Вакуумная сильноточная дуга в магнитном поле

Перцев А.А., Гусева Л.Г., Куликов А.Е.

Приведены результаты экспериментального исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) вакуумной дуги при воздействии на последнюю неоднородного магнитного поля, содержащего наряду с продольной составляющей индукции Bz также радиальную составляющую Bv. Показано, что такое поле с индукцией в несколько сотых тесла приводит к возрастанию тока, с которого наблюдается участок крутого роста напряжения дуги, обусловленного дефицитом ионов в анодной области, более чем вдвое. Увеличение индукции поля до значения порядка 1 Т качественно изменяет ход вольт-ампер- ной характеристики: в области исследованных токов от 3 до 60 кА ВАХ не содержит участка с большой крутизной. Напряжение на дуге не превышает 63 В.
Результаты исследований указывают на целесообразность применения достаточно интенсивного магнитного поля, содержащего как продольную, так и радиальную составляющую индукции, для увеличения тока, коммутируемого вакуумными дугогасительными камерами, снижения падения напряжения на дуге в 2-3 раза по сравнению с этой же величиной в контактных системах, получивших в настоящее время наибольшее распространение.
Плавление поверхности анода вакуумной дугой препятствует увеличению тока, коммутируемого вакуумными дугогасительными камерами и управляемыми разрядниками. Образованию анодного пятна и последующему плавлению анода способствует рост напряжения на дуге, происходящий в основном за счет анодного падения, которое при существенном дефиците ионов может достигать многих десятков вольт [1-4]. Наложение на дугу продольного магнитного поля (в дальнейшем - поле В ) приводит к уменьшению напряжения на дуге, но предельный ток, отключаемый камерами, удается увеличивать при этом не более чем на 20% [5-7]. Объяснить это можно увеличением локальной плотности тока на анод и потерей подвижности дуги при наличии поля. Последнее обстоятельство делает неэффективным значительное увеличение диаметра контактов.

В данной работе экспериментально определялся предельный ток отключения вакуумной дугогасительной камеры при воздействии на дугу неоднородного магнитного поля, содержащего наряду с аксиальной составляющей индукции В/ и радиальную составляющую 5 (поле В/ ). Показано, что такое поле при соответствующей форме и достаточной индукции позволяет значительно увеличить отключаемый ток. При этом может быть существенно уменьшено напряжение на дуге. Экспериментальная камера с диаметром контактов 100 мм и индукцией поля у анода, равной 1,8 Т, отключала ток амплитудой 60 кА при восстанавливающемся напряжении 13 кВ. Напряжение на дуге в амплитуде тока составляло около 60 В.

Экспериментальные макеты и методика

Исследовалось влияние на предельный ток отключения вакуумной камеры неоднородных магнитных полей двух конфигураций: 1) осесимметричного, создаваемого постоянным магнитом, расположенным в полости неподвижного контакта (рис. 1); 2) магнитного поля, возникающего при протекании тока дуги по плоскому неподвижному контакту с внешним диаметром 100 мм, выполненному в виде кольцевого рельса шириной 17 мм и высотой 15 мм. Форма поля в этом случае зависела от положения дуги в межконтактном промежутке и была осесимметричной лишь в те моменты, когда путь тока дуги по рельсу представлял собою полый виток.
Влияние осесимметричного поля первой конфигурации исследовано для двух диаметров контактов: 70 и 100 мм. Размеры контактов и использованных при этом магнитов указаны на рис.1 Значения индукции поля у поверхности неподвижного контакта, измеренные на различных расстояниях от оси симметрии контактной системы, представлены в таблице. Максимальные величины В для обоих вариантов контактов близки и составляют около 0,04 Т. В третьем варианте контактов индукция магнитного поля прямо пропорциональна току дуги. Коэффициент пропорциональности для точки в межконтактном зазоре на расстоянии 1 мм от поверхности рельса равен примерно 0,03 T/кА. Следовательно, при коммутации тока с амплитудой 60 кА индукция поля у поверхности анода могла достигать 1,8 Т, что в десятки раз больше индукции, создаваемой в системе, изображенной на рис. 1.

Неподвижные контакты изготовлены из бескислородной меди. В экспериментах они выполняли роль анода вакуумной дуги. Подвижные контакты имели простейшую тарельчатую форму, одинаковую для всех трех вариантов контактных систем. Они изготовлены из меди с добавлением 1% бора и 0,02% висмута. Внешний диаметр подвижного контакта, работающего в паре с кольцевым рельсом, равен 100 мм. В замкнутом состоянии контакты касались один другого по периферии. Ход подвижного контакта равен 14 мм, время полного разведения 3 мс.
Электрическая нагрузка промышленной частоты на экспериментальные макеты подавалась от машинного генератора ударных токов. Величина отключаемого тока варьировалась за счет изменения индуктивного сопротивления цепи, напряжения генератора и величины апериодической составляющей тока.

Присоединение макетов стенду осуществлялось при помощи симметричной ошиновки, сводящей к минимуму воздействие на дугу магнитных полей токоподводов. Длительность горения дуги в камере до первого перехода тока через нулевое значение была в пределах от 8 до 10 мс. Осциллографировался ток нагрузки, напряжение на дуге U и напряжение на макете. Частота напряжения, восстанавливающегося на макете после прерывания тока, равнялась примерно 15 кГц, а его первая амплитуда 13-19 кВ. Предельный ток считался достигнутым, если макет не удерживал восстанавливающегося напряжения при первом переходе тока дуги через нулевое значение. За величину Ui принималось максимальное значение напряжения на дуге в амплитуде тока (рис. 2).

