Белкин Г.С., Данилов М.Е., Лукацкая И.А., Перов В.В.
Требования, предъявляемые к контактным материалам вакуумных выключателей, настолько разнообразны, что в ряде случаев оказывается целесообразным использование металлокерамических композиций в качестве контактного материала. Металлокерамическая композиция может содержать компоненты с самыми разнообразными физическими свойствами. При этом, как показали исследования [Л. 1], происходит не просто суммирование полезных качеств каждого компонента, а появляются новые качества, не присущие ни одному из входящих в композицию компонентов.
В настоящей работе рассматриваются особенности условий существования дуги на металлокерамических композициях, влияющие на характеристики тока среза в вакуумных выключателях. Устойчивость дуги на однородных металлах изучалась рядом исследователей [Л. 2 и 3], но исследований устойчивости вакуумной дуги на металлокерамических композициях крайне недостаточно.
Результаты экспериментального исследования среза тока. Измерения тока среза проводились в разборных вакуумных камерах при остаточном давлении около 10‘5 мм рт. ст.* Перед измерениями проводилась вакуумно-технологическая обработка контактов, включающая отжиг камеры и тренировку отключениями. Испытывались контакты диаметром 20 и 28 мм. Измерения проводились путем выполнения не менее 50 отключений тока 15,5 или 21,5 а при активной нагрузке и напряжении 220 в. Фаза размыкания контактов была произвольной. По результатам экспериментов определялись средние величины тока среза для ряда контактных материалов.
В таблице приведены данные по среднему току среза для некоторых материалов контактов. В таблице даются для однородных материалов и коэффициенты аккумуляции тепла
где X - коэффициент теплопроводности, С - удельная теплоемкость, у - плотность материала. Эти коэффициенты определяют скорость роста температуры, поверхностного слоя при заданном источнике тепла.
Из таблицы видно, что металлокерамические композиции, содержащие только материалы с достаточно большим током среза (например, вольфрам-медь) имеют средний ток среза значительно меньший (в 2-3 раза), чем однородные металлы, входящие в эти композиции. В этом проявляется качественное различие в условиях горения дуги на однородных материалах и металлокерамических композициях. У таких контактных материалов средний ток среза примерно такой же, как и у сплавов с легколетучей составляющей (медь-сурьма, медь-висмут). Это наводит на мысль, что в металлокерамических композициях вольфрам- медь и железо-медь условия генерации пара при горении дуги не хуже, чем у материалов с легколетучей добавкой. Для выявления особенностей поведения вакуумной дуги на металлокерамических композициях было проведено микрофотографирование поверхности контактов.
Контакты тщательно полировались и на выбранный участок контакта наносились метки. Этот участок фотографировался до и после горения дуги. Фотоснимки, сделанные до и после протекания тока, сравнивались между собой. На рис. 1 представлена микрофотография одного из участков поверхности контакта из металлокерамической композиции железо-медь. Анализ рис. 1 показывает, что следы затрагивают границы между зернами железа и медными включениями. Причиной этого, вероятно, является то, что условия существования пятен на границе раздела более благоприятны.
Как показали измерения напряжения горения дуги [J1.1], дуга на металлокерамической композиции железо- медь существует при меньших напряжениях, чем на однородных меди и железе. Поэтому обычно след привязан к какой-нибудь неоднородности. Конечно, при возникновении дуги вероятно возникновение пятен и в центральных областях медных и железных включений. Однако в результате переходного процесса дуга «найдет» условия существования с меньшим напряжением горения, с меньшими затратами энергии. Случайные попадания пятен на границы раздела обеспечат более интенсивное протекание тепловых и других процессов в этих пятнах, и через небольшое время весь ток сосредоточится в этих пятнах. В результате флуктуаций напряжения установится минимально возможный уровень напряжения. Таким образом, эксперименты показывают, что катодные пятна сосредоточиваются на границах раздела компонентов. В результате дуга на металлокерамической композиции устойчивее, чем на меди.
Проверка устойчивости катодного пятна дуги (как некоторой системы) может быть проведена изложением некоторого возмущения. Если существуют факторы, способные вернуть систему (катодное пятно) в исходное состояние, то система устойчива.
