Лекция 8. Процессы в дугогасительных системах и в электрических сетях 6 (10) кВ при коммутациях выключателями

Вакуумные выключатели

Перенапряжения в условиях применения вакуумных выключателей определяются процессами в вакуумных камерах и прежде всего эмиссией тока с поверхности контактной системы.

Как правило, поверхность контактов имеет большое число микронеровностей и они прилегают друг к другу не всей плоскостью, а несколькими точками. В первые мгновения расхождения контактов точки соприкосновения электродов сохраняются, но при этом площадь контактов стремительно уменьшается. Также стремительно поднимается температура мест соприкосновения, причем к моменту отрыва поверхностей друг от друга металл переходит в жидкое состояние и между расходящимися контактами возникают мостики из расплавленного металла.

Дальнейшее расхождение контакта сопровождается сжатием сечения мостиков, увеличением температуры и давления. Стартовый этап заканчивается взрывом мостика и переходом к разряду в парах металла. В этих условиях ток определяется процессами в плазме.

Хоть и незначительный, но имеется ток, связанный с фотоэффектом. Фотоэффект, т. е. эмиссия электронов из катода под действием светового или иного излучения, происходит при энергии фотона, большей эффективной работы выхода hv>W_a^*. В свою очередь работа выхода из электрода зависит как от материала, так и от состояния поверхности катода, поэтому плотность тока также зависит от этих факторов. При этом нужно иметь в виду, что вероятность эмиссии электрона под действием фотона с энергией, большей W_a^*, много меньше единицы. Эту вероятность называют квантовым выходом. Плотность фототока зависит не только от энергии фотона, но и от температуры и состояния поверхности катода.

Второй по плотности ток автоэлектронной эмиссии. Автоэлектронная эмиссия из металла в вакуум наблюдается при напряженностях электрического поля на поверхности Е=10⁸ …10⁹ В/м.

Сильное электрическое поле у катода может возникнуть не только вследствие роста напряженности между электродами, но и вследствие образования положительного объемного заряда вблизи катода. Поверхность катода обычно бывает неровной и неоднородной на отдельных участках, и заметный ток автоэлектронной эмиссии может возникнуть уже при средней напряженности порядка 10⁷ В/м.

С учетом увеличения прозрачности барьера упрощенная формула, удобная при практических расчетах плотности тока автоэлектронной эмиссии при Т=0 К, имеет вид:

j= AE²exp (-BW_a ^3/2/E),.

где Енапряженность электрического поля в В/см; W_a — работа выхода из металла в эВ; j_A(0) в А/см². Повышение температуры катода приводит к росту плотности автоэлектронной эмиссии j_A(Т), так как часть электронов будет иметь энергию, большую W_Fe.

Эмиссия электронов может происходить при бомбардировке катода медленными (потенциальная ионноэлектронная эмиссия) или быстрыми, имеющими энергию несколько килоэлектрон вольт (кинетическая ионноэлектронная эмиссия), положительными ионами.

При сближении положительного иона с металлом ширина потенциального барьера уменьшается настолько, что становится возможным туннелирование электрона на свободный нормальный энергетический уровень положительного иона. В результате этого образуется нейтральная частица.

При нейтрализации выделяется энергия, равная разности энергий, необходимой для онизации частицы W_u энергии, которую имел электрон в металле, w_x. Эмиссия электрона в вакуум возможна, если выделившаяся энергия будет больше работы выхода: W_u-w_x>W_a или W_u>W_а++w_x. Поскольку w_x>W_a, эмиссия электрона имеет место лишь при выполнении условия W_u>2W_a.

Ствол разряда на стартовых этапах имеет очень высокую проводимость, которая значительно больше, чем проводимость у элегазовых и масляных выключателей, что в совокупности с конструктивными решениями контактной системы обеспечивает перенапряжения, не превышающие допустимые. Однако после прохождения тока через ноль возникают многократные пробои, которые могут при определенных условиях привести к эскалации перенапряжений.

При фиксированной скорости восстановления диэлектрической прочности условия для первого и последующих пробоев зависят от момента начала движения контактов t_откл, отсчитываемого от момента прерывания тока. При отключении пускового тока при di/dt=50А/мксек, t_откл=0,17мсек, после среза тока при его мгновенном значении i=5А, прочность промежутка ВВ спустя время t_откл=0,17мсек после начала движения контактов оказывается недостаточной. Происходит первый, а затем ряд последующих пробоев промежутка с гашением дуги каждый раз после прохождения через выключатель одного трех (в зависимости от скорости подхода тока к нулю) высокочастотных полуволн тока.

Важнейшим явлением, влияющим на возможность возникновения перенапряжений в условиях, когда контакты холодные, является взрывная автоэлектронная эмиссия. Это происходит, как правило, при включении после длительного перерыва. В этих условиях по существу отсутствуют, по крайней мере, на первом этапе движения контактов, составляющие термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссий. Разряд возникает с микронеровностей контактной системы. Через некоторое время за держки t_з после начала эмиссии происходят микровзрывы острий на катоде, при этом образуются плазменные сгусткикатодные факелы, расширяющиеся со скоростью порядка 10⁴м/с, а плотность тока быстро нарастает.

С ростом напряженности электрического поля t_з уменьшается обратно пропорционально квадрату плотности тока t_з=4*10⁹/j_А², где j_А в А/см², t_з в сек.

Быстрый рост плотности тока обусловлен термоэлектронной эмиссией из плазменного катодного факела. Еще до достижения катодным факелом анода навстречу ему начинает двигаться анодный факел, образующийся в результате бомбардировки анода ускоренными электронами.

Длительность импульса тока взрывной эмиссии t_вэ определяется в основном временем перекрытия промежутка катодным факелом:

t_вэ=d/v.

где dрасстояние между электродами;v-скорость распределения катодного факела.

Однако первые пробои при схождении контактов происходят на очень близком расстоянии между ними, что делает вероятность эскалации перенапряжений очень низкой.

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что перенапряжения, в силу специфических процессов в дугогасительных системах, возникают в условиях применения выключателей с любыми дугогасительными системами. Однако вероятность перенапряжений и их величина зависят не только от процессов в дугогасительной системе, но и от параметров сети.