Сторінка 2 з 11
2. Теорія і практика відключення в вакуумі
2.1. Діелектричні властивості вакууму
Будь-яке середовище відключення повинна бути перш за все хорошим ізолятором, так як мова йде про створення перешкоди для проходження струму. Вакуумна середовище не є винятком з правила: вакуум володіє потрібними діелектричними властивостями, але при цьому ці властивості особливі по відношенню до газоподібним діелектриків, які зазвичай використовуються при тиску, що перевищує або дорівнює 1 бару. Вакуум, кваліфікуються як «високий» (діапазон тиску від 10-1 до 10-5 Па або від 10-3 до 10-7 мбар), в колбах вакуумних вимикачів (див. Рис. 2) в дійсності представляє собою газ під низьким тиском : зазвичай це тиск становить 10-6 мбар в новій колбі.
Мал. 2. Вакуумна камера Schneider Electric 17,5 кВ
При такому тиску обсяг в 1 мм3 ще містить 27.106 молекул газу, але їх взаємодією можна знехтувати, так як середній вільний пробіг між двома зіткненнями молекул становить близько сотні метрів: таким чином, такий стан визначається поняттям вакууму, як якщо б кожна молекула була, практично , єдиною.
Діелектричні характеристики газу
При звичайних рівнях тиску (атмосферний і більш високий тиск) діелектричні характеристики газу представлені правої галуззю кривої Пашена (див. Рис. 3): напруга пробою V є зростаючою функцією від твору р-d (р = тиск, d = відстань між електродами). Це відношення характеризує механізм ланцюгової іонізації (лавинна іонізація), яка викликає пробій: електрони повинні отримати між двома зіткненнями енергію, достатню (пропорційну pd) для іонізації молекул газу, і, таким чином, створити інші електрони.
Мал. 3. Зміна електричної міцності повітря в залежності від тиску (крива Пашена)
При низьких значеннях тиску цей механізм перестає працювати. Насправді електрони можуть отримати багато енергії за час їх середнього вільного пробігу, але ймовірність того, що електрони зіткнуться з молекулами, які вони іонізують, до того, як досягнуть електрода, стає незначною: лавинний процес і розмноження носіїв заряду припиняються, і електрична міцність підвищується . Саме це явище представлено на кривій Пашена, де показана мінімальна електрична міцність для твору р d порядку 1 Па в азоті. Вище цього значення електрична міцність швидко поліпшується (ліва частина кривої Пашена) і досягає рівня значень р d менш 10-2 Па м. Цей рівень і характеризує діелектричні властивості відкачаних колб (тиск нижче 10-3 мбар або 10-1 Па, відстань близько 1 - 10 см). Це відповідає високій електричної міцності, яку можна порівняти з міцністю в елегазі SF6 при тиску приблизно 2 бари і інтервалів близько 1 см. У цій області електрична міцність більше не обмежується механізмами іонізації залишкового газу, але обмеження викликається явищами, пов'язаними зі станом поверхні електродів, наприклад, електростатичного емісією і присутністю відокремлюваних часток.
автоелектронна емісія
Автоелектронна емісія полягає в екстракції електронів з металу електродів. Цього можна домогтися за рахунок значного підвищення температури металу: таким чином відбувається термоелектронна емісія у поверхні розігрітих катодів електронних ламп. Інший спосіб полягає в додатку досить сильного електричного поля до поверхні металу. Дане явище, а саме автоелектронна емісія може відбуватися в вакуумних камерах. Даний процес розраховується за допомогою рівняння Фаулера- Нордгайм, яке в спрощеному вигляді наведено нижче:
je - щільність електронного потоку, Ам-2; A = 1,54 * 10-6 A * Дж * В-2 Е - напруженість електричного поля, Вм-1; ф - робота виходу, еВ (4,5 еВ для міді).
Як можна зробити висновок з вищевказаних цифрових значень, автоелектронна емісія стає помітною лише при значеннях напруженості поля на поверхні металів в межах від декількох 109 Вм-1 до 1010 Вм-1. Йдеться про дуже великих значеннях, безумовно перевищують значення напруженості макроскопічного поля, що застосовуються при розрахунках для вакуумних камер (близько 107 Вм-1 = 100 кВ / см). Проте, автоелектронна емісія чітко спостерігається в вакуумних камерах: таким чином, з цього можна зробити висновок, що місцево, на мікроскопічному рівні, електричне поле посилюється коефіцієнтом інтенсифікації р, що становить близько декількох 102 або 103. Явища, які обумовлюють ці високі значення р, ще повністю не описані дослідниками, які, головним чином, на перший план висувають або вплив мікроскопічних гострих частинок, або включень або ізолюючих частинок на поверхні металу.
