Начальная стадия вакуумной дуги отключения

Селикатова С.М., Лукацкая И.А.

Начальная стадия вакуумной дуги отключения исследовалась методом скоростного фотографирования и осциллографирования напряжения и тока дуги. Условия опытов: материал электродов W, Mo, Си, Ni, Sn, Al, Be, токи 0,2-4,5 ка, давление остаточных газов < 10-5 тор. Показано, что при расстоянии между электродами больше некоторого предела вакуумная дуга с неподвижными катодными пятнами трансформируется в дугу с движущимися пятнами и напряжение на дуге падает. Это предельное расстояние тем больше, чем больше ток дуги и атомный вес металла электродов. Наименьшее напряжение на дуге с неподвижными катодными пятнами в несколько раз меньше напряжения на дуге с движущимися катодными пятнами и близко к потенциалу ионизации атомов металла электродов. Образование дуги с неподвижными катодными пятнами может быть объяснено повышением плотности пара в междуэлектродном промежутке вследствие нагрева анода.
Введение
В последние годы появился ряд работ [1-4] по исследованию вакуумных дуг. Было показано, что вакуумным дугам свойственны движущиеся катодные пятна, деление и погасание пятен. Напряжение на дугах этого типа определяется материалом катода, не превышает нескольких десятков вольт и при междуэлектродных промежутках до 1 см не зависит от их величины.
В работе [5] в начальной стадии вакуумной дуги отключения на вольфрамовых электродах был обнаружен иной вид вакуумной дуги. Особенности этого вида дуги заключаются в следующем:

1. каналы тока и катодные пятна практически неподвижны;
2. напряжение на дуге в момент ее образования заметно меньше, чем в дуге с движущимися катодными пятнами, и по мере расхождения электродов растет; 3) имеют место взрывы на электродах с выбросом капель металла.
3. Дугой отключения называют дугу, образующуюся на электродах, размыкающих цепь тока.

Будем в дальнейшем дугу с движущимися катодными пятнами называть дугой первого вида, с неподвижными - дугой второго вида. По истечении некоторого времени по мере расхождения электродов второй вид дуги переходил в первый. В настоящей работе исследовалось влияние материала электродов, их диаметра и скорости расхождения на начальную стадию вакуумной дуги отключения.2

Условия и методика опытов

Производилось скоростное фотографирование и осциллографирование напряжения и тока дуги отключения при токах 0,2-4,5 ка. Исследования проводились на металлах W, Mo, Си, Ni, Sn, Al, Be. Электроды имели вид стержней длиной 2,5 и диаметром 1 см, а в случае вольфрамовых электродов 0,5 и 2,8 см. Они впаивались в медные вводы и помещались на оси экспериментальной разборной вакуумной дугогасительной камеры (рис. 1), снабженной тубусом со смотровым окном для фотографирования. Наличие тубуса уменьшало телесный угол запыления смотрового окна продуктами эрозии электродов. Напротив тубуса помещался оптический карман в виде рога, покрытого изнутри аквадагом, исключавший формирование на стенке корпуса камеры мешающего изображения дуги. Один из электродов - катод - был неподвижным, другой - анод - соединялся вакуумно плотно с корпусом камеры через сильфон и мог перемещаться. Он приводился в движение электромагнитным или индукционно-динамическим приводом со скоростью 20-300 см/сек. [6]. Ход анода составлял 0,3 см. Дуга возбуждалась при размыкании электродов, по которым протекал ток разряда конденсаторной батареи емкостью 2,8* 10-2ф, заряженной до 300 в. Величина тока регулировалась путем изменения сопротивления в цепи батареи. Разряд был апериодическим. Скоростное фотографирование производилось установкой СФР [7] в режиме зеркальной развертки и покадровой съемки. В режиме зеркальной развертки плоскость контактирования располагалась параллельно оптической оси системы и перпендикулярно направлению развертки.

Рис. 1. Экспериментальная вакуумная дугогасительная камера.
1 — катод, 2 — анод, 3 — медные вводы, 4 — сильфон, 5 — смотровое окно,
6 — тубус, 7 — оптический карман.

