Сильноточная вакуумная дуга. Основные применения, определяющие направление исследований, страница 8

Отключающей способностью ВДК называют максимальный отключаемый ВДК ток. Успешное срабатывание ВДК или неудача при отключении определяется тем, по какой траектории прошла дуга. Если траектория дуги целиком проходила внутри моды I (траектория 1), то после прихода тока в ноль и погасания дуги деионизация межэлектродного промежутка произойдет за время, определяемое разлётом плазмы и рекомбинацией её на электродах и экранах (~ мкс). Следы отмёрших КП остывают на временах того же порядка, и потому испарение с их поверхности не затягивает восстановление электропрочности. Если дуга прошла по траектории, часть которой лежала в модах II и/или III (траектории 2 и 3), то, не смотря на то, что её траектория заканчивалась внутри моды I, восстановление электропрочности дугового промежутка в той или иной мере затянется. Затяжка восстановления электропрочности более, чем на несколько десятков микросекунд, приводит к пробою промежутка восстанавливающимся в сети напряжением. Максимум восстанавливающегося напряжения достигается примерно через 50 мкс после нуля тока. Затяжка восстановления электропрочности объясняется недостаточно быстрым восстановлением вакуума вследствие недостаточно быстрого остывания следов контрагированных привязок к электродам, в первую очередь - к аноду (анодного пятна).

Оценим время остывания следа КП (tкп) , считая, что прогрет слой глубиной L ~ 10 мкм и следа анодного пятна (tап) , считая, что прогрет слой глубиной L ~ (2-3) мм. Используем соотношение t = L2 / a. Оценку сделаем для меди, температуропроводность которой a = 1 см2/с. Получим tкп ~ 10-6 c; tап ~ 10-1 c. Очевидно, что реально остывание будет более быстрым, т.к. тепло будет отводиться не только теплопроводностью, но и излучением и испарением. Однако время остывания большой и глубокой лужи, оставленной анодным пятном, всё равно будет слишком велико, чтобы обеспечить быстрое восстановление вакуума после погасания дуги.

Сильноточная вакуумная дуга.

Воздействие магнитного поля на СВД. Общие замечания.

Возможность управления дугами с помощью магнитных полей, стабилизация газовых дуг аксиальным магнитным полем были хорошо известны с давних времён и широко использовались на практике для повышения эксплуатационных характеристик различных дуговых аппаратов Однако лишь в конце 60-ых годов были проведены первые исследования результатов воздействия внешнего аксиального магнитного поля (АМП) на сильноточные вакуумные дуги и показано, что использование АМП позволяет увеличить отключающую способность ВДК. Увеличение отключающей способности есть результат расширения области существования диффузной моды дуги в сторону бОльших токов под действием АМП.

Однако помещение промышленной ВДК во внешнее АМП, генерируемое катушками, питание которых осуществляется от постороннего источника, как это делалось в упомянутых выше экспериментах, крайне не технологично. Для генерации АМП в промышленных ВДК используется сам коммутируемый ток. Его либо пропускают через внешнюю катушку, одетую на ВДК, либо (и это наиболее технологично) используют специальную конструкцию электродов, обеспечивающую поворот тока на угол до нескольких сот градусов при его протекании через контактную систему.

Моды дуги в КС диаметром 100mm. Сплошные линии – свободногорящая дуга; Штриховая линия – граница между диффузной модой (I) и анодной струёй (II) в дуге, стабилизированной однородным внешним АМП с индукцией B=0.073 T. Поле создавалось катушками, одетыми на вакуумную камеру. Области, в которых с одинаковой вероятностью могут реализовываться моды I, II и III обозначены штриховкой.

Использование коммутируемого тока для генерации АМП имеет существенные недостатки. При таком способе генерации АМП всегда (когда коммутируемый ток пропускают через надетую на ВДК внешнюю катушку и когда для генерации АМП используют электроды специальной конструкции) существует сдвиг по фазе, между индукцией поля на оси КС и коммутируемым током. Фазовый сдвиг вызывается вихревыми токами, возбуждающимися в электродных накладках. Чтобы его уменьшить, в накладках делаются разрезы. Разрезы, хотя и способствуют ослаблению вихревых токов, создают другую проблему. Они нарушают осевую симметрию поля в КС и, как показали исследования, искажают распределение тока на электродных накладках. Кроме того, генерируемое КС поле в пределах накладки существенно неоднородно. Обе эти проблемы мы будем подробно обсуждать ниже.