Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер

Воздвиженский В.А., Данилов М.Е.

Вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) в последнее время широко применяются в высоковольтных коммутационных аппаратах переменного напряжения. Исследованию характеристик вакуумной изоляции посвящено много работ [Я. 2], однако условия работы ВДК настолько специфичны по сравнению с другими электровакуумными приборами, что воспользоваться имеющимися данными можно лишь для получения общих представлений о явлениях, происходящих в камерах при рабочих и испытательных воздействиях высокого напряжения. В то же время при создании коммутационных аппаратов на основе ВДК требуется точное знание их изоляционных свойств. Предварительные исследования показали, что ВДК имеют чрезвычайно большой разброс значений пробивного напряжения, которые зависят от условий проведения опыта. Первостепенной задачей становится выработка единой методики испытаний электрической прочности ВДК для получения сопоставимых результатов различных исследований.
Методика измерений. Для контроля электрической прочности коммутационной аппаратуры при ее изготовлении и эксплуатации широко применяются испытания повышенным напряжением 50 Гц от испытательных трансформаторов. При этом контроль ведется по наличию искр, сильных тресков и отключению защиты трансформатора при возникновении короткого замыкания [Л. 3].
Опыт показывает, что при подобных испытаниях ВДК все указанные эффекты отсутствуют, даже если произошло уже много пробоев. Это объясняется тем, что ВДК обладают высокой отключающей способностью для высокочастотных токов и малой стабильностью дуги с током от 1 до 10 А. Токи короткого замыкания испытательных трансформаторов редко превышают 1 А и нарастают очень медленно из-за малой мощности трансформатора, поэтому при пробое через ВДК вначале протекает высокочастотный ток разряда присоединяемых емкостей, длительность которого составляет 10 7—10"8 с. Этот ток гасится при первом или последующих переходах через нуль, и трансформатор вновь заряжает емкости за время примерно 10~5 с. Так как пробой происходит в вакуумированной и экранированной камере, то ни звуковых, ни световых эффектов не возникает, а защита трансформатора не реагирует на короткий бросок зарядного тока.

Рис. 2. Зависимость напряжения первого пробоя от межконтактного расстояния для различных контактных материалов при бестоковых размыканиях.

Рис. 1. Типичные тренировочные характеристики КДВ-21 после режима бестоковых размыканий (с1=3мм).
С каждым пробоем электрическая прочность межконтактного промежутка возрастает, и, наконец, достигает электрической прочности изоляционной оболочки, поэтому оператор регистрирует нарушение электрической прочности, когда появляются искры снаружи ВДК, причем это напряжение может в несколько раз превышать напряжение первых пробоев. От указанных недостатков свободны импульсные испытания, так как от ГИН легко получить разрядные токи от 100 до 1000 А, значительно превышающие пороговые токи вакуумных дуг, а осциллографическая регистрация надежно свидетельствует о нарушении электрической прочности. Однако импульсные испытания значительно более трудоемки, особенно при исследованиях.

Рис. 3. Типичные вольт-амперные характеристики ВДК.

Были проведены измерения как при промышленной частоте, так и при импульсном напряжении. Высокое напряжение промышленной частоты прикладывалось от трансформатора с током короткого замыкания 1 А. Ток пробоя усиливался до 100 А цепью RC, подключенной параллельно испытуемой ВДК. В момент пробоя от воздушного трансформатора тока запускались осциллограф и счетчик числа пробоев. Эмиссионные токи измерялись по падению напряжения на активном сопротивлении.
Импульсные измерения проводились от ГИН с выходной емкостью 0,05 мкФ и амплитудой тока разряда 200-500 А.
Тренируемость ВДК пробоями. Электрическая прочность ВДК исследовалась при плавном подъеме напряжения до наступления пробоев, подсчитывалось их количество, а после выдержки в течение 1 мин напряжение повышалось дальше.