На пути луча вращающегося зеркала СФР помещалось узкое неподвижное зеркало, заслонявшее небольшой участок фоторазвертки или фильма СФР и отражавшее этот луч на катод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Импульс тока в цепи ФЭУ, осциллографировавшийся одновременно с напряжением и током дуги, и неэкспонированный участок фоторазвертки или фильма позволяли устанавливать временное соответствие осциллограмм тока и напряжения дуги и СФР- грамм. Перед опытами камера обезгаживалась путем выполнения следующих операций: 1) прогрева в электрической печи при температуре 450° С; 2) нагрева замкнутых электродов до 800-900° С путем пропускания через них переменного тока 1000 а (за исключением электродов из Sn и А1); 3) выполнением нескольких сотен отключений тока 500 а. Опыты проводились при давлении остаточных газов 10-5-10-6 мм рт. ст. и непрерывной откачке.
Результаты измерений

Рис. 2 Фоторазвертка (а) и осциллограмма (6) напряжения вакуумной дуги отключения.
Элекфоды из вольфрама диаметром 2.8 см. Скорость расхождения электродов 40 см/сек 1=1 4 ка. I — мое I и к, II — дуга второго вида, III — дуга первого вида. Перерыв в свечении на фоторазвертке соответствует попаданию света на ФЭУ.
На всех металлах в начальной стадии дуги отключения наблюдалась дуга второго вида. Типичные СФР- грамма и осциллограмма приведены на рис. 2. Анализ осциллограмм и СФР-грамм показал, что общим для всех металлов является следующее. Непосредственно после взрыва металлического мостика между электродами возникает дуга и происходит расширение канала тока дуги со скоростью ~5*10+5 см/сек. Этот процесс продолжается не более 10-15 мксек., после чего устанавливаются неподвижные каналы тока. Число каналов с ростом тока увеличивается. На вольфрамовых электродах на один канал приходится ток 200-500 а, что вдвое превышает ток на один канал в дуге первого вида [5]. Между неподвижными каналами тока, если судить по характеру их свечения, систематически происходит перераспределение тока постепенно или скачком, сопровождающимся взрывом на катоде с выбросом капель металла. Частота взрывов с ростом тока возрастает. Имеет место свечение не только у катода, но и у анода. Области свечения на катоде и аноде разделены более темным пространством. В ряде случаев свечение у анода сохраняется в течение нескольких десятков микросекунд и после перехода второго вида дуги в первый, затем оно полностью исчезает. Свечение у катода приобретает вид конуса с вершиной на катоде, как это ранее наблюдалось в работе [2]. Вскрытие камеры показало, что после опытов катод изрыт многочисленными кратерами, анод имеет оплавленную поверхность.
Напряжение на дуге имеет наименьшее значение в начальный момент образования дуги, далее, по мере расхождения электродов, оно возрастает. Рост напряжения происходит ступенями, особенно на ранних стадиях существования дуги, и продолжается до тех пор, пока оно не станет равно или больше напряжения горения дуги первого вида. При этом происходит переход второго вида дуги в первый, после чего напряжение на дуге с течением времени практически не изменяется, несмотря на продолжающееся расхождение электродов.
Рост напряжения в стадии дуги второго вида коррелируется со взрывами. Взрыву обычно предшествует некоторый подъем напряжения. В момент взрыва рост напряжения замедляется, прекращается или происходит его спад на несколько вольт в зависимости от интенсивности взрыва, о которой можно судить по яркости свечения в месте взрыва. Сопоставление осциллограммы с СФР-граммой для вольфрамовых электродов приведено на рис. 2.
На всех исследовавшихся металлах наблюдалось увеличение времени существования дуги второго вида с ростом тока. Оно увеличивалось также при уменьшении диаметра электродов.
Отличия в особенностях начальной стадии дуги отключения на разных металлах заключаются в следующем.
От рода металла зависит характер перехода дуги второго вида в первый. На электродах из Си, Ni, Sn этот переход происходит более плавно, чем на остальных металлах. Плавному переходу соответствует промежуточная стадия дуги, при которой одновременно существуют неподвижные и движущиеся катодные пятна. Опыты с катодом и анодом из разных металлов показали, что характер перехода дуги второго вида в первый определяется материалом катода.
Заметное отличие для разных металлов наблюдается во времени существования т дуги второго вида, т в функции от тока для металлов W, Мо, А1 приведено на рис. 3. Каждая точка рис. 3 представляет собой среднее из 10-15 измерений. Ввиду более плавного перехода одной формы дуги в другую т для Си, Ni, Sn не могло быть точно определено. Приближенные его значения близки к данным для W и Мо. В случае электродов из Be т во всем диапазоне токов не превышало нескольких десятков микросекунд. Кривые на рис. 3 представляют собою степенные зависимости. Показатель степени, равный для W - 1.2, для Мо - 1, для А1 - 7, убывает с уменьшением атомного веса металла.

