Библиотека

Использование вакуума как среды отключения электрооборудования

Отключение в среде SF₆ (элегаз) и в вакууме является современным методом, применяемым для среднего напряжения (1 - 52 кВ) и высокого напряжения (>72,5 кВ). Разработанная в 60-е годы, эта технология получила быстрое развитие в 70-е годы и в настоящее время вытеснила прежнюю методику разрыва дуги в воздухе и в масле (рис. 1).

Принимая во внимание то, что отключение электрической дуги в элегазе (SF₆) используется во всех диапазонах среднего и высокого напряжения, отключение электрической дуги в среде вакуума развивалось в основном в диапазоне среднего напряжения, частично вторгаясь в диапазон высокого и низкого напряжений. Таким образом: эти два метода конкурируют только в области среднего напряжения.

В настоящее время подобная конкуренция преодолена: если раньше существовало соперничество в коммерческом плане между производителями, выбиравшими какой-либо один из этих методов для производства, то сейчас все крупные изготовители используют обе технологии, чтобы иметь возможность максимально удовлетворять требования каждого заказчика. В действительности, каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны. Несмотря на то, что любая из этих технологий является многофункциональной и позволяет создать надежное и конкурентноспособное оборудование, обеспечивающее решение большинства проблем отключения в сетях среднего напряжения. Пользователи, тем не менее, хотят иметь выбор в зависимости от вида применения, условий эксплуатации и технического обслуживания устройств, в зависимости от приоритетов и, может быть, в силу устоявшихся традиций.

Что касается предыстории, то метод отключения (разрыва электрической дуги) в вакууме первоначально был разработан американскими и английскими конструкторами (первопроходцами являются компании General Electric и VIL). Затем этими разработками занялись в Японии и в Германии: в обеих этих странах для электроснабжения по среднему напряжению используются сети с относительно низким номинальным напряжением (от 7,2 до 15 кВ). Напротив, в таких странах как Франция и Италия, где для электроснабжения используются сети напряжением, близким к 24 кВ, изготовители оборудования выбрали технологию отключения в SF_6.

С удовлетворением можно отметить, 30 лет спустя правильность этого технологического выбора для рассматриваемого вида применения. В действительности, на сегодняшний момент по результатам общей технико-экономической оценки двух технологий еще прослеживается равенство в использовании для сетей напряжением от 12 до 24 кВ и преимущественное применение метода отключения в SF₆ при более высоком напряжении и отключения в вакууме при более низком напряжении. При этом разница в стоимости затрат остается, по-прежнему, незначительной, чем объясняется использование обеих технологий, отключение в вакууме и в SF₆, для всего диапазона среднего напряжения, от 7,2 до 36 кВ.

Теория и практика отключения в вакууме

Диэлектрические свойства вакуума

Любая среда отключения должна быть, прежде всего, хорошим изолятором, так как речь идет о создании преграды для прохождения тока. Вакуумная среда не является исключением из правила: вакуум обладает нужными диэлектрическими свойствами, но при этом эти свойства особые по отношению к газообразным диэлектрикам, которые обычно используются при давлении, превышающем или равном 1 бару. Вакуум, квалифицирующийся как «высокий» (диапазон давления от 10^-1 до 10^-5 Па либо от 10^-3 до 10^-7 мбар), в колбах вакуумных выключателей в действительности представляет собой газ под низким давлением: обычно это давление составляет 10^-6 мбар в новой колбе.

При таком давлении объем в 1 мм³ еще содержит 27×10⁶ молекул газа, но их взаимодействием можно пренебречь, так как средний свободный пробег между двумя столкновениями молекул составляет порядка сотни метров: таким образом, такое состояние определяется понятием вакуума, как если бы каждая молекула была, практически, единственной.

Диэлектрические характеристики газа

При обычных уровнях давления (атмосферное и более высокое давление) диэлектрические характеристики газа представлены правой ветвью кривой Пашена (см. рис. 2): напряжение пробоя V является возрастающей функцией от произведения рd (р - давление, d - расстояние между электродами). Это отношение характеризует механизм цепной ионизации (лавинная ионизация), которая вызывает пробой: электроны должны получить между двумя столкновениями энергию, достаточную (пропорциональную V/(pd)) для ионизации молекул газа, и, таким образом, создать другие электроны.

