Данилов М.Е., Куликов А.Е., Мнацаканян К.Г., Шохин Е.А.
Разработка высоковольтных вакуумных дугогасительных камер (ВДК) классов 60-110 кВ требует обеспечения координации изоляции между внутренними элементами контактных и экранных систем.
Координация изоляции предполагает знание пробивных напряжений различных элементов конструкции. Известно, что пробивное напряжение вакуумных промежутков может меняться в 2-4 раза в зависимости от способа испытания или предшествующего режима эксплуатации [1]. Это означает, что после различных режимов эксплуатации электрическая прочность отдельных элементов ВДК может изменяться в некоторых пределах. В то же время пробой камеры может быть спровоцирован частичным пробоем в каком-то электрически напряженном участке ВДК. Поэтому при исследованиях электрической прочности ВДК необходимо не только обеспечивать одинаковые воздействия на камеру, но и контролировать возможные изменения места пробоев.
Электрический пробой в вакуумном промежутке сопровождается рентгеновским излучением, причиной которого является торможение электронов в материале электродов. Электроны являются одним из основных компонентов предпробойных токов, которые наблюдаются как в тренированных вакуумных промежутках [1], так и в ВДК после различных циклов испытаний [2]. Исследования рентгеновского излучения и электрического пробоя [3] показали, что увеличение мощности рентгеновского излучения из промежутка не обязательно связано с увеличением вероятности пробоя. Такое же несоответствие уровня предпробойных токов и факта пробоя отмечалось и в [1, 2]. Эти несоответствия, возможно, связаны с тем, что пробой инициируется в каком-то определенном месте и требует для начала своего развития каких-то предельных значений напряженности, плотности тока, температуры и т. д., а в исследованиях обычно измерялось интегральное значение мощности рентгеновского излучения или предпробойного тока со всего электрода.
Тем не менее, в [4] отмечено однозначное соответствие между предпробойным током и мощностью рентгеновского излучения и показана общая связь электрических параметров ВДК и рентгеновского излучения из них.
Из сказанного можно сделать вывод о том, что появление рентгеновского излучения из ВДК может свидетельствовать о наличии предпробойных явлений в электрически напряженных местах камеры.
Очевидно, что для регистрации рентгеновского излучения необходимо, чтобы оно вышло за пределы ВДК, а для обнаружения места возникновения излучения необходимо, чтобы поглощение и рассеяние лучей не было бы чрезмерным.
Рентгеновское излучение в ВДК возникает при напряжениях, соответствующих пробою. Это означает, что в нормальных режимах эксплуатации при номинальном напряжении рентгеновского излучения не бывает. Оно может возникнуть при испытательных уровнях напряжения и обязательно возникает при подъеме его до уровня пробивных напряжений.
Для ВДК классов 10-80 кВ амплитудные значения этих напряжений находятся в области 60-400 кВ, что обеспечивает приобретение электронами в вакуумном промежутке энергии от 60 до 400 кэВ. При таких энергиях электроны проникают в материал электрода на глубину не более 0,1 мм [5]. Все элементы вакуумных дугогасительных камер - экраны, контакты, корпус имеют толщину, в десятки раз большую (рис. 1). Это означает, что ускоренные электроны затормозятся в теле первого встреченного ими элемента ВДК, и поверхностный слой этого элемента следует рассматривать как источник рентгеновского излучения. Пространственное распределение мощности рентгеновского излучения зависит от угла падения электронов, их энергии и формы тела, тормозящего электроны.
