Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Вакуумные дугогасительные камеры - изделия электровакуумной техники 12
1.1. Вакуумная дугогасительная камера как элемент коммутационной аппаратуры 12
1.2. Вакуумная дуга как физический процесс, определяющий работу ВДК 16
1.3. Особенности работы ВДК в качестве ключа электрической цепи 21
1.4. Конструкция и технология производства ВДК и СВЧ-электронных приборов высокого уровня мощности 30
1.5. Выводы 35
ГЛАВА ВТОРАЯ. Исследование влияния магнитного поля на работу ВДК 37
2.1. Использование магнитного поля в ВДК 37
2.2. Исходные положения анализа влияния поперечного магнитного поля при диффузной форме дуги 42
2.3. Исследование факторов, влияющих на перемещение места попадания электрона по поверхности контактов ВДК при диффузной форме дуги 49
2.4. Выводы 55
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Исследование факторов, определяющих Коммутационный ресурс ВДК 57
3.1. Ресурсные испытания ВДК при коммутации токов короткого замыкания 59
3.2. Состояние рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытаний при коммутации токов короткого замыкания 62
3.3. Состояние рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытаний при коммутации номинального тока 68
3.4. Развитие процессов в ВДК, приводящих к ограничению коммутационного ресурса 71
3.5. Эрозия контактов ВДК и электродов импульсных электронных приборов 74
3.6. Выводы 78
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Повышение эффективности производства ВДК 80
4.1. Технические вопросы внедрения бесштенгельной откачки в производство ВДК 80
4.2. Оценка возможности использования диффузионной сварки при бесштенгельной откачке ВДК 84
4.3. Опыт герметизации ВДК за счет пайки при бесштенгельной откачке 91
4.4. Особенности процесса регенерации ВДК 98
4.5. Регенерация узлов и деталей ВДК в процессе производства... 102
4.6. Выводы 108
Заключение
Список использованной литературы
- Вакуумная дуга как физический процесс, определяющий работу ВДК
- Исходные положения анализа влияния поперечного магнитного поля при диффузной форме дуги
- Состояние рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытаний при коммутации токов короткого замыкания
- Оценка возможности использования диффузионной сварки при бесштенгельной откачке ВДК
Введение к работе
В современной технике коммутации электрических цепей переменного тока высокого напряжения (до 35 кВ) нашли широкое применение вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) [1-3]. Они являются исполнительными элементами коммутационной аппаратуры-различного назначения, используемой в различных областях промышленности: металлургической, горно-рудной, нефтегазовой, транспорте и т.д.
ВДК представляет собой, как правило, металлокерамическую конструкцию, в полости которой обеспечивается вакуум порядка 10'5 - 10"4 мм рт.ст. и в которой осуществляются механические замыкания и размыкания контактов. Таким образом, средой, где осуществляется непосредственная коммутация электрической цепи, является вакуум, в котором загорается и гаснет дуга [4,5].
Коммутационная аппаратура на базе ВДК имеет существенные преимущества перед однотипной аппаратурой, использующей другие среды (воздух, масло, элегаз). Применение ВДК обеспечивает компактность и простоту конструкции аппаратуры, ее малый вес и высокий коммутационный ресурс. Она не требует ухода в течение всего срока службы, поскольку контакты герметически защищены от внешних загрязнений, не требует специального оборудования, необходимого для поддержания нужного давления, как в газовых камерах. Процесс коммутации происходит практически бесшумно. Особо следует отметить экологичность аппаратуры на ВДК, в которой не используется ни масло, ни элегаз. В связи с этим нет необхо-' димости в применении специальных мер при обслуживании, в том числе по защите здоровья персонала, а также утилизации отходов и вышедших из строя элементов аппаратуры. Отмеченные, а также другие достоинства коммутационной аппаратуры на ВДК дают возможность прогнозировать дальнейшее развитие и расширение применения этих камер [6].
Первые образцы ВДК были созданы в 1926 году Соренсеном. Однако их интенсивная разработка и широкое применение начались только с 70-х
5 годов прошлого столетия. В настоящее время разработка промышленных образцов ВДК и их производство осуществляется рядом фирм США, Германии, Японии и Китая. Разработчиками и изготовителями этих изделий в России являются ВЭИ (г. Москва), «Таврида-Электрик» (г. Москва), «Контакт» (г. Саратов), «Светлана» (г. С.-Петербург), «Вакуумная технология» (г. Рязань). Значительные успехи в развитии теории, конструировании и разработке ВДК связаны с именами Д.Лафферти, М.Шульмана, Г.Финка, Е.Даллини, В.И. Раховского, И.Г.Кесарева, Г.С.Белкина, Ю.Г.Ромочкина, И.А.Лукацкой, С.М.Школьника, А.М.Чалого, Ю.А.Баринова, К.К.Забелло, Р.В.Минаковой и др.
