ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 1, с. 12-18
УДК 537.52
ВЛИЯНИЕ АКСИАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ АНОДНОГО ПЯТНА В ВАКУУМНО-ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ С ЭЛЕКТРОДАМИ ИЗ СиСг50
© 2007 г. Е. Ф. Прозоров, К. Н. Ульянов, В. А. Федоров
Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина, Москва Поступила в редакцию 29.12.2005 г.
Экспериментально изучено влияние внешнего аксиального магнитного поля на процесс образования анодного пятна в импульсном вакуумно-дуговом разряде в диапазоне токов 5-12 кА в разрядном промежутке с электродами из СиСг50. Для каждого амплитудного значения тока в зависимости от величины магнитного поля определены времена и токи, при которых образуется анодное пятно. Для каждого тока определено минимальное значение магнитного поля, препятствующего образованию анодного пятна. С использованием измеренных значений диаметров токового канала выполнен расчет температуры анода. Показано, что в условиях эксперимента нагрев анода недостаточен для заметного испарения, а образование анодного пятна связано с кризисом течения потока быстрых катодных ионов.
PACS: 52.80.Mg
ВВЕДЕНИЕ
Вакуумно-дуговой разряд при достаточно больших токах существует в режиме горения с анодным пятном [1, 2]. В этом случае канал разряда, первоначально имевший диффузную форму, сжимается около анода, на осциллограмме напряжения дуги появляются высокочастотные пульсации и в разрядный промежуток поступают пары вещества анода. Такой режим является нежелательным при техническом применении, так как ухудшает параметры приборов, облегчает повторное зажигание дуги и снижает предельно допустимый ток вакуумного выключателя [3]. Наложением внешнего аксиального магнитного поля достаточной величины можно предотвратить возникновение анодного пятна [4, 5] и обеспечить устойчивое отключение переменного тока.
Ранее авторами было проведено экспериментальное изучение влияния аксиального магнитного поля на характеристики вакуумно-дугового разряда с медными и стальными электродами [6]. Для токов в диапазоне 5-12 кА были определены минимальные значения магнитных полей, предотвращающих образование анодного пятна. Однако систематических данных по измерению диаметров токовых каналов в [6] получено не было. Поперечные размеры плазменного канала разряда необходимы для расчета температуры анода, которая важна при определении механизма образования анодного пятна.
В данной работе с помощью скоростного фотографирования свечения разряда получена информация о скорости расширения канала при раз-
личных значениях тока разряда и величины индукции аксиального магнитного поля. Определены минимальные значения индукции, препятствующие образованию анодного пятна. В качестве вещества электродов используется широко применяемый в вакуумных электротехнических приборах композиционный материал СиСг50.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Основным элементом установки являлась вакуумная камера, внутри которой находились электроды и катушки для создания импульсного магнитного поля. Катод и анод располагались соосно торцами навстречу друг другу и имели форму цилиндров диаметром 30 мм. Межэлектродное расстояние составляло 15 мм.
Цепь питания разряда представляла собой колебательный контур, конденсатор которого заряжался от выпрямителя с регулируемым выходным напряжением. Коммутация контура осуществлялась разрядной камерой после инициации в ней вспомогательного разряда. Для этого использовался узел поджига, который находился в центре катода и представлял собой металлический электрод диаметром 2 мм, закрепленный в керамической втулке. Инициирующий разряд формировался отдельной схемой, запуск которой осуществлялся через линию оптической связи. Источник обеспечивал ток разряда с амплитудой до 12 кА и длительностью периода Т = 340 мкс.
Внешнее аксиальное магнитное поле создавалось системой двух катушек, которые устанавливались соосно на равных расстояниях от электро-
дов. Средний диаметр намотки составлял 53 мм, расстояние между центральными плоскостями катушек равнялось 36 мм. Катушки включались согласно в последовательную цепь с конденсатором, образуя колебательный контур. Регулировка тока в катушках осуществлялась изменением зарядного напряжения конденсатора. Коммутация контура производилась игнитроном с помощью схемы, управляемой через линию оптической связи. Пространственно-временное распределение магнитного поля в межэлектродном зазоре определялось экспериментально с помощью двух датчиков. Система обеспечивала создание достаточно однородного импульсного магнитного поля в области разряда с максимальной величиной индукции 1 Тл при амплитудном значении тока в катушках 1 кА. Длительность полупериода колебаний магнитного поля составляла 2.5 мс, что значительно превышало длительность полупериода тока разряда. Ввиду того что включение разряда осуществлялось в момент достижения током катушек максимума, магнитное поле во время горения дуги было практически постоянным.
При проведении экспериментов камера находилась под непрерывной откачкой. Предварительный вакуум создавался сорбционным цеолитовым насосом, а для получения высокого вакуума применялся электроразрядный магнитный агрегат. Используемая система обеспечивала вакуум с остаточным давлением 10-6 Тор.