Влияние скорости расхождения электродов на т исследовалось для электродов из W и Мо. Полученная зависимость для W приведена на рис. 4, из которого видно, что т обратно пропорционально v. Это означает, что дуга второго вида прекращает свое существование при междуэлектродном расстоянии с/, большем некоторой определенной величины, не зависящей от скорости расхождения электродов.
Из рис. 3 следует, что это расстояние тем больше, чем больше ток дуги и атомный вес металла электродов. Чтобы проверить роль расстояния между электродами в существовании дуги второго вида, вольфрамовые электроды, между которыми горела
дуга, замыкались. И в этом случае при сближении электродов до некоторого расстояния происходила трансформация вида дуги, и напряжение на дуге начинало спадать. Спад напряжения, как и его подъем, в начальной стадии дуги отключения носил ступенчатый характер (рис. 5). Этот опыт подтвердил важную роль расстояния между электродами в существовании вакуумной дуги второго вида.

Рис. 4. Зависимость времени существования дуги второго вида на электродах их вольфрама диаметром 0,5 см от скорости из размыкания.
I = 2 ка. 1 - х, 2 - расстояние d, при котором происходит видоизменение дуги.

Рис. 3. Зависимость времени существования дуги второго вида от отключаемого тока.
1 - W, 2 - Мо, 3 - А1. Скорость расхождения электродов 40 мс/сек. Справа на оси ординат нанесена шкала расстояний, соответствующих х для заданного тока.
Отдельно следует остановиться на наименьших напряжениях на дуге второго вида, которые наблюдались в момент возникновения дуги отключения (рис. 6). Их величина не зависела от напряжения [У, на дуге первого вида. Интервал значений U] обусловлен ростом U с увеличением тока дуги, что наблюдалось и другими авторами [2], и соответствует диапазону исследованных токов 0,2-4,5 ка. В табл. 1 приведены также для сопоставления падения напряжения U в вакуумных дугах, полученные в работах [3, 4, 8], и потенциалы возбуждения метастабильного уровня U и однократной U ионизации атомов. Из этой таблицы видно, что U , лишь на несколько вольт превышает Ur Исключение составляют А1 и Be. У А1 U , почти совпадает с [/, у Be на несколько вольт меньше. Последнее можно объяснить ступенчатой ионизацией, так как у Be сравнительно велик Um. Полученные тока и определялась материалом электродов.

На металлах W, Mo, Be наименьшее напряжение на дуге могло принимать два значения. Обозначим их U , и U В табл. 1 приведены U наибольшие напряжения U , наблюдавшиеся в дуге второго вида, и нами Um.m] ближе всего к данным [8] для напыленных катодов и меньше U, наблюдавшихся другими авторами на вакуумных дугах. Значения U] в основном согласуются с данными [3, 4].
Интересно отметить, что наименьшее напряжение на дуге второго вида,
Таблица 1

наблюдавшееся при замыкании электродов, соответствовало U 2.
Следует обратить внимание на отличие в характере напряжения на дуге при изменении расстояния между электродами в случаях, когда дуга горит в вакууме и в воздухе.

Рис. 5. Осциллограмма напряжения дуги при замыкании электродов из вольфрама диаметром 1 см, между которыми горела дуга.
I - 0.5 ка. I - мостик, II - дуга второго вида,
III - дуга первого вида. Минимальное напряжение на дуге перед замыканием электродов 13 в.
В воздухе [9] напряжение на дуге монотонно спадает, и лишь перед замыканием электродов наблюдаются два скачкообразных спада напряжения. Первый скачок приписывается анодному падению, второй - катодному. В нашем случае, несмотря на сближение электродов, напряжение на дуге продолжает оставаться постоянным до тех пор, пока не произойдет перехода одного вида дуги в другой. Постоянство напряжения на вакуумной дуге первого вида при сближении электродов объясняется тем, что в этом случае за областью катодного падения существует область постоянного вдоль промежутка потенциала [10]. Далее, когда напряжение начинает снижаться, наблюдаются не один- два скачка, как в [9], а много скачков. Причем скачки напряжения синхронны со взрывами на катоде.