Расширение областей применения ВДК и возрастающий объем их использования требуют дальнейшего увеличения номенклатуры этих изделий, выпускаемых промышленностью, улучшения их эксплуатационных показателей и, в первую очередь, увеличения коммутационного ресурса, снижения массогабаритных параметров, продвижения к большим величинам напряжения и тока. В связи с этим перед разработчиками стоят задачи по более глубокому познанию физических процессов, происходящих в ВДК, поиску оригинальных конструкторских решений, созданию новых технологических приемов и оборудования, а также материалов, обеспечивающих постоянно возрастающие требования эксплуатации.
Одной из важнейших задач, обусловленных увеличивающейся потребностью ВДК, является дальнейшее повышение эффективности производства этих устройств в условиях увеличения серийности и расширения номенклатуры при уменьшении энергопотребления и расхода материалов.
Таким образом, представляются актуальными задачи, решение которых направлено на дальнейшее улучшение эксплуатационных показателей ВДК, совершенствование конструкции и технологии этих изделий, а также повышение эффективности их серийного производства.
Успешное решение проблемы дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей ВДК, в основном, сводится к задаче снижения интен-
сивности эрозионных процессов поверхности контактов под действием дуги. В решении этой задачи имеются два главных направления. Первое -создание материалов с повышенной устойчивостью против эрозии при термических нагрузках, обусловленных дугой. Второе - уменьшение удельной термической нагрузки рабочих поверхностей контактов. В развитии первого направления постоянно ведутся интенсивные поиски [6-9]. Требования, предъявляемые к материалам контактов ВДК, весьма противоречивы, что обусловливает использование для этих целей многокомпозитных материалов. В настоящее время в качестве материала контактов широко применяется сплав «хром-медь». Среди работ по второму направлению можно отметить переход к форме контактов, имеющих поверхность их соприкосновения, отличной от плоской, в результате чего достигается увеличение рабочей поверхности контактов [10,11]. Однако главное внимание в этом направлении уделяется использованию магнитного поля [12-15].
Эффективность производства ВДК во многом определяется профилем предприятия ее изготовителя, что в свою очередь зависит от того, каким по существу является этот тип изделия. Ответ на данный вопрос дает история практической реализации идеи коммутации электрической цепи с помощью вакуумной дуги. Несмотря на получение обнадеживающих результатов на первых образцах ВДК, Соренсеном был «сделан вывод относительно невозможности использования вакуума в качестве дугогаситель-ной среды по причине высокой стоимости устройства и сильной зависимости размыкающей способности от качества вакуума» [16]. Такой вывод был связан с отсутствием в то время необходимых вакуумных технологий, а также необходимых материалов [17]. И только тогда, когда был достигнут определенный прогресс в области электровакуумной технологии, были начаты активная разработка и промышленный выпуск ВДК [16]. Очевидно, достигнутый уровень вакуумной техники во многом был обусловлен потребностями электронного приборостроения, и, в первую очередь, разра-
7 боткой СВЧ электронных приборов высокого уровня мощности. Более категоричное суждение по данному вопросу делается в работе [18], где сказано, что «для производства ВДК необходимо наличие оборудования, технологических процессов и особенно применения материалов, свойственных только электронной промышленности». Таким образом, общепризнано, что ВДК является изделием электровакуумной техники.
Целью настоящей диссертационной работы, посвященной решению некоторых из перечисленных выше задач [19], является исследование физических и конструкторско-технологических факторов, определяющих коммутационный ресурс и эффективность промышленного производства
вдк.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
Выявление аналогий между физическими процессами, происходящими в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.
Проведение сравнения конструктивных и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.
Получение аналитических соотношений и исследование на их основе влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка поверхности контакта ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной вакуумной дуги.
Анализ состояния поверхности сферических контактов ВДК после долговременной работы в режимах коммутации тока номинальной величины и тока короткого замыкания.
Уточнение сценария развития эрозионных процессов контактов, приводящих к потери ВДК отключающих свойств.
Изучение возможности перехода на технологию бесштенгельной откачки ВДК при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования.