Так были получены тренировочные характеристики (рис. 1), анализ которых показывает, что пробивное напряжение ВДК после 100-500 пробоев возрастает в 2-4 раза;

напряжение первых пробоев меняется от расстояния между контактами, материала контактов и воздействий на камеру перед испытаниями;
напряжение возникновения наружных пробоев зависит в основном от конструкции оболочки камеры;
значения пробивных напряжений имеют значительный разброс.
Изменение пробивного напряжения после различных воздействий на ВДК. Так как для оценки эксплуатационных свойств ВДК важно именно напряжение первого пробоя, то были проведены измерения напряжения первого пробоя камеры с медными контактами после различных воздействий при зазоре между контактами 6 мм. Результаты измерений при импульсном напряжении приведены в таблице.
Из данных таблицы следует, что минимальные пробивные напряжения наблюдаются после холостых включений и отключений камер с большими скоростями соударения контактов, такие режимы возникают при отключении трансформаторов, работающих вхолостую, и ненагруженных линий при механических испытаниях аппаратов.
Влияние материала контактов на уровень электрической прочности. После установления режима воздействия, наиболее сильно снижающего электрическую прочность ВДК, в этом режиме были испытаны камеры с различными контактными материалами. На рис. 2 приведены зависимости напряжений первого пробоя различных ВДК от расстояния между контактами. Результаты были получены после 10 включений контактов с энергией соударения 1-2 Дж и бестоковых размыканий. Каждая точка получена из 3-5 опытов, а для вольфрамовых контактов - из 21 опыта. Контакты из вольфрама были цилиндрическими, диаметром 16 мм, а из композиционных материалов вольфрам-медь, железо- медь-сурьма, железо-медь-висмут диаметром 28 мм; контакты из меди и меди-висмута - сложной формы диаметром 70 мм.
Из рис. 2 следует, что ВДК с контактами из меди, сплава медь-висмут и композиции железо-медь-висмут обладают примерно одинаковой и самой низкой электрической прочностью. Значительно выше электрическая прочность в случае вольфрамовых контактов, а также контактов из композиции вольфрам-медь и железо-медь- сурьма. Интересно, что несмотря на значительное отличие воздействий на контакты ВДК в данном случае по сравнению с воздействиями на электроды других электровакуумных приборов, напряжение первого пробоя выше у твердых, прочных материалов и снижается при ухудшении механических свойств, что является давно известной закономерностью, но полученной в условиях высокотренированных контактных промежутков [Л. 7]. Этим можно объяснить значительное отличие напряжений первого пробоя у контактов из композиции железо-медь с добавками сурьмы и висмута.
Сурьма образует с медью твердый раствор с высокими механическими свойствами, а висмут не растворяется в меди и выпадает по границам кристаллов в виде прослоек с низкой механической прочностью. Не совсем ясно влияние механически прочного каркаса на электрическую прочность. Так, в композиции вольфрам-медь каркас из вольфрама резко повышает электропрочность меди, а в композиции железо-медь-висмут электрическая прочность близка к прочности сплава медь-висмут.
Токи проводимости в ВДК. Измерение этих токов было проведено как с целью получения дополнительной информации о характерных механизмах пробоя ВДК, так и для выяснения их влияния на эксплуатационные характеристики камер.
Измерения на переменном напряжении 50 Гц показали, что существует два типа вольт-амперных характеристик ВДК:
линейные характеристики, вплоть до напряжения пробоя (рис. 3);
нелинейные характеристики, состоящие от начального линейного участка с резким увеличением тока, начиная с некоторого напряжения (рис. 3).
Измерение емкости камер показало, что линейный участок вольт-амперных характеристик определяется емкостным током и всегда одинаков для одинакового типа камер. Для нелинейной части характера нестабильность как по типам камер и контактным материалам, так и от опыта к опыту на одной и той же камере. Так, было отмечено, что в одной и той же камере после бестоковых замыканий и размыканий возможны линейные и нелинейные характеристики. Практически воспроизводимости нелинейного участка удается добиться, лишь оставив камеру разомкнутой и не допустив значений эмиссионных токов выше 10'3 А. Измерения на многих камерах позволили установить, что минимальное напряжение возникновения эмиссионных токов (порядка 104 А) линейно увеличивается с ростом межконтактного промежутка, причем средняя напряженность электрического поля при этом равна 105 В/см.
Нелинейные токи в 1 мА и более (рис. 3) в рабочем диапазоне напряжений совершенно недопустимы, так как они сильно нагревают электроды ВДК, вызывают появление мощного рентгеновского излучения, искажают распределение напряжения при последовательном соединении камер. Последнее усугубляется тем, что нелинейные токи очень нестабильны и имеют вентильный характер. Поэтому при создании аппаратов на основе ВДК необходимо выбирать величины межконтактных промежутков и их число так, чтобы при амплитудном значении наибольшего рабочего напряжения не превысить указанного значения напряженности поля В/см.
При одноминутном испытательном напряжении 50 Гц допустимо появление небольших эмиссионных токов (ввиду кратковременности их действия), однако в многоразрывных аппаратах в этом случае необходимо учитывать искажение распределения напряжения по разрывам. При импульсных испытаниях стандартной волной эмиссию можно не принимать во внимание, если многоразрывный выключатель снабжен емкостным делителем напряжения.
Предпробивные токи при импульсном напряжении. Для выявления особенностей вакуумного пробоя ВДК использовался импульс напряжения с крутым фронтом и большой длиной волны 1,5/3000 мкс. В случае пробоя через камеру проходил ток апериодической формы с амплитудой 200- 800 А и длительностью / -10-20 мкс. Амплитуда и форма тока пробоя выбрана для обеспечения надежной фиксации наличия дугового пробоя ВДК.
Исследование предпробивных токов при воздействии импульсной волны 1,5/ 3000 показало, что возникновению пробоя обычно предшествует появление токов 0,1 mA</w<100 мА, причем значения их зависят от предыдущих воздействий на контакты.
Формы предпробивных токов очень разнообразны. Наиболее характерные типы приведены на рис. 4.
Первый тип предпробивных токов существует при малых значениях

