Электрическая дуга в искробезопасности
Автор перевода: Л.С.Соломатина
В настоящее время 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 требованиям 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, пользова-тели, 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 электриче-ской 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 SF6.
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 от-ключения 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.
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
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 азоте. 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.
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 плотно-стью тока (эффект Джоуля – Ленца): пробой происходит в среде паров ме-талла, 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.
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.
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.