Разработка технологии регенерации узлов и деталей ВДК и внедрение ее в серийное производство этих изделий.
Итогом решения этих задач является получение ряда новых научных результатов, из числа которых нужно особо отметить следующие:
Показана общность конструкторских и технологических решений, используемых в ВДК и электровакуумных приборах высокого уровня мощности (обеспечение герметичности в изделиях с подвижными конструктивными элементами, находящимися в вакууме, необходимость тренировки изделий после их откачки и др.), а также аналогия физических процессов, определяющих работу ВДК и мощных СВЧ-электровакуумных приборов: влияние магнитного поля на перенос носителей заряда в межэлектродном пространстве, эрозия поверхности термически нагруженных электродов и др.
Построена аналитическая модель, описывающая движение электронов слаботочной вакуумной дуги между контактами ВДК с поперечным магнитным полем и позволяющая исследовать факторы, определяющие перемещение участка контакта, бомбардируемого электронами, по его поверхности.
Выполнен анализ состояния рабочей поверхности сферических контактов ВДК, прошедших раздельные ресурсные испытания при коммутации токов короткого замыкания и номинальных токов, показавший возможность увеличения коммутационного ресурса за счет минимизации несоосности контактов, а также введения тренировки при токах короткого замыкания.
Уточнён сценарий развития эрозионных процессов, приводящих к потере ВДК отключающих свойств при коммутации как токов короткого замыкания, так и номинальных токов, в котором важная роль отводится
9 появлению с течением времени эксплуатации механических дефектов в
поверхностном слое контактов в виде трещин и пор под воздействием короткой дуги, горящей в моменты размыкания и замыкания контактов.
Предложено техническое решение, обеспечивающее перевод серийного производства ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования ( вакуумной печи), заключающееся в замене штенгеля на откачное отверстие, которое герметизируется при откачке по специальной технологии.
Разработан комплекс технологических процессов по регенерации ВДК, обеспечивающий извлечение из изделий, забракованных при производстве, отдельных узлов и деталей и последующую доработку для их повторного использования, повышающий экономическую эффективность крупносерийного производства. .
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается всесторонним анализом конструкторских и технологических решений, используемых в различных типах современных изделий электровакуумной техники, обеспечивается и подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также многолетним опытом серийного производства этих изделий.
На защиту выносятся:
Выявленная аналогия ряда физических процессов, определяющих работу ВДК и мощных СВЧ-электронных приборов (влияние магнитного поля на перенос носителей заряда в межэлектродном пространстве, эрозия поверхностей термически нагруженных электродов и др.).
Аналитическая оценка влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка контактов ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной дуги.
3. Экспериментальное подтверждение возможностей увеличения
коммутационного ресурса ВДК при одновременном уменьшении ее попе
речных габаритов за счет использования контактов сферической формы.
Обоснование важной роли в потере ВДК отключающих свойств механических дефектов (трещин, пор и раковин), развивающихся в поверхностном слое контактов в результате их эрозии под действием короткой дуги при их размыкании и замыкании и приводящих к снижению теп-лоотвода от поверхности контакта.
Конструкторские и технологические решения по переводу ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования.
6. Разработка и внедрение в серийное производство технологических
процессов, обеспечивающих регенерацию деталей и узлов ВДК (керамиче
ских изоляторов, узлов контактов и др.).
Практическая значимость выполненных исследований:
сравнение физических принципов работы ВДК и электровакуумных приборов высокого уровня мощности, их конструкции и технологии, позволяет в настоящее время и в перспективе использовать конструкторские и технологические решения, опробованные на электронных приборах, при разработке или модернизации ВДК;
анализ состояния рабочей поверхности контактов образцов ВДК, прошедших ресурсные испытания, определяет направление работ по дальнейшему увеличению коммутационного ресурса изделий;
проведенные конструктивно-технологическая проработка и экспериментальные исследования показали эффективность перевода серийно выпускаемых ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования;
разработка и внедрение в серийное производство ВДК комплекса технологических процессов по регенерации основных узлов и деталей
обеспечивают их повторное использование, а тем самым повышают эффективность производства.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, сентябрь 2006 г.), «Электронная и вакуумная техника: приборы, устройства и технология» (Саратов, февраль 2007 г.), «Радио и связь» (Саратов, май 2007 г.), а также на заседании научно-технического совета ГНПП «Контакт» и семинаре кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Вакуумная дуга как физический процесс, определяющий работу ВДК
Для детального анализа процессов, происходящих в ВДК при ее функционировании и обусловливающих ограничение коммутационного ресурса, следует рассмотреть условия, при которых горит вакуумная дуга, и ее основные характеристики. Сначала рассматривается состояние дуги в стационарных условиях по окончании фазы ее развития после поджига.