Сравнение условий горения дуги на металлокерамических композициях и однородных материалах. Основные допущения и модель, принятые при анализе устойчивости дуги. Как было показано в [Л.2], устойчивость вакуумной дуги связана с устойчивостью отдельных катодных пятен. Условием устойчивого состояния катодного пятна является достаточно высокая температура поверхности, при которой обеспечивается эмиссия нейтральных частиц и электронов. На однородных материалах высокая температура в катодном пятне в основном поддерживается за счет потока тепла из приэлектродных областей. Этот поток тепла, в свою очередь, является функцией температуры поверхности и имеет распределение по поверхности, соответствующее распределению температуры.
Неустойчивость катодного пятна, вероятно, связана с комплексом нестационарных явлений у поверхности - разлет нейтральных и заряженных частиц из области высокого давления у поверхности, взаимодействие встречных потоков атомов пара и ионов и др.
Рис. 1. Микрофотография торцевой поверхности контакта из металлокерамической композиции железо-медь (светлыми кружками выделены следы катодных пятен).
В таких условиях могут возникать резкие спады нагревающего теплового потока из прикатодных областей. В условиях резкого спада нагревающего потока вероятность распада или «выживания» пятна будет зависеть от того, как спадает при этом температура поверхности и каким увеличением напряжения на некоторое уменьшение тока отвечает электрическая цепь.
Для изучения устойчивости вакуумной дуги при разных контактных материалах применим следующий подход. Зададим прямоугольный импульс нагревающего потока некоторой длины и проследим спад температуры поверхности после его исчезновения. Определим, за какое время после вносимого возмущения температура спадает до некоторого необратимого значения (например, до температуры кипения при атмосферном давлении) при различных материалах. Поток тепла из прикатодных областей примем равным 4,19* 10+6 дж/см2 сек. Анализ следов дуги на металлокерамических композициях показал, что пятна обычно перекрывают границы раздела компонентов.
В металлокерамических композициях на границе двух металлов поток тепла, выделяющийся на поверхности, не может меняться скачкообразно, он меняется непрерывно. Поэтому для качественного анализа тепловых процессов в районе самой границы двух металлов можно сделать допущение, что поток тепла распределен в этой области равномерно.
При расчетах используем ту же модель и те же уравнения, что и в [Л. 1 ], где хаотическая структура металлокерамической композиции заменена регулярной структурой. Это позволило свести расчет нагрева реального композиционного материала под воздействием однородного теплового потока к расчету тепловых процессов в элементе регулярной структуры. В случае однородного теплового потока границы регулярной структуры являются адиабатическими плоскостями, т. е. тепловой поток через них равен нулю. В простейшем расчетном случае элемент регулярной структуры можно представить в виде бруса, состоящего из двух различных металлов любой формы, удовлетворяющих следующим двум условиям: геометрическая форма компонентов должна быть симметричной относительно оси бруса; геометрические формы компонентов должны дополнять друг друга до бруса квадратного сечения.
Элемент модели регулярной структуры металлокерамической композиции, состоящей из центрального медного бруса с пирамидальными сужениями, окруженного геометрическим дополнением из вольфрама или железа, до бруса квадратного сечения был приведен в [1]. Геометрия этого бруса выбиралась из двух соображений. Во-первых, размеры включений (зерен) должны соответствовать размерам частиц того порошка, который применяется для изготовления контактов (средний размер частиц 70 мкм). Во-вторых, должен быть выдержан определенный процентный состав контактного материала. В настоящей работе моделировались металлокерамические композиции с составом 70-80% весовых железа или вольфрама. Количество основного компонента выбиралось таким, чтобы обеспечить высокую эрозионную стойкость контактного материала. Как показывает микрофотографирование, модель отражает условия нагрева при горении дуги.
Для этой модели проводились расчеты температурного поля с учетом процесса испарения и температурной зависимости теплофизических свойств материала. После нагрева потоком 4,19-106 дж/(см2 сек) в течение примерно 9 мксек нагрев бруса прекращался, и рассчитывался спад температуры поверхности как металлокерамической композиции, так и однородной меди. По результатам расчета были построены зависимости температуры поверхности и скорости испарения от времени (рис. 2 и 3).
