Так называемые дуги с холодным катодом обычно возникают на нетугоплавких металлах, таких, как железо, медь и ртуть и в вакуумных выключателях. Катодные явления в дуге этого типа отличаются от тех, которые типичны для термоэмиссионной дуги и катодное пятно состоит из большого числа активных областей, хаотически перемещающихся по поверхности металла. Эти активные области представляют собой эмиссионные центры, находящиеся в состоянии непрерывного быстрого изменения. В отличие от дуги с термоэмиссионным катодом, которая описывается уравнениями термоэлектронной эмиссии, физические явления в катодных пятнах еще плохо поняты. В вакуумных выключателях наиболее часто встречается дуга с холодным катодом.
1.2.ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВАКУУМНОЙ ДУГИ
Вакуумные дуги возникают в вакуумных выключателях, вакуумных paзъединителях и управляемых вакуумных разрядниках. В выключателях и прерывателях вакуумная дуга, как правило, возникает при размыкании контактов во время протекания тока, т.к. электрическая прочность вакуума очень высока. В управляемом вакуумном разряднике дуга возникает при попадании плазмы в промежуток между основными электродами. Эта плазма создается дугой, горящей между вспомогательными электродами.
Предполагается, что ток велик, чтобы привести к возникновению
Принципиальная схема вакуумной дуги
 |
Рис.1
стационарной дуги. Необходимая для этого величина критического тока является статистической величиной и зависит от материала электродов. Чем меньше ток, тем короче время горения дуги. На рис. 1. показано как происходит возникновение вакуумной дуги. Пар, необходимый для горения дуги, поставляется множеством подвижных катодных пятен, которые хаотически перемещаются по отрицательному электроду. Плотность тока в каждом из этих небольших пятен высока и часто достигает значений 106 А/см2 и более. При обычных низких давлениях остаточного газа в вакуумном выключателе катодные пятна движутся в «обратном» направлении. В катодных пятнах возникают струи металлического пара, обладающие скоростями до 1000 м/с. В этих струях, являющихся основным источником пара в вакуумной дуге, один удаленный атом металла может приходиться примерно на каждые десять эмиттированных электронов. В вакуумных дугах некоторые из этих атомов могут ионизироваться и превращаться в положительные ионы, обладающие большой энергией. Если заставить катодные пятна двигаться по действием внешнего магнитного ноля, то вероятность оплавления поверхности контактов мала. За исключением случаев очень больших токов.
После возникновения дуги пространство между электродами быстро заполняется диффузной плазмой, состоящей из ионизированного металлического пара. При больших токах эта плазма распространяется в объём, окружающий электроды и держатели. При малых токах равномерно собирает своей поверхностью электронный ток из плазмы. Экраны и диэлектрические поверхности также собирают заряды из плазмы и приобретают плавающий потенциал. Процессы на катоде дуги очень сложны и относятся к явлениям, определяющим само существование разряда.
1.3. КОНСТРУКЦИЯ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
Из рис. 2 видно, что устройство типичного вакуумного выключателя очень просто. Внутри вакуум-плотной оболочки, являющейся также основным изолятором, размещены два торцевых контакта. Один из них неподвижен, а другой передвигается с помощью вакуум-плотного металлического сильфона, который и соединяет его с фланцем. Цилиндрический корпус вакуумной оболочки выполнен из упрочненного стекла (получаемого чаще всего методом центробежного литья) или керамики. Торцевые фланцы прикрепляются к ней с помощью металлостеклянных (металлокерамических) спаев. Все части должны быть вакуум-плотными; при этом вакуумная чистота должна быть очень высокой. Так, например, гелий из атмосферы может диффундировать через некоторые сорта стекол с высокой скоростью. Следует иметь в виду, что для мощных приборов такого кого типа ожидаемый срок службы составляет по крайней мере 20 лет. На заре развития вакуумных выключателей проблема уплотнения была очень сложной, так как соответствующие требования выходили за рамки тех возможностей, которыми обладала промышленность.
Другая важная деталь вакуумных выключателей -экран. При горении электрической дуги между контактами, металлический пар уходит в стороны и конденсируется на экране. В отсутствии экрана, пар конденсировался бы на внутренней поверхности вакуумной оболочки и быстро испортил бы её диэлектрические свойства. Экран электрически изолирован от контактов и крепится к вакуумной оболочке. Экран находится под плавающим потенциалом, и способствует выполнению функций отключения тока.
Экран часто служит и другой цели: созданию оптимального распределения электрического поля и ослаблению напряженности поля и критических областях вблизи металлостеклянных спаев. Выключатели, предназначенные для работы с повышенным напряжением, могут иметь целую систему экранов. Они изготавливаются обычно из металла и наиболее часто используются никель и нержавеющая сталь.
В большинстве вакуумных выключателей основной экран расположен внутри вакуумной оболочки. Но в некоторых случаях он образует с ней одно целое и представляет собой основную центральную часть прибора, а изоляция и крепление контактов осуществляются с помощью стеклянных или керамических втулок на его торцах. Необходимый вакуум определяется из условия, что средняя длина пробега частиц велика по сравнению с наибольшими размерами камеры выключателя. Очень высокого вакуума фактически не требуется: достаточно, видимо, давления 105— 104 мм рт. ст. Отпайку коммутаторов производят при более высоком вакууме.
Сечение вакуумного выключателя
1- неподвижный стержень; 2- подвижный стержень; 3- контакты;
4- экран; 5- сильфон; 6- экран для конденсации пара; 7- торцевой экран; 8- диэлектрическая оболочка; 9- фланец крепления экрана.
Рис.2
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.