Вакуумная дуга горит между электродами, один из которых, катод, находится под отрицательным потенциалом, а другой, анод, - под положительным. Дуга представляет собой плазменный электрический разряд, образующейся в результате эрозии электродов, в первую очередь, катода [5]. Катод является источником не только электронов, но и атомов, а также паров его материала, которые в дальнейшем ионизируются. Носители заряда плазмы характеризуются высоким уровнем энергии в виде скрытой теплоты испарений. Эмитирующей является не вся поверхность катода, а лишь отдельные «катодные пятна», которые весьма с большой скоростью (порядка 10 м/с) перемещаются по поверхности катода [1,5,20]. Плотность тока в катодном пятне может достигать 108 А/см2 [21]. Пятна при развитии дуги объединяются в группы, кластеры, которые обеспечивают ток до 200 - 300 А.
В дуге на участке, примыкающем к катоду, шириной порядка 10"5 см создается падение напряжения, составляющее 6 - 18 В, величина которого определяется потенциалом ионизации паров металла катода, а поэтому сильно зависит от материала катода [1,4,22]. Прикатодное падение напряжения UK отражено на участке I рис. 1.2, на котором приведено распределение потенциала вдоль вакуумной дуги.
Участок П на рис. 1.2 соответствует столбу дуги. Он представляет собой область существования плазмы, в которой плотности положительных носителей заряда (ионов) и отрицательных носителей заряда (электронов), практически одинаковы. Скорость электронов вдоль дуги к аноду существенно больше скорости ионов, движение которых к аноду происходит против электрического поля за счет своей кинетической энергии, полученной при формировании плазмы. Причем, часть из них уходит из межэлектродного промежутка. Вследствие этого ток в столбе дуги в основном определяется движением электронов.
При малых токах вакуумная дуга на всем протяжении до анода имеет диффузную форму, при которой плазма равномерно распределяется между катодом и анодом, а границы области плазмы столба в поперечной плоскости размыты. Концентрация носителей заряда в столбе вакуумной дуги мала, что объясняет малые значения градиента напряжения, составляющие 0,01 - 0,1 В/см [4]. Это на рис. 1.2 отражено малым наклоном кривой распределения потенциала на участке П. Температура поверхности анода при диффузной дуге не превышает 10 К, что ниже температуры плавления таких металлов, как, например, медь и хром.
С увеличением тока на участке междуэлектродного промежутка, примыкающего к аноду, форма дуги становится сжатой (контрагированной). У анода возникают сгустки плазмы с резкими границами в поперечной плоскости. При этом резко увеличивается неоднородность электронной бомбардировки анода. Из-за увеличения плотности термических нагрузок на отдельных участках поверхности анода происходит разогрев этих участков поверхности до высоких температур, достигающих температур плавления материала анода, атомы которого, как и катода, ионизируются. Появляющиеся «анодные пятна» являются источниками паров металла электрода. На узком участке возникает прианодное падение напряжения Ua, которое отражено резким увеличением напряжения у анода на участке Ш рис. 1.2. Величина прианодного падения напряжения вакуумной дуги, как правило, составляет 6 - 12 В и зависит от материала анода, а также величины тока.
Рассмотренные выше процессы, происходящие в вакуумной дуге, объясняют ход ее вольт-амперной характеристики, который приведен на рис. 1.3.
В области малых токов дуга имеет диффузную форму и в этой части вольт-амперной характеристики напряжение горения дуги лишь незначительно увеличивается с ростом тока. При диффузной форме вольт-амперная характеристика вакуумной дуги описывается уравнением [5] U = UK+IG(h)/d, (i.i) где прикатодное падение напряжения UK не зависит от тока дуги I; d - диаметр кольца катодных пятен на катоде; G(h) - некоторая функция дуги, имеющая размерность удельного сопротивления, величина которой зависит от материала электродов и составляет порядка 100 мкОм м; h - расстояние между электродами. Как показывают измерения [23], величина функции G(h) при изменении параметра h в широком интервале изменяется не столь существенно. Так, для меди ее изменение составило ± 12,7 %, для цинка ±13,3 %, для висмута ±24,2 % при изменении зазора между электродами в 5-6 раз. Величина динамического сопротивления вакуумной дуги, определяющий наклон ее вольт-амперной характеристики к оси тока, составляет порядка: для меди 2-Ю"3 Ом, для цинка 1,83-103 Ом, для висмута 1-Ю"3 Ом.