При низких значениях давления этот механизм перестает работать. В действительности электроны могут получить много энергии за время их среднего свободного пробега, но вероятность того, что электроны столкнутся с молекулами, которые они ионизируют, до того, как достигнут электрода, становится незначительной: лавинный процесс и размножение носителей заряда прекращаются, и электрическая прочность повышается. Именно это явление представлено на кривой Пашена, где показана минимальная электрическая прочность для произведения рd порядка 1 Па в азот е. Выше этого значения электрическая прочность быстро улучшается (левая часть кривой Пашена) и достигает уровня значений рd менее 10^-2 Па м. Этот уровень и характеризует диэлектрические свойства откачанных колб (давление ниже 10^-3 мбар либо 10^-1 Па, расстояние порядка 1 – 10 см). Это соответствует высокой электрической прочности, сравнимой с прочностью в элегазе SF₆ при давлении примерно 2 бара и интервалов порядка 1 см. В этой области электрическая прочность больше не ограничивается механизмами ионизации остаточного газа, но ограничение вызывается явлениями, связанными с состоянием поверхности электродов, например, электростатической эмиссией и присутствием отделяемых частиц.

Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектронная эмиссия заключается в экстракции электронов из металла электродов. Этого можно добиться за счет значительного повышения температуры металла: таким образом происходит термоэлектронная эмиссия у поверхности разогретых катодов электронных ламп. Другой способ заключается в приложении достаточно сильного электрического поля к поверхности металла. Данное явление, а именно автоэлектронная эмиссия может происходить в вакуумных камерах. Данный процесс рассчитывается с помощью уравнения Фаулера-Нордхайма, которое в упрощенном виде представлено ниже:

где: j_e – плотность электронного потока, Ам^-2;
A = 1,54×10^-6 A×Дж×В^-2;
Е – напряженность электрического поля, Вм^-1;
φ - работа выхода, еВ (4,5 еВ для меди);
B = 6,83×10⁹ В×Дж^-1,5×м^-1.

Как можно заключить из вышеуказанных цифровых значений, автоэлектронная эмиссия становится заметной только при значениях напряженности поля на поверхности металлов в пределах от нескольких 10⁹ Вм^-1 до 10¹⁰ Вм^-1. Речь идет об очень больших значениях, определенно превышающих значения напряженности макроскопического поля, применяемых при расчетах для вакуумных камер (порядка 10⁷ Вм^-1 = 100 кВ/см). Тем не менее, автоэлектронная эмиссия отчетливо наблюдается в вакуумных камерах: таким образом, из этого можно сделать вывод, что местно, на микроскопическом уровне, электрическое поле усиливается коэффициентом интенсификации β, составляющим порядка нескольких 10² или 10³. Явления, обуславливающие эти высокие значения β, еще полностью не описаны исследователями, которые, главным образом, на первый план выдвигают либо воздействие микроскопических острых частиц, либо включений или изолирующих частиц на поверхности металла.

Процесс формирования напряжения пробоя

Наличие активных микроскопических участков эмиссии выражается, главным образом, в низкой электрической прочности новых камер (примерно 10 кВ/см); напротив, в ходе экспериментов установлено, что многократный пробой диэлектрика разрушает эти участки или, по меньшей мере, уменьшает значение коэффициента интенсификации, что говорит о высокой чувствительности этих участков. Таким образом, должная электрическая прочность (относительно заданных значений) достигается только в результате процесса формирования напряжения пробоя, который заключается в подаче в течение нескольких минут повышенного напряжения (значением равным расчетной электрической прочности): многочисленные пробои, которые происходят, постепенно повышают электрическую прочность между электродами.

Это явление представлено на рисунке 3, где показано изменение во времени напряжения пробоя при прохождении разрядов: предел повышения электрической прочности достигается на уровне примерно 10⁸ Вм^-1, что, кроме того, соответствует микроскопическому «неснижаемому» β порядка 100.

Механизм пробоя

В результате пробоя диэлектрика, который возникает под действием тока электронной эмиссии, бывают задействованы дополнительные механизмы: в действительности установившийся ток электронной эмиссии (при максимальных значениях в несколько мА) не переходит в обязательном порядке в пробой, если подаваемое напряжение не увеличивается, ток эмиссии может даже сам по себе уменьшаться под влиянием процесса формирования напряжения пробоя. Пробой как таковой связан с образованием локализованной плазмы (ионизированный газ), достаточно плотной для того, чтобы вызвать лавинный процесс газовых разрядов.

Плазма может образовываться со стороны катода за счет подрыва участка микроскопической эмиссии в результате интенсивного нагрева, обусловленного очень высокой локальной плотностью тока (эффект Джоуля–Ленца): пробой происходит в среде паров металла, образующихся при разрушении участка эмиссии. Плазма может также образовываться со стороны анода, бомбардируемого пучком энергетически сильно заряженных электронов (что выражается, к тому же, в появлении рентгеновского излучения). Этот локальный поток энергии вызывает десорбцию газа, поглощенного с поверхности, и испарение металла с поверхности анода: затем образованный газ ионизируется пучком электронов, и происходит пробой.