1. 5 м\<mA<2+5 мА (рис. 4,а); он легко воспроизводим, и при увеличении или уменьшении напряжения значение его соответственно увеличивается или уменьшается. Анализ зависимости тока от напряжения показал, что этот ток представляет собой автоэмиссионный ток с острия, имеющего характерные размеры по высоте 10 3—102 и по радиусу 5* 106—5-10 5 см [Л. 8].

Второй тип существует при токах 1т>2-5 мА и характеризуется наличием максимума, отстоящего от максимума напряжения на 50-100 мкс (рис. 4,6). Эта форма тока хорошо воспроизводима от импульса к импульсу, и значение его меняется в соответствии с изменением амплитуды прикладываемого напряжения. В случае увеличения тока до 20-50 мА отмечается тенденция уменьшения времени задержки максимума со 100 до 50 мкс.
Аналогичные устойчивые повышения предпробивного тока наблюдались в [Л. 5], которые исчезали после подогрева автоэмиттера до Г=1500 К. Это позволяет заключить, что причиной увеличения тока автоэмиссии является повышение температуры эмиттера до 1500-2000 К.
Теоретические расчеты [Л. 6] показали, что максимальное устойчивое повышение термоавтоэлектонного тока возможно до величины у . В наших экспериментах увеличение предпробивного тока не превышало /= 1,5 / , что может служить дополнительным подтверждением термической природы повышения эмиссионного тока при форме второго типа.
Третий тип предпробивного тока наблюдался только при очень медленном подъеме напряжения (до 1,5 кВ на импульс) при его приближении к пробивному значению и характеризуется проявлением «плавающего максимума» тока (рис. 4,в). Эта форма тока воспроизводима в очень узком интервале напряжений, причем высота «плавающего максимума» и время его появления на осциллограмме тока нестабильны. При увеличении шага роста амплитуды импульса наблюдаются пробои ВДК либо на восходящей части «плавающего максимума» (рис. 4,г), либо на нисходящей (рис. 4,д). Случайный характер их появления свидетельствует о некотором случайном сочетании неблагоприятных факторов. Это, в первую очередь, сочетание воздействия начального термоавтоэлектронного тока на поверхность анода и десорбции газов или загрязнений, находящихся в области воздействия пучка электронов. Электрический заряд, перенесенный «плавающим максимумом» (рис. 4,в), равен примерно 2-106 Кл.