При больших токах напряжение горения дуги начинает существенно увеличиваться с током за счет увеличения прианодного падения напряжения. В этой части вольт-амперной характеристики дуга у анода приобретает сжатую форму. Величина тока Is на рис. 1.3, при которой начинают образовываться анодные пятна и начинается интенсивное испарение металла с поверхности анода, зависит от материала этого электрода, площади его поверх-ности и межэлектродного расстояния.
Отличительная особенность вакуумной дуги, являющаяся следствием неустойчивости формирования катодных пятен, заключается в том, что она гаснет не при нулевом, а при некотором конечном значении тока. Этому току соответствует обрыв вольт-амперной характеристики дуги в области малых токов (при величине напряжения дуги, примерно равной прикатодному падению напряжения).
Интенсивность оплавления электродов зависит от формы дуги. Очевидно, оплавлению в большей степени подвержен анод, поскольку на нем выделяется около 2А мощности дуги. При диффузной форме, как правило, следов оплавлений на поверхности анода не наблюдается. При сжатой форме дуги возникают анодные пятна, а эрозионные поражения поверхности анода имеют вид кратеров, глубина которых увеличивается с увеличением тока. Глубина кратеров может достигать 1 мм (в то время как размеры кратеров на поверхности катода составляют всего лишь 10"3 см).
Условия горения вакуумной дуги в ВДК, в которой электродами являются контакты, отличаются от стационарных, рассмотренных выше. В связи с коммутацией цепей переменного тока контакты попеременно меняют функции анода и катода. Это унифицирует термическую нагрузку на контактах, а, следовательно, и подверженность их эрозии. Кроме того, в течение одного полупериода напряжения величина тока дуги может изменяться в больших пределах (от нуля до сотни тысяч ампер) вместе с изменением расстояния между контактами.
Дуга в ВДК загорается при размыкании контактов, когда ток сосредотачивается в последних местах соприкосновения поверхностей. Это приводит к образованию «мостиков», сильный разогрев которых приводит к расплавлению металла. В результате испарения образуется плазма, которая при небольшом расстоянии между контактами заполняет весь этот промежуток. Источником плазмы являются как катодные, так и анодные пятна. При этом на начальном этапе разведения контактов между ними горит короткая дуга, -имеющая, по существу, сжатую форму, при которой диффузный столб отсутствует. Он появляется со временем, когда контакты будут разведены на достаточное расстояние. При дальнейшем разведении контактов в интервалах фаз наибольшего мгновенного значения тока дуга в ВДК может вновь перейти в сжатую форму, а после прохождения максимума, когда величина тока уменьшается, дуга снова изменяет форму на диффузную.
Исходные положения анализа влияния поперечного магнитного поля при диффузной форме дуги
В работах [56-59] исследуется влияние поперечного магнитного поля на сильноточную дугу, когда она имеет сжатую форму, а температура контакта в местах анодных пятен превышает температуру испарения материала контактов. Не учитывается факт пребывания дуги в диффузной форме, предшествующей ее переходу в сжатую форму, т.е. не рассматривается переход ный режим, на что указывается в [57]. Между тем переходный режим весьма важен, поскольку при диффузной форме дуга подпитывается только за счет катодных пятен, а образование анодных пятен может быть связано либо с наличием неоднородности электронной бомбардировки поверхности контактов, либо с наличием неоднородности состояния их поверхности.
В связи с изложенным представляет интерес анализ влияния поперечного магнитного поля в промежутке между контактами ВДК при диффузной форме дуги, которое определяет условия бомбардировки электронами поверхности контактов. Такой анализ может быть выполнен на базе приближенного подхода, развитого в работе [59], использующего аналитические соотношения.
Диффузная форма дуги считается квазинейтральной [4]. Это позволяет предположить, что в зазоре между контактами, за исключением прикатодно-го слоя, движение электронов происходит в однородном электрическом поле. При определении траектории электронов в зазоре между контактами следует также считать, что их движение происходит в статических электрическом и магнитном полях, так как время пролета электронов этого зазора несравненно меньше периода переменного напряжения, приложенного к контактам ВДК.