Влияние отделяемых частиц

Второй фактор может вызвать пробой диэлектрика в вакууме: речь идет об отделяемых частицах присутствующих на поверхности стенок вакуумного выключателя. Высвобождаясь под воздействием удара или электростатических сил, эти заряженные частицы приобретают энергию при преодолении расстояния между электродами. В момент столкновения с электродом, который их притягивает, эти частицы могут вызвать пробой за счет двух, возможно, сопутствующих явлений:
- локального повышения плотности газа в результате десорбции поглощенных молекул газа;
- возникновения процесса электронной эмиссии и частичного испарения частиц или электрода под действием пучка, который их бомбардирует.

Подтверждением практического значения состояния частиц является экспериментально полученный вывод о том, что электрическая прочность в вакууме между двумя электродами повышается приблизительно пропорционально значению квадратного корня расстояния между электродами. Это отношение может быть объяснено предположением, что частицы должны получить заряд энергии (пропорциональный В2/d), достаточный для того, чтобы вызвать пробой. По этой же причине крупные частицы, способные нести более мощный электрический заряд, способны создать больше проблем, чем мелкие частицы.

Рассматривая вопрос неблагоприятного влияния отделяемых частиц на электрическую прочность вакуумных выключателей, следует учитывать два обстоятельства:
- трудно добиться очень больших значений электрической прочности, даже при значительном расстоянии между электродами (см. рис. 4);

- электрическая прочность вакуумного выключателя носит неопределенный характер: пробой может произойти с задержкой относительно подачи напряжения и при напряжении, меньшем, чем напряжение, которое безаварийно выдерживалось раньше.

Выводы

- Вакуум обладает нужными диэлектрическими свойствами при условии ограничения подаваемого напряжения в пределах примерно от 100 до 200 кВ, что соответствует требуемому уровню изоляции для заданных значений напряжения, 36 кВ, при которых расстояние между электродами может составлять несколько сантиметров. При больших значениях напряжения задача обеспечения необходимой электрической прочности вышеописанным методом становится трудоемкой и менее эффективной, чем решение этой проблемы за счет использования газовой изоляции SF₆.

- Электрическая прочность любого устройства отключения в вакууме изменяется во времени. В действительности, в результате механических действий и воздействия электрической дуги происходит изменение состояния поверхности контактов и генерация частиц. Таким образом, уровень электрической прочности, обеспечиваемый при выходе на требуемое напряжение, не может считаться окончательно достигнутым. Следовательно, вакуум не является идеальной изолирующей средой, когда надежность поддержания уровня электрической прочности является первостепенной задачей, например, в случае применения разъединителя.

Электрическая дуга в вакууме

Несмотря на то, что вакуум является превосходным диэлектриком, тем не менее, электрическая дуга вполне может присутствовать в вакууме. В действительности, напряжение дуги в вакууме обычно бывает значительно ниже напряжения электрической дуги в других средах, что является преимуществом, когда речь идет об энергии, рассеиваемой в дуге. Электрическая дуга в вакууме возникает, если представить упрощенно, в двух основных формах: диффузной и сфокусированной.

Диффузный режим, характерный для вакуума

Диффузия характерна для электрической дуги в вакууме: это явление представляет особые свойства, которые определенным образом отличают его от дуги в газообразной среде. Разумеется, при подобном явлении допускается присутствие электрической дуги в вакууме, если сила тока составляет от нескольких ампер до нескольких килоампер.

Диффузия имеет следующие основные характеристики:
- катод излучает в пространство между электродами в виде одного или нескольких катодных пятен в целом нейтральную плазму, состоящую из электронов и ионов, которые, в обычном режиме, с большой скоростью направляются к поверхности анода;
- анод, по всей поверхности окруженный плазмой, играет роль пассивного коллектора зарядов. Катодные пятна и плазма характеризуют электрическую дугу в режиме диффузии.

Катодное пятно

Катодное пятно представляет собой зону очень маленького размера (луч порядка 5 – 10 мкм), из которой происходит эмиссия тока, достигающего сотни ампер. На поверхности катодного пятна создаются предельные температурный режим и состояние электрического поля (обычно 5000 К и 5×10⁹ В/м), обеспечивающие электронную эмиссию за счет сочетания механизмов термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии (англ. T.F.: thermo+field emission), создающих очень высокую плотность тока (порядка 10¹¹ – 10¹² А/м²). При значениях больше 100 А это пятно разделяется, и на катоде образуется несколько пятен, число которых является достаточным для передачи каждым пятном тока силой в сотню ампер. Эти пятна взаимно отталкиваются, что позволяет квалифицировать их движение как «ретроградное», так как оно является противоречащим обычному действию электромагнитных сил. Таким образом, в режиме рассеивания электрическая дуга стремится занять всю свободную поверхность катода (даже когда в определенный момент времени участки эмиссии представляют собой совсем маленькую часть катода).