Рис. 4. Типичные формы осциллограмм предпробивных токов.
Это означает, что через промежуток прошло 1013 электронов и ионов. Для сравнения можно отметить, что на 1 см2 поверхности моноатомный слой адсорбированного газа содержит 1015 атомов. Сопоставления этих цифр показывают, что появление «плавающих максимумов» может быть связано с десорбцией газовых пленок или легколетучих загрязнений под воздействием электронной бомбардировки и обычными процессами усиления тока в газовом промежутке. Характерно, что в экспериментах часто наблюдались пробои именно в области «плавающего максимума» (рис. 4,г и д). Измерения предпробивных токов при импульсном напряжении позволяют сделать однозначный вывод о том, что резкое снижение электрической прочности ВДК при бестоковых замыканиях происходит в результате возникновения эмитирующего острия на электродах.
Из литературы известно, что столь же сильное влияние оказывает присутствие слабосвязанных частиц размерами более 1 мм на электродах [Л. 9- 11], однако для пробоев инициированных частицами, характерны времена задержки от момента приложения напряжения 10'4-10 1 с и предпробивные токи, не превышающие 10'7А [Л. 12].
Установлено, что при бестоковых замыканиях и размыканиях контактов ВДК задержки в 100-300 мкс можно получить лишь очень медленно повышая прикладываемое напряжение. Уже при увеличении следующего импульса на 5% по отношению к предыдущему пробои возникают с запозданием не более 10'5 с, при этом во всех случаях токи превышают 10'4 А. Сказанное не означает, что пробои, вызванные частицами, следует считать нереальными, однако их появление в наиболее напряженном месте промежутка - весьма редкое явление, с почти полной достоверностью не совпадающее по времени с возникновением в цепях кратковременных коммутационных или грозовых импульсов напряжения.

Список литературы

1. Вакуумные выключатели в СССР и за рубежом. М.: Информэлектро, 1973.
2. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972.
3. Трансформаторы, реакторы, аппараты и изоляторы высокого напряжения. Нормы и методы испытаний электрической прочности изоляции. ГОСТ 1516-73. М., 1973.
4. Разработка новых контактных материалов для вакуумных выключателей - ЭП. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1975, вып. 5 (49). Авт. Белкин Г. С., Воскресенский С.Н., Киселев В.Я. и др.
5. Сокольская И.Л., Фурсей Г.Н. Изучение явлений, предшествующих разрушению вольфрамовых эмиттеров. - Радиотехника и электроника, 1962, т. 7, № 9.
6. Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Шубин А. Ф. Расчет термоавтоэмиссии, предшествующей взрыву микроэмиттеров. - Изв. вузов. Физика, 1970, № 4.
7. Розанова Н.Б., Грановский В.Л. О возникновении электрического пробоя высоковакуумного промежутка. - ЖТФ, 1956, т. 26, № 3.
8. Chatterton РА. A theoretical study of field emission on initiated vacuum breakdown/ - «Ргос. Phys. Soc.», 1966. vol. 88, p. 231 -245.
9. Мартынов E.П., Иванов В.А. Микроразряд проводящих частиц и пробой вакуумного промежутка. - «Радиотехника и электроника», 1969, т. XIV, № 11.
10. Олендзская Н.Ф. Пробой вакуумного промежутка. - Радиотехника и электротехника, 1963, №3, т. VIII.
11. Пошехонов П.В., Соловьев В.И. К вопросу об инициировании вакуумного пробоя микрочастицами. - Электронная техника. Газоразрядные приборы, 1970, вып. 3(19).
12. Chatterton Р.А., Biradar PI. Microparticle processes occurring prior to vacuum breakdown. - «Z. angew. Plus.», 1970, vol. 30, № 2-3.