Как отмечалось, формируемое магнитное поле в пространстве между контактами ВДК неоднородно. О степени его неоднородности можно судить по данным на рис.2.2, где представлены результаты двух вариантов систем проводников прямоугольного сечения, эквивалентных спиральным участкам , контактов. На этом же рисунке приведены также значения соответствующих геометрических параметров и принятая система координат. Токи проводников верхнего и нижнего рядов протекают в противоположных направлениях. Нормированные величины отличия значения поперечных компонент магнитной индукции от значения, соответствующего координатам х = 0, у = О, представленные в зависимости от расстояния от середины зазора между соседними проводниками одного ряда (х = 0) для трех расстояний от верхнего поперечной компоненты магнитной индукции (В ) в пространстве между проводниками прямоугольного сечения: - вид этого пространства с указанием значений геометрических параметров и системы координат; б -результаты расчета для расстояния между рядами проводниковd = 12мм (1 -у = 0; 2-у = 3мм; 3-у-5,5мм); в - результаты расчета для расстояния между рядами проводниковd = 6мм (1 -у = 0; 2-у = 1,5мм; 3-у = 2,5мм) (или нижнего) ряда. Величина индуктивности, при которой осуществлялась нормировка, соответствует значению с координатами х = 0, у = 0. Расчет проводился методом численного интегрирования уравнения Био-Саварра Лапласа по методике, описанной в [60].
Из приведенных данных на рис.2.2, в частности, следует, что на участке в зазоре между проводниками одного ряда величины поперечной компоненты магнитной индукции весьма существенны. Это обеспечивает круговое вращение дуги, о чем говорилось в предыдущем параграфе.
Учет неоднородности магнитного поля не позволяет получить соотношения анализа в аналитической форме. Однако для выявления основных факторов, влияющих на движение электронов, этой неоднородностью можно пренебречь, что представляется вполне допустимым на основании данных расчетов, приведенных на рис.2.2, и. считать величину магнитной индукции между контактами усредненной. В частности, ниже полагается однородной поперечная составляющая магнитного поля (при нулевой продольной составляющей).
Оговоренные выше представления позволяют свести задачу определения траектории электрона в зазоре между контактами ВДК к аналогичной задаче для плоского магнетрона со сплошным анодом в статическом режиме [34]. При таком подходе границу прикатодного слоя следует рассматривать в качестве «виртуального катода», а его анодом является контакт ВДК, находящийся под положительным потенциалом.
Решение задачи о характере движения электрона осуществляется на базе уравнения Лоренца, определяющего силу, действующую на заряд в электрическом и магнитном полях [61]. Это" уравнение в случае статического режима плоского магнетрона со сплошными электродами, если рассматривается двухмерная задача в системе координат, представленной на рис.2.3, сводится к системе двух дифференциальных уравнений
Состояние рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытаний при коммутации токов короткого замыкания
Физические процессы, приводящие к ограничению коммутационного ресурса ВДК, в основном, определяются изменением состояния рабочих поверхностей контактов под действием вакуумной дуги. Они весьма сложны и во многом зависят от конструктивного выполнения контактов. Этим можно объяснить отсутствие четких представлений, позволяющих оценить коммутационный ресурс конкретного типа ВДК. Естественно, что при таком положении большое значение приобретают экспериментальные исследования.
Как отмечалось, в соответствии с назначением, ВДК осуществляет коммутацию электрической цепи с двумя, существенно отличающимися уровнями тока: номинального и короткого замыкания. В настоящее время основное внимание уделяется проблеме снижения термических нагрузок разведенных контактов при дуге с током короткого замыкания. В частности, с учетом такого состояния ВДК обычно рассматриваются вопросы использования магнитного поля. Однако, как отмечается в [55], отказ размыкания должен происходить при пиковой плотности тока порядка 3,5 к А/см , что превышает максимальную плотность тока промышленных ВДК, по крайней мере, на 50%. Тем более естественен вопрос о причинах ограничения комму- -тационного ресурса при номинальных токах, величины которых на порядок меньше токов короткого замыкания. По всей видимости, в течение эксплуатации в ВДК должны происходить процессы, в результате которых камера теряет свои отключающие свойства вне зависимости от величины коммутационного тока. Поэтому имеет большое значение уточнение представлений о сценарии развития данных процессов.
В связи с этим представляет интерес сравнение состояния поверхностей контактов при коммутации токов, существенно отличающихся по величине. Условия эксплуатации не позволяют получить данные о коммутационном ресурсе по каждому уровню тока. Для получения таких данных необходимо проведение раздельных ресурсных испытаний при одном из двух уровней тока. Результаты таких испытаний обсуждаются в настоящей главе.