Плазма

На макроскопическом уровне катодное пятно (с которым связано появление кратера и плазмы) представляется в виде точки, вырабатывающей плазму малой плотности, которая выделяется пятном и заполняет пространство между электродами. Эта плазма, являясь в целом нейтральной (значения плотности равны зарядам + и -), состоит из электронов и ионов, обычно с двойным зарядом (для дуги, образующейся на электродах на основе меди). Одной из характеристик данного вида плазмы является большая скорость ионов, которые заряжены энергией, превышающей напряжение электрической дуги (что свидетельствует о наличии в зоне катодного пятна процессов образования высоких энергий). Эти ионы, выходящие из пятна с распределенной скоростью примерно по cos (угол /нормаль), без труда достигают анода и создают ионный поток, противоположный по направлению основному электронному току, который составляет обычно 10% от тока дуги. Направленная скорость этих ионов достигает порядка 10⁴ м/с, что больше скорости теплового движения ионов.

Одним из важных следствий высокой скорости ионов, создаваемых катодными пятнами, является их малое время прохождения пространства между электродами (обычно порядка 1 мкс). Таким образом, плазма, образуемая катодным пятном, состоящая из очень подвижных частиц (быстрые электроны и ионы, нейтральные частицы практически отсутствуют), исчезает очень быстро, когда пятно перестает функционировать (при нулевом потоке).

Анод окружен плазмой, создаваемой катодными пятнами. Анод играет роль пассивного электрода, принимающего заряды и выдающего заданный по схеме ток, регулируя тем самым свой потенциал: потенциал является отрицательным относительно потенциала плазмы, пока ток меньше потока, соответствующего столкновениям, вызванным тепловым движением электронов.

Распределение потенциалов в дуге следующее:
- катодный скачок порядка 20 В, происходящий в непосредственной близости от катода;
- падение напряжения на несколько вольт в плазме, которое увеличивается с расстоянием и током (положительная характеристика, допускающая взаимное действие нескольких параллельных дуг, в противоположность электрической дуге в газообразной среде);
- отрицательный анодный скачок, как в выше описанном случае (умеренный ток, поглощаемый анодом).

В этом режиме наблюдается слабая эрозия катода: она соответствует потоку ионов, исходящих с катода, примерно 40 мкг/С. Значительная часть этих ионов осаждается на аноде, в результате чего при переменном токе эрозия как таковая намного меньше: значение, приблизительно деленное на коэффициент 10 для контакторов, работающих в этом режиме при ограниченной силе тока и небольшом расстоянии между электродами.

Сфокусированный режим, аналогичный явлению электрической дуги в газообразной среде

При увеличении тока ситуация, описанная выше, изменяется, прежде всего со стороны анода. Это изменение вызвано несколькими явлениями.
• Сначала происходит сжатие плазменного столба, главным образом, обусловленное эффектом Холла (отклонение зарядов под действием азимутального магнитного поля, создаваемого другими линиями тока, в результате чего появляется радиальная составляющая, прижимающая линии тока к оси): ток фокусируется в более ограниченной области анода.
• Однако, поскольку анод должен притягивать все больше электронов, нейтральность плазмы больше не обеспечивается: не хватает положительных ионов, чтобы уравновесить пространственный заряд электронов вблизи анода. Это вызывает положительный анодный скачок напряжения, необходимый для того, чтобы притягивать электроны, несмотря на наличие пространственного заряда. Энергия, полученная анодом, возрастает и стремится сфокусироваться в ограниченной зоне: анод нагревается и начинает излучать нейтральные частицы, которые ионизируются первичными электронами. Вблизи анода появляется вторичная плазма, образуемая вторичными электронами и ионами, энергетически менее заряженными, чем электроны и ионы, излучаемые катодными пятнами.

В результате этих явлений возникает световое анодное пятно, значительно большего размера (примерно квадратный сантиметр), чем катодные пятна, образованное расплавленным металлом, который испускает в пространство между электродами последовательные порции пара, ионизирующиеся в потоке, выходящем с катода.

Этот процесс сжатия на стороне анода заканчивается тем, что вызывает такое же сжатие на стороне катода, так как создается преимущественное прохождение благодаря плазме, образуемой анодом: устанавливается катодное пятно, соответствующее анодному пятну, и электрическая дуга возникает в сфокусированном режиме, характерном для дуги в газообразной среде. В этом случае речь идет о дуге в плотной атмосфере паров металла, в которой механизмы функционирования теперь основываются на ионизации газообразной среды.

Таким образом, электрическая дуга в сфокусированном режиме характеризуется образованием плазмы, состоящей из электронов (по большей части, вторичных), из нейтральных частиц и ионов, энергия которых близка к энергии нейтральных частиц, то есть относительно медленных ионов.