В состав установки входили схемы измерений электрических параметров разряда и оптических наблюдений. Измерение токов разряда и магнитной системы производилось с помощью поясов Роговского. Измерение напряжения на разрядном промежутке осуществлялось компенсированным делителем с ограничением уровня напряжения. Изучение динамики свечения разряда осуществлялось с помощью сверхскоростного фоторегистратора. Съемка производилась через иллюминатор в корпусе разрядной камеры с использованием двухрядной линзовой вставки, позволяющей получать на одном снимке 60 последовательных кадров с изображением развития исследуемого явления. Для привязки времени начала и окончания съемки к осциллограммам тока разряда в фоторегистратор были вмонтированы два фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), расположенные соответственно на месте первой и последней линз. Сигналы с ФЭУ в виде меток подавались на осциллограммы тока или напряжения, фиксируя моменты начала и конца съемки. Время съемки в экспериментах превышало длительность полупериода тока разряда. Период между соседними кадрами составлял 3.2 мкс, время экспозиции кадра - 2.7 мкс.
I, 2.3 кА/дел (а)
и, 40 В/дел (б)
Рис. 1. Осциллограммы тока I (а) и напряжения на дуге и (б) для В = 0, 1тах = 7 кА. Стрелка соответствует моменту зажигания дуги.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперимент проводился следующим образом. В отсутствие магнитного поля определялся минимальный ток дуги, соответствующий режиму горения с анодным пятном. Факт возникновения пятна определялся по появлению высокочастотных колебаний на осциллограмме напряжения и непосредственно по фотографиям разряда. Затем проводилась серия зажиганий дуги с данной амплитудой тока в магнитном поле, индукция которого возрастала от импульса к импульсу до тех пор, пока дуга не переходила в режим горения без анодного пятна. Аналогичные серии снимались для различных токов разряда. На рис. 1 в качестве примера приведены осциллограммы тока и напряжения для дуги с амплитудой тока 7 кА. Видно, что анодное пятно возникает примерно через 45 мкс после зажигания дуги, о чем свидетельствует появление высокочастотного шума на осциллограмме напряжения.
Фотографии разряда на различных стадиях его горения выглядели следующим образом. Сначала
^р 1.0
0.4
80 100 В, мТл
Рис. 2. Зависимость времени возникновения пятна т,р от индукции магнитного поля В при токе с амплиту-
-,р/-тах
1.0
ДоЙ 1т
■■ 9 кА.
80 100 В, мТл
Рис. 3. Зависимость тока возникновения пятна 4р//тах от индукции магнитного поля В для тока с амплитуДоЙ 7тах = 9 кА.
столб дуги разряда имел достаточно однородное свечение, заполняя приосевую часть промежутка с поперечным размером, близким к диаметру узла поджига (3.5 мм). С ростом тока разряда происходило расширение столба дуги. При этом катодные пятна располагались не в виде кольца, как в случае медных электродов, а заполняли на катоде всю область, соответствующую диаметру столба. Такое расположение катодных пятен на электродах из СиСг отмечали авторы [7]. При достижении током разряда значения 1,р ~ 5 кА на аноде возникало ярко светящееся анодное пятно. Сопоставление фотографий разряда с осциллограммами напряжения на дуге показало, что момент возникновения анодного пятна соответствовал появлению высокочастотного шума на напряжении дуги. В случае, когда на разрядный промежуток накладывалось магнитное поле, достаточное для предотвращения образования анодного пятна (Всг), на фотографиях однородное свечение промежутка сохранялось в течение всего времени протекания тока и колебаний напряжения на дуге не наблюдалось.
В отсутствие магнитного поля анодное пятно возникало при достижении током значения I ~ 5 кА. При амплитуде тока 1тах, близкой к 5 кА, пятно появлялось вблизи максимума тока, а при увеличении амплитуды тока время образования пятна tsp уменьшалось. Для тока фиксированной амплитуды возрастание магнитного поля приводило к увеличению 1,р и На рис. 2 представлена зависимость безразмерного времени возникновения пятна = 4tsp/T от индукции магнитного поля В для тока с амплитудой 1тах = 9 кА. Из графика следует, что при приближении В к значению Всг = 100 мТл величина приближается к единице, что соответствует четверти периода колебаний тока (максимуму тока). Дальнейшее увеличение В приводи-
ло к устранению эффекта возникновения анодного пятна. Наложение магнитного поля вызывало увеличение тока возникновения пятна 1,р. На рис. 3 представлена зависимость /,р//тах от индукции магнитного поля, отражающая факт роста 1,р с увеличением магнитного поля.
Скоростная многокадровая фотосъемка разряда позволила определить зависимость от времени диаметра ё канала разряда. На рис. 4 приведены значения ё^) для тока разряда 9 кА в отсутствие и при наличии магнитного поля. Видно, что наличие поля практически не сказывается на характере зависимости ё(0, кот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.