Ресурсные испытания проводились на ВДК типа КДВА5-10-20/1600, разработанной ГУП «ВЭИ» (г. Москва) и серийно выпускаемой на ФГУП «НЛП «Контакт» (г. Саратов). В этих ВДК применены контакты сферической формы [10,11], переход к которым позволяет уменьшить поперечные габариты камеры. Кроме того, контакты ВДК типа КДВА5-10-20/1600 выполнены из материала ХД70, имеющего меньшую величину удельного электрического сопротивления, чем материалы ХД50 и ХД60, применяющиеся в камерах предыдущих поколений. Несмотря на то, что электропроводность материала ХД70 больше, чем у материалов ХД50 и ХД60, из-за уменьшения рабочей поверхности контактов и уменьшения дополнительного поджатия величина сопротивления исследуемого типа ВДК при замкнутых контактах увеличивается, но не превышает норм, оговоренных в технической документации аналога (КДВ Х4-10-20/1600).
Непосредственной целью проводимых испытаний явилась проверка влияния таких контактов на коммутационный ресурс ВДК. Однако анализ этих результатов, в том числе исследования состояния поверхности контактов, не только позволяют определить направление работ по увеличению это- го эксплуатационного показателя, но и могут дать материал для понимания физики процессов, приводящих к выходу изделия из строя.
Ресурсные испытания ВДК при коммутации токов короткого замыкания проводились в составе трехфазного выключателя ВБ-10-20/1600, выпускаемого на ФГУП «НЛП «Контакт» 7. Последовательность испытаний и результаты проводимых при этом измерений приведены в табл.3.1. Испытания включали в себя выполнение операции включения-отключения («ВО») и операции отключения («0»)» при токе 20 кА (кроме п.1 табл.3.1).
В трехфазной цепи промышленной частоты моменты перехода тока через ноль в фазах сдвинуты относительно друг друга на 3,3 мс. При работе трехфазного выключателя дуга прерывается сначала в одном из трех полюсов. После этого в двух других полюсах из-за изменения межфазного напряжения гашение дуги происходит одновременно. Если считать, что гашение дуги в ВДК происходит при переходе тока через ноль, то время горения дуги в двух других полюсах будет больше, чем в первом.
Фиксирование времени горения дуги (tAyrH) в первом дугогасящем полюсе менее 3,3 мс является свидетельством того, что гашение дуги произошло при первом переходе тока через ноль. Если tflyril 3,3 мс, то первое отключение произошло при следующем по времени переходе тока через ноль. Это позволяет считать, что количество отключений со временем горения дуги менее 3,3 мс, а также величина среднего времени горения могут служить критериями при оценке динамики изменения отключающей способности ВДК в процессе ресурсных испытаний. Результаты измерения данных величин приводятся й табл.3.1. Кроме того, в этой таблице приведены данные о количестве отключений при первом переходе тока через ноль. Успешным считается отключение с tflyr„ 4,5 мс. Такая величина принята с учетом не одновременности размыкания ВДК в полюсах выключателя (около 1 мс) и погрешности измерения времени горения дуги.
Оценка возможности использования диффузионной сварки при бесштенгельной откачке ВДК
В работе [80] на второй ступени перехода на бесштенгельную откачку операцию герметизации предполагается заменить диффузионной сваркой в четырех местах, где должны обеспечиваться вакуумные швы соединения ке-, рамических изоляторов корпуса изделия с защитным экраном и узлами подвижного и неподвижного контактов". При сварке используются медные прокладки с легкоплавким покрытием. Предполагается, что для проведения термической обработки в камере откачного поста эти детали и узлы находятся в разведенном состоянии, а затем при снижении температуры вследствие разности коэффициентов температурного линейного расширения (КТЛР) керамических деталей и стержней специальной технологической оснастки они сводятся, а при температуре порядка 450С осуществляется необходимое для сварки сжатие этих частей.
Вид предлагаемого легкоплавкого покрытия медных прокладок в [80] не оговаривается . Однако его использование необходимо, поскольку надежное соединение посредством диффузионной сварки, в частности, керамики ВК-94 и меди достигается при температуре не ниже 1173 К [81], что выше температуры плавления припоя ПСр-72, применяемого при пайке узлов ВДК.
Преимуществом использования диффузионной сварки при бесштен-гельной откачке является то, что температура, при которой она проводится в камере откачного поста, может быть ниже температуры плавления припоев, применяемых при сборке узлов. Кроме того, при диффузионной сварке не используются припои, содержащие драгоценные металлы.