Для оценки характера распространения излучения воспользуемся данными о коэффициентах ослабления рентгеновского излучения и мощности рассеянного излучения от массивных тел [5]. Эти два процесса в некоторой степени отражают реальные условия выхода рентгеновских лучей из ВДК. Действительно, толщина деталей экрана и некоторых частей контактной системы не превышает 3-15 мм. При прохождении у-квантов с энергией 60- 400 кэВ следует ожидать ослабления потока рентгеновского излучения не более чем в 1,5 раза, а дифференциальное рассеяние не будет превышать 5-10% [5]. Это означает, что от места торможения электронов на элементах конструкции ВДК рентгеновские лучи будут расходиться с малым ослаблением, а помехи от рассеяния на элементах камеры незначительны. Оценим возможные размеры единичных источников излучения. Для этого рассмотрим конструкцию ВДК (рис. 1) с точки зрения центров эмиссии и возможных траекторий электронов. Центром эмиссии в ВДК могут быть металлические острия, образовавшиеся из частиц эродировавшего металла, осевших на поверхностях экранов или контактов. Металлические острия можно видеть на поверхности контактов и экранов после вскрытия ВДК. Они имеют различную форму и размеры и могут быть эффективными усилителями локальной напряженности электрического поля. Согласно [6] эмиссионными центрами часто являются примесные металлические и неметаллические включения, снижающие работу выхода электронов. Во всех этих случаях из катода появляется поток электронов, который под действием ускоряющего поля достигает анодной поверхности. Радиус пучка для случая однородного поля можно оценить по соотношению [7]
где г - радиус эмиттера; (3 - коэффициент усиления поля; х - расстояние от анода.
Для ВДК характерные размеры эмиттеров г(3 = 0,1 1 можно оценить по результатам [2], и тогда при характерных для ВДК расстояниях х = 10
100 мм следует ожидать R = 2 + 20 мм.
Рис. 1. Распределение мощности рентгеновского излучения из ВДК (yj -первичное излучение; у, - рассеянное излучение).
Однородные поля в ВДК практически не встречаются, поэтому электронные потоки, вышедшие из катода, испытывают дополнительное рассеяние в неоднородных полях, к тому же они могут попадать на поверхность анода под разными углами. При этом размеры источника излучения могут увеличиться в десятки раз по сравнению с приведенными данными и достигнуть размеров целых узлов ВДК. Это означает, что с помощью измерения рентгеновского излучения из ВДК можно определить только область нахождения электрически напряженного конструктивного узла.
В соответствии с оценками размеров источников рентгеновского излучения было изготовлено приспособление, состоящее из свинцовой трубы и дозиметра, позволяющее фиксировать излучение с участков поверхности камеры диаметром от 50 до 100 мм.
На рис. 1, б, в приведены характерные распределения рентгеновского излучения по длине камеры, из которых видно, что рентгеновское излучение локализовано в пределах отдельных узлов ВДК. Это позволяет, изменяя условия опыта (расстояние между контактами, полярность напряжения, направление измерения рентгеновского излучения), выявить узел с максимальной напряженностью, а также следить за миграцией напряженного места после различных циклов испытаний.
Для проверки соответствия между местоположением максимума рентгеновского излучения и местом пробоев проводилось фотографирование вспышек разрядов между контактами в случаях распределения рентгеновского излучения по камере в соответствии с рис. 1, б, в.
Рис. 2. Эскиз межконтактного промежутка:
1 - поверхность контактирования верхнего подвижного электрода; 2 - экранирующая поверхность нижнего электрода; 3 - поверхность контактирования нижнего электрода.
Фотографирование проводилось через оптические окна при воздействии на камеру импульсного напряжения. Было установлено, что для положения контактов, обеспечивающего единственный максимум излучения из области контактного узла, число пробоев на осциллограммах напряжения равно числу разрядов между контактами. В случае положения контактов, обеспечивающего появление второго максимума в области ввода (рис.1 в), соответствие между числом пробоев и числом разрядов между контактами нарушается.
Этот опыт показывает, что измерения распределения рентгеновского излучения по камере можно использовать для обнаружения электрически напряженных узлов ВДК.
Более детальное исследование места пробоя и получение численных характеристик пробоя проводились с помощью измерения импульсной электрической прочности исследуемого контактного узла на разных полярностях прикладываемого напряжения. В качестве примера рассмотрим несимметричную контактную систему, состоящую из нижнего контакта, в котором места контактирования находятся в углублении, обеспечивающем их экранирование, а подвижный верхний контакт имеет неэкранированную контактную поверхность (рис. 2). Для исследования закономерностей изменения напряжения пробоя модель контактной системы была установлена в разборный макет ВДК с электрическим вводом на 300 кВ. Исследования проводились при воздействии напряжения во время движения контакта при достижении им определенных расстояний.