Рис. 6. Осциллограмма напряжения дуги отключения на электродах из вольфрама.
1-1,9 ка. Стрелка указывает на минимальное напряжение на дуге, равное 10 в.
Можно думать, что в коротких катодных и анодных дугах [11], наблюдавшихся при расстояниях порядка 10'4 см и небольших токах, физическая природа явлений та же, что и в дуге второго вида. Это же можно сказать и о так называемой мгновенной неподвижности дуги, наблюдавшейся при воздействии на дугу отключения внешним магнитным полем [12]. Однако в работе [12] при уменьшении давления воздуха до 100 мм рт. ст. стадия мгновенной неподвижности исчезала, что обусловлено, по-видимому, малыми токами дуги.

Обсуждение результатов

Основные закономерности, обнаруженные в настоящей работе, сводятся к следующему: 1) при расстоянии между электродами ниже некоторого предела образуется дуга второго вида с неподвижными катодными пятнами, 2) предельное расстояние увеличивается с ростом тока и атомного веса металла электродов, 3) в момент образования дуги второго вида при размыкании электродов напряжение на дуге близко к потенциалу ионизации атомов металла электродов.

Рассмотрим вначале процессы, которые могут привести к трансформации движущихся катодных пятен в неподвижные. Согласно представлениям, развитым Кесаевым [1], высокая подвижность катодных пятен вакуумных дуг первого вида в значительной степени обусловлена асимметрией собственного магнитного поля вокруг них. Там, где напряженность магнитного поля выше, диффузионные потери электронов и ионов меньше и, следовательно, больше плотность ионного тока к катоду. Это способствует систематическому смещению катодных пятен в область большего магнитного поля, следствием чего является непрекращающееся хаотическое движение катодных пятен. При более высоких давлениях окружающей среды, при которых свободный пробег электронов и ионов становится меньше радиуса Лармора, влияние магнитного поля на диффузию заряженных частиц уменьшается. Это должно привести к замедлению или прекращению движения катодных пятен, что и наблюдается в случае металлических дуг, горящих при давлениях порядка атмосферного и более высоких [13]. Таким образом, прекращение движения катодных пятен может произойти из-за увеличения давления окружающей среды. Следует указать, что в случае тугоплавких электродов фиксации катодных пятен может способствовать, по-видимому, и термоэлектронная эмиссия катода.
Попытаемся выяснить, может ли сближение электродов вызвать значительное увеличение плотности пара в области существования дуги.
Как уже упоминалось, свечение вакуумной дуги имеет вид конуса с вершиной на катоде. По-видимому, такой же профиль имеет и область прохождения тока, т.е. плотность тока у катода значительно превосходит плотность тока у анода. Последнее подтверждается тем фактом, что большая часть энергии дуги рассеивается на аноде, а эрозии подвержен главным образом катод [2]. При конусной конфигурации линий тока сближение электродов приводит к увеличению температуры анода и может привести к его испарению. Насколько значительным может быть повышение температуры анода, видно из следующей оценки. При кратковременном воздействии плоского источника тепла температура на поверхности полубесконечного стержня может быть выражена формулой [14]

где а - температуро-проводность металла; X - коэффициент теплопроводности; АТ - приращение температуры поверхности тела за время t воздействия удельного теплового потока Р. Примем Р равным его наименьшему возможному значению
Р = jφ                             (2)
где j - плотность тока у анода; φ - работа выхода анода. Как следует из полученных нами СФР-грамм, в дуге второго вида j порядка 10+6 а/см2. Решив уравнение (1) относительно t и положив АТ равным температуре кипения анода, можно оценить время, необходимое для нагрева анода до температуры кипения. Полученные значения t в предположении, что j = 10+6 а/см2, приведены в табл. 2. Из таблицы следует, что времена нагрева анода до температуры кипения весьма малы по сравнению с т и, следовательно, испарение анода и повышение за счет этого плотности пара при малых междуэлектродных промежутках вполне возможно.
В пользу такого представления свидетельствует наблюдавшееся нами свечение у анода дуги второго вида и его инерционность. Естественно, что чем больше ток дуги, тем при большем междуэлектродном расстоянии наступает заметное испарение анода.