Однако применение диффузионной сварки при бесштенгельной откач ке ВДК сопряжено с решением ряда технических задач, в том числе связан ных с разработкой специальной технологической оснастки, которые рассмат риваются ниже. І ,
Оснастка с учетом проведения сварки узлов ВДК в камере откачного поста должна обеспечивать:
а) фиксацию с большой точностью зазора между свариваемыми дета лями, необходимого для эффективной эвакуации газов из откачиваемого из делия после его сборки при комнатной температуре и последующем нагреве до температуры обезгаживания;
б) сопряжение торцов деталей после проведения операции обезгажива ния при снижении температуры и последующее осуществление их сдавлива ния, необходимого для диффузионной сварки;
в) снятие давления после сварки при последующем снижении темпера туры до комнатной величины во избежание разрушения целостности керами ческих деталей. (Максимальное сжимающее давление, которое выдерживает керамика ВДК-94 - 16-18 МПа [81]).
Наиболее простым из этих процессов является процесс сближения деталей при снижении температуры за счет разности КТЛР керамики и материала элементов оснастки. Его можно моделировать при предположении использования технологической оснастки, схема которой представлена на рис.4.1. Она представляет собой две пластины (1), которые стянуты стержнями (2). Между пластинами устанавливаются детали (3), свариваемые торцами. Для простоты считается, что этими деталями являются две цилиндрические втулки из материала ВК-94, которые противоположными торцами крепятся к пластинам оснастки. Длина каждой втулки 30 мм, а внешний и внут-ренний диаметры равны 40 и 30 мм, соответственно. Стержни технологической оснастки выполнены из марок стали, обычно применяемых в электровакуумной технологии в качестве материала оснастки. Температурные зависимости величин КТЛР этих материалов приведены на рис.4.2. Моделируется процесс сближения керамических втулок до их соприкосновения при снижении температуры с 600С, практически предельной температуры, которую выдерживает аргонодуговая сварка сильфона, выполненного из нержавею щей стали. Исходный зазор между деталями, показанный на рис.4.1, принимался равным 0,4 мм, при котором проводимость эквивалентного эвакуационного сечения в 3 раза больше соответствующей проводимости штенгеля ВДК типа КДВ А5-10-20/1600.
Расчеты проводились с использованием соотношения, определяющего изменение расстояния между керамическими втулками А/ при уменьшении температуры на величину AT.
где I] и h - длина стержня оснастки и суммарная длина керамических втулок при начальной температуре Т; а і и аг - значения КТЛР материалов стержней и керамики при температуре, равной Т + 0,5АТ.
На рис.4.3 приведены результаты моделирования для случая, когда длина стержней равна 60,4 мм (кривая 1), обеспечивающего зазор между свариваемыми деталями 0,4 мм. Видно, что при стержнях из стали марки 12Х18Н10Т только при снижении температуры до комнатной достигается сопряжение деталей, а при стержнях из стали марки 24X1ЗН сопряжение деталей отсутствует.
Чтобы обеспечить сопряжение керамических втулок длиной 30 мм при повышенной температуре, следует увеличить длину стержней. В получающийся при этом зазор между пластинами оснастки необходимо, помимо свариваемых деталей, поместить вставку из материала с величиной КТЛР, близкой к величине КТЛР керамики. Таким материалом может служить ковар, для которого температурная зависимость КТЛР приведена на рис.4.2. Результаты моделирования процесса сближения свариваемых втулок при уменьшении температуры со стержнями увеличенной длины, выполненного при предположении, что КТЛР керамики и материала вставки одинаковы, представлены на рис.4.3 (зависимости 2 и 3). Увеличение длины стержней приводит к увеличению температуры, при которой достигается сопряжение деталей. Так, из рис.4.3,а следует, что при длине стержней оснастки 90,4 мм и использовании дополнительной вставки длиной 30 мм оно произойдет при температуре 200С, а при длине стержней 120,4 мм и длине вставки 60 мм - при. 310С. Для получения соприкосновения керамических деталей при температуре 450С, как рекомендуется в [80], длина стержней оснастки должна быть равна 220 мм.
![Прогнозирование фетоплацентарной недостаточности на основе статистического анализа медико-биологических факторов риска [Электронный ресурс]](/i/i/4309/168289.png "Прогнозирование фетоплацентарной недостаточности на основе статистического анализа медико-биологических факторов риска [Электронный ресурс] Самодай Валентина Николаевна")