральный директор Ph. D.,

ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов General Director «NPP Kontakt JSC», Saratov

Фурсаев Михаил Александрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Mikhail A. Fursaev -

Dr. Sc., Professor

Department of Electrical Engineering and Electronics,

Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 17.05.12, принята к опубликованию 16.06.12