Результаты измерений

На рис. 2 приведены вольт-амперные характеристики дуги, полученные при испытаниях макетов. На каждой из характеристик 1-3, начиная с некоторого тока, наблюдался участок крутого роста напряжения, появление которого, как известно [1, 3], обусловлено дефицитом ионов в прианодной области. При В=0 подъем U начинался при токах 3-5 кА (кривая 1). Наложение на дугу поля Bz г с индукцией в несколько сотых тесла приводило к увеличению тока, с которого проявлялся дефицит ионов, до 10-12 кА (кривая 2).

Рис. 1. Контактная система с ассимметричным неоднородным постоянным магнитным полем.
ПК - подвижный контакт, ка год; НК - неподвижный контакт, анод; М - постоянный магнит. Размеры элементов контактных систем (мм): вариант 1 - А=70, Б=70, В=52, Г=25; вариант 2 - А=100, Б-100, В=76, Г=40
Увеличение диаметра контактов с 70 до 100 мм при той же индукции поля обеспечило существование дуги без резкого подъема Uх до 19-21 кА (кривая 3).

Рис 2 Напряжение на вакуумной дуге в магнитном поле В в зависимости от амплитуды тока.
Ход контактов 14 мм. Стрелками указаны опыты, когда ток не был отключен при первом переходе через нуль. 1 - В=0, контакт 070 мм; 2 - В=0,04 Т. 070 мм. 3 - В=0,04 Т. 0100 мм; 4 - В=0,031 T, 0100 мм
Данные настоящей работы по влиянию поля В на возникновение дефицита ионов у анода находятся в качественном согласии с результатами работы [5], где исследовалось воздействие аксиального поля на дугу. Однако если поле В/ мало виляло на величину отключаемого тока, то применение поля В дает возможность значительно продвинуться в область больших токов. Как видно из рис. 2, без магнитного поля контакты диаметром 70 мм в условиях данной работы отключали ток до 15-17 кА. Согласно [5], в аксиальном поле эти контакты отключили бы ток не более 20 кА. Наложение на дугу поля Bz г с индукцией 0,04 Т позволило отключить ток не менее 31 кА, т. е. примерно вдвое больше, чем для случая, когда 5=0. Использование контактов диаметром 100 мм привело к росту отключаемого тока до 35-41 кА, однако это возрастание тока было меньше расчетной величины. Осмотр поверхности электродов после испытаний выявил оплавление анода в центре и в отдельных точках на периферии. Не исключено, что причиной разницы расчетной и измеренной величин отключаемого тока являлась фиксация дуги на оси симметрии контактной системы.
Увеличение индукции поля Bz г до значения порядка I Т качественно изменило ход вольт-амперной характеристики дуги. Кривая 4, полученная на макете с анодом в виде кольцевого рельса, создающего магнитное поле с индукцией 5=0,03-7, где 7- амплитуда тока дуги в кА, существенно отличается от других тем, что в области исследованных токов не содержит участка с большой крутизной. Вплоть до тока 60 кА напряжение на дуге не превышало 63 В и на осциллограммах Uд не зарегистрировано высокочастотных колебаний (рис. 3), что свидетельствует об отсутствии заметного дефицита ионов у анода. Ток, отключаемый макетом с контактной системой диаметром 100 мм, возрос до 60 кА при пике восстанавливающегося напряжения 13 кВ. Следует отметить, что на каждой из характеристик 2-4 (рис. 2) при токах, близких к предельному, наблюдался небольшой участок с отрицательным наклоном, возникновение которого связано, вероятно, с перегревом отдельных точек поверхности анода и повышенным испарением его материала [1, 3].

Рис. 3. Ос1(иллограмма напряжения на дуге при отключении тока 60 кА и В=1,8 Т.
1 - возвращающееся напряжение,
2 - отключаемый ток,
3 - напряжение на дуге
Изменение величины отключаемого тока и формы вольт-амперных характеристик дуги под влиянием поля В г может быть качественно объяснено следующим образом. Наличие продольной составляющей индукции, действуя на дугу так же, как аксиальное поле [6], стабилизировало дугу, т.е. затрудняло как развитие дефицита ионов у анода, так и появление изгибов столба дуги. При достаточно большой величине продольной составляющей индукции поля, использованной в данной работе, стабилизация дуги, по-видимому, была обеспечена во всем исследованном диапазоне токов, что привело к полному исчезновению участка крутого роста напряжения на вольт- амперной характеристике дуги. Наличие в поле Вг радиальной составляющей индукции, вызывая перемещение стабилизированной дуги по межконтактному промежутку, привело к более равномерному распределению по поверхности анода вводимой в него энергии и снизило максимальную температуру электродов, что дало возможность получить существенный рост отключаемого тока.
Полученные результаты указывают на целесообразность применения достаточно интенсивного магнитного поля, содержащего наряду с продольной также и радиальную составляющую индукции, для увеличения тока, коммутируемого вакуумными дугогасительными камерами, и снижения падения напряжения на дуге в 2-3 раза по сравнению с Ув контактных системах, получивших в настоящее время наибольшее распространение.

Литература

1. G.R. Mitchell. Ргос. IEEE, 117,2315(1970)
2. G.R. Mitchell, L.R Harris. IEE Power Eng. Soc. Conf. Pap. Winter Meet (1974).
3. C.WKimblin.             Proc. IEEE, 59,546 (1971).
4. J.A. Rich, L.E. Prescott, J.D. Cobine. J. Appl. Phys., 42, 587 (1971).
5. C. W Kimblin, R.E. Voshall. Proc. Inst. Electr. Eng., 119,1754 (1972).
6. O. Morimiya, S. Shoma, T. Sugawara, H. Mizutani. IEEE Trans. Power App. and Systems, PAS-92, 1723(1973).
7. W.G.J. Rondeel. Proc. VI Int. Symp. Disch. and Electr. Insul. in Vacuum, Swansea, p. 241 (1974).