Результаты расчетов тепловых процессов. Расчеты температурного поля такого бруса с помощью ЦВМ показали, что температуры поверхности в пределах разных металлов, составляющих металлокерамическую композицию, растут с различными скоростями. Поэтому имеются обменные перетоки тепла через границу раздела металлов, причем в поверхностном слое, толщина которого меняется в зависимости от условий нагрева от десятков до сотен микрометров, наблюдается поток тепла из металла с меньшим коэффициентом аккумуляции тепла [JT.1]. Это является причиной того, что при одинаковых потоках тепла из приэлектродных областей температура одного из компонентов растет быстрее, чем в случае нагрева однородного электрода из этого компонента (рис. 2). Особенно это заметно у контактного материала вольфрам- медь, в котором вольфрам нагревается до высоких температур.
Рис. 3. Зависимость скорости испарения меди в различных металлокерамических
композициях от времени воздействия теплового потока.
Рис. 2. Зависимость температуры меди в различных металлокерамических композициях от времени воздействия теплового потока.
Для материала железо-медь (рис. 2) эта разница меньше, так как, начиная с температур интенсивного испарения, происходит стабилизация температуры поверхности железа. Благоприятные условия нагрева одного из компонентов до высоких температур приводят к тому, что при спонтанном исчезновении потока тепла из приэлектродных областей охлаждение поверхности этого компонента в металлокерамической композиции до одной и той же температуры происходит медленнее, чем при соответствующем однородном электроде. Выбор одинакового времени нагрева является несколько условным. Подвижность катодных пятен на однородных материалах выше, чем на неоднородных. Это приводит к еще большей разности температур на металлокерамической композиции и на однородной меди. Для качественного объяснения закономерностей тока среза допустимо предположение о разных временах нагрева.
На рис. 2 видно, что температура поверхности меди в материалах вольфрам-медь и железо-медь во время спада больше, чем у однородной меди. Температура поверхности определяет скорость испарения, генерации пара с поверхности.
Зависимости, приведенные на рис. 3, соответствуют приведенным на рис. 2 и пересчитаны по соотношениям, связывающим скорость испарения с температурой поверхности [Л. 4]. Скорость испарения в катодном пятне, как показано в [Л. 5], может отличаться от скорости испарения в вакуум. Однако для качественного сравнения условий распада пятна можно в первом приближении использовать соотношения для скорости испарения в вакуум. Как видно из рис. 3, при наличии вольфрамового скелета медное включение эффективно генерирует пар и после спонтанного прекращения нагрева в течение значительного времени.
В таких материалах скорость испарения в течение большего, чем у однородных материалов, времени поддерживается выше того критического значения, при котором возможное в данной цепи повышение напряжения уже не обеспечивает регенерацию катодных пятен. Итак, в металлокерамической композиции более благоприятны как условия существования катодного пятна, так и его регенерации.
Скорость нарастания температуры поверхности меди при наличии неоднородности (рис. 2) выше, чем у однородной меди. Это еще больше облегчает процесс регенерации катодных пятен на границах двух металлов.
Для увеличения потоков тепла в поверхностном слое компоненты должны иметь по возможности большую разницу в коэффициентах аккумуляции тепла. Так, например, коэффициент аккумуляции тепла меди более чем в 2 раза превосходит коэффициент аккумуляции тепла для вольфрама и железа. Поэтому и токи среза у таких материалов невелики. В трехкомпонентных материалах также имеются перетоки тепла от металла с малым коэффициентом аккумуляции тепла (например, вольфрама) к составляющей с большим к (например, сплаву меди с сурьмой). Перетоки тепла и присутствие легколетучей составляющей обеспечивают минимальное значение тока среза.
Таким образом, особенностью тепловых процессов в металлокерамических композициях с резко различными коэффициентами аккумуляции тепла является переток тепла, что повышает устойчивость катодных пятен. Если подобрать металлы с сильно отличающимися коэффициентами аккумуляции тепла, то при достаточной температуре кипения компонента-донора можно добиться тока среза меньшего, чем у каждого из компонентов.
Список литературы
- Белкин Г. С., Данилов М.Е. Исследование электрической эрозии металлокерамических материалов. - Электричество, 1972, № 8, с. 45-48.
- Кесаев КГ. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968.
- Cobine J.D., Farral G.A. Experimental study of arc stability. J. App. Phys., 1960, v. 31, p. 2296.
- А. Данилов М.Е. Расчет теплового потока, воздействующего на катод в вакуумном разряде. - Электротехническая промышленность, 1971, вып. 9.
- Любимов Г.А. О расходе материала электрода в катодной области дугового разряда. - ПМТФ, 1970, №5.