В начале были определены диапазоны расстояний между контактами и напряжения, обеспечивающие единственный максимум рентгеновского излучения из контактного узла. Для обеспечения воспроизводимости характеристик была использована следующая последовательность проведения опыта: тренировка макета до 280-300 кВ, затем 10 ударов по сомкнутым контактам с энергией каждого удара 1,5-2 Дж и далее перемещение верхнего контакта со средней скоростью vcp=2-^2,5 м/с с подачей импульса высокого напряжения при достижении контактом заданного расстояния.
Рис. 3. Напряжение пробоя межконтактного промежутка при движущемся верхнем контакте для различных полярностей импульсов.
Результаты измерения напряжения пробоя представлены на рис. 3, из которого следует, что экранировка места контактирования на отрицательном электроде способствует повышению уровня пробивного напряжения. Для оценки уровней напряженностей электрического поля, при которых возникают пробои, был проведен расчет распределения напряженности по поверхности контактов по методике [8] и рассчитаны максимальные напряженности для контактирующих и экранирующих поверхностей по напряжениям пробоя.
Рис. 4. Распределение электрической напряженности по критическим поверхностям при пробивном напряжении:
х - поверхность заряжена положительно; о - поверхность заряжена отрицательно.
На рис. 4 приведены зависимости напряженностей электрического поля при напряжении, равном пробивному, для трех поверхностей (рис. 2): 1 - не- экранированная контактирующая поверхность верхнего подвижного электрода; 2 - экранирующая поверхность нижнего электрода; 3 - экранированная контактирующая поверхность нижнего электрода.
Из данных на рис. 4 следует, что напряженности в момент пробоя на поверхности 3 в 3-5 раз меньше, чем напряженности на поверхности 2 при одинаковых полярностях напряжения. Это свидетельствует о малой вероятности пробоя на контактирующую поверхность, поэтому в дальнейшем анализе поверхность 3 исключим. Оставшиеся две поверхности имеют максимальные значения напряженностей в момент пробоя, следовательно, инициирование пробоя на этих поверхностях наиболее вероятно.
Сопоставление значений максимальных напряженностей позволяет отметить постоянство пробивной напряженности для обоих электродов при отрицательном заряде (Еи = 28 -г- 35 кВ/мм) и значительные изменения максимальной напряженности на поверхности электродов (от 8 до 58 кВ/мм) при положительном заряде. Факт постоянства напряженности пробоя на поверхности отрицательного электрода говорит об определяющей роли катода в инициировании пробоя и слабом влиянии прианодных процессов на возникновение электрического пробоя. Отсюда можно заключить, что в вакуумных дугогасительных камерах в условиях запыления контактной системы продуктами электрической эрозии электрический пробой после бестоковых соударений контактов возникает при достижении критической напряженности на поверхности отрицательного электрода.
Список литературы
- Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. - М.: Атомиздат, 1972.
- Воздвиженский В.А., Данилов М.Е. Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер // Электричество. 1977. № 6.
- Розанова Н.Б., Грановский ВЛ. О возникновении электрического пробоя высоковакуумного промежутка // ЖТФ. 1956. Т. 26. С. 489.
- Dohnal D. Untersuchungen zur Korrelation zwischen den Rontgenstrahlung und den elektrischen Groben an Elektrodenanordnungen im Hochvacuum und an Vakuumschaltrohren //ETZ Archiv. 1981. Bd. 3. H. 7.
- Кимелъ Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. - М.: Атомиздат, 1966.
- Фарелл Дж. Электрический пробой в вакууме // Вакуумные дуги. - М.: Мир, 1982.
- Chatterton R.A. A theoretical study of field emission on initiated vacuum breakdown // Proc. Phys. Soc. 1966. Vol. 88. P. 231-245.
- Колечицкий E.C. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. - М.: Энергоатом издат, 1983.