Таблица 2

Влияние атомного веса металла электродов на существование дуги второго вида можно объяснить следующим образом. При увеличении атомного веса, во-первых, замедляется уход пара из междуэлектродного промежутка, что приводит к увеличению плотности пара при прочих равных условиях, во-вторых, уменьшается концентрация пара, при которой собственное магнитное поле перестает оказывать влияние на диффузию заряженных частиц из области существования дуги. Оба обстоятельства способствуют возрастанию наибольшего расстояния между электродами, при котором еще может существовать дуга второго вида.
Вследствие практической неподвижности катодных пятен дуги второго вида и нахождения их в течение сравнительно больших отрезков времени на одном месте в этом месте возникают взрывы на катоде с выбросом капель металла.
Ввиду ступенчатого изменения напряжения на дуге второго вида при изменении расстояния между электродами и синхронности его со взрывами на катоде, нам представляется маловероятным его объяснение за счет существования положительного столба и изменения его длины. Возможной причиной изменения напряжения на дуге является изменение катодного падения вследствие изменения плотности пара. Увеличение плотности пара при сближении электродов приводит к увеличению числа актов ионизации, вследствие чего падает напряжение на дуге.
Известно, что при прямой ионизации электронным ударом и отсутствии максимума (так называемого «бугра») потенциала в катодной области дуги катодное падение потенциала и, следовательно, наименьшее падение напряжения на дуге U должно удовлетворять условию
(3)
где - работа выхода катода. Знак равенства в левом неравенстве соотношения (3) соответствует термоэлектронной эмиссии из катода, в правом - автоэлектронной эмиссии, промежуточный случай - термоавтоэлектронной эмиссии. Учитывая это, можно предположить, что в случае Umm] имеет место термоэлектронная или термоавтоэлектронная эмиссия, в случае U ^ - автоэлектронная эмиссия.

Выводы

1. Форма вакуумной дуги с неподвижными катодными пятнами, пониженным напряжением на дуге, повышенной эрозией в виде взрывов, с выбросом капель металла из катода, названная нами дугой второго вида, наблюдалась на всех исследовавшихся металлах: W, Mo, Си, Ni, Sn, Al, Be.
2. Эта форма дуги возникает при расстояниях между электродами ниже некоторого предела. Поэтому она наблюдается как в начальной стадии вакуумной дуги отключения, так и при сближении электродов, между которыми горит дуга.
3. Предельное расстояние, при котором возникает вакуумная дуга второго вида, тем больше, чем больше ток дуги и атомный вес металла электродов.
4. Наименьшее напряжение на дуге второго вида в большинстве случаев незначительно превышает потенциал ионизации металла электродов и в несколько раз меньше падения напряжения в дуге с движущимися катодными пятнами, названной нами дугой первого вида.
5. Образование дуги второго вида может быть объяснено повышением плотности пара в междуэлектродном промежутке вследствие нагрева анода и влиянием плотности пара в окрестностях катодного пятна на диффузию заряженных частиц в собственном магнитном поле дуги.

Литература

1. И.Г. Кесаев. Катодные процессы электрической дуги. Изд. «Наука», 1968.
2. М.Р. Reece. Ргос. IEE, 110,793,1963.
3. В.Е. Граков. ЖТФ, XXXVII, 396,1967.
4. М.О. Paul. Nature, 215, № 5109,1474,1967.
5. 5 .И.Л. Лукацкая. Ргос of the VII Intern. Conf. on Phen. in Joniz Gases, Beograd, 1,412,1966.
6. F. Kesselrimg. Electrotechn. Z., A88,593,1967.
7. A.C. Дубовик. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. Изд. Наука, 1964.
8. В.Е. Граков. ЖТФ, XXXVII, 1704,1967.
9. D.J.           Dickson, A. von Engel. Ргос. Roy. Soc, А300, № 1462,316,1967.
10. КН. Клярфельд, БД. Соболев. ЖТФ, XVII, 319,1947.
11. L.          Germer. J. Appl. Phys., 27,32,1956.
12. S. Jamamura. J. Appl. Phys., 21,193,1950.
13. В. Финкельбург, Г. Меккер. Электрические дуги и термическая плазма. ИЛ, М., 1961.
14. А.В. Лыков. Теплопроводность нестационарных процессов. Госэнергоиздат, 1948.