Процес формування напруги пробою
Наявність активних мікроскопічних ділянок емісії виражається, головним чином, в низькій електричної міцності нових камер (приблизно 10 кВ / см); навпаки, в ході експериментів встановлено, що багаторазовий пробою діелектрика руйнує ці ділянки або, щонайменше, зменшує значення коефіцієнта інтенсифікації, що говорить про високу чутливість цих ділянок. Таким чином, належна електрична міцність (щодо заданих значень) досягається тільки в результаті процесу формування напруги пробою, який полягає в подачі протягом декількох хвилин підвищеної напруги (значенням рівним розрахункової електричної міцності): численні пробої, які відбуваються, поступово підвищують електричну міцність між електродами . Це явище представлено на малюнку 4, де показано зміну в часі напруги пробою при проходженні розрядів: межа підвищення електричної міцності досягається на рівні приблизно 108 Вм-1, що, крім того, відповідає мікроскопічному «незнижуваного» р близько 100.
Мал. 4. Зміна в часі напруги пробою між двома електродами у вакуумі при проходженні розрядів
механізм пробою
В результаті пробою діелектрика, який виникає під дією струму електронної емісії, можуть бути задіяні додаткові механізми: в дійсності усталений струм електронної емісії (при максимальних значеннях в кілька мА) не переходить в обов'язковому порядку в пробою, якщо подається напруга не збільшується, струм емісії може навіть сам по собі зменшуватися під впливом процесу формування напруги пробою. Пробій як такої пов'язаний з утворенням локалізованої плазми (іонізований газ), досить щільної для того, щоб викликати лавинний процес газових розрядів. Плазма може утворюватися з боку катода за рахунок підриву ділянки мікроскопічної емісії в результаті інтенсивного нагріву, обумовленого дуже високою локальної щільністю струму (ефект Джоуля - Ленца): пробій відбувається в середовищі парів металу, що утворюються при руйнуванні ділянки емісії. Плазма може також утворюватися з боку анода, бомбардируемого пучком енергетично сильно заряджених електронів (що виражається, до того ж, в появі рентгенівського випромінювання). Цей локальний потік енергії викликає десорбції газу, поглиненого з поверхні, і випаровування металу з поверхні анода: потім утворений газ іонізується пучком електронів, і відбувається пробій.
Вплив відокремлюваних часток
Другий фактор може викликати пробою діелектрика в вакуумі: мова йде про відокремлюваних частинках присутніх на поверхні стінок вакуумного
вимикача. Вивільняючись під впливом удару або електростатичних сил, ці заряджені частинки набувають енергію при подоланні відстані між електродами. У момент зіткнення з електродом, який їх притягує, ці частинки можуть викликати пробою за рахунок двох, можливо, супутніх явищ:
- локального підвищення щільності газу в результаті десорбції поглинених молекул газу;
- виникнення процесу електронної емісії і часткового випаровування частинок або електрода під дією пучка, який їх бомбардує. Підтвердженням практичного значення стану частинок є експериментально отриманий висновок про те, що електрична міцність в вакуумі між двома електродами підвищується приблизно пропорційно значенню квадратного кореня відстані між електродами. Це ставлення може бути пояснено припущенням, що частинки повинні отримати заряд енергії (пропорційний В2 / ф, достатній для того, щоб викликати пробою. З цієї ж причини великі частки, здатні нести більш потужний електричний заряд, здатні створити більше проблем, ніж дрібні частинки.
Розглядаючи питання несприятливого впливу відокремлюваних часток на електричну міцність вакуумних вимикачів, слід враховувати дві обставини:
- важко домогтися дуже великих значень електричної міцності, навіть при значній відстані між електродами (див. рис. 5);
- електрична міцність вакуумного вимикача носить невизначений характер: пробій може статися з затримкою щодо подачі напруги і при напрузі, меншій, ніж напруга, яке безаварійно витримувалося раніше.
- Вакуум володіє потрібними діелектричними властивостями за умови обмеження напруги, що подається в межах приблизно від 100 до 200 кВ, що відповідає необхідному рівню ізоляції для заданих
Допустима електрична міцність
Мал. 5. Допустима електрична міцність при дуже великій відстані між електродами
значень напруги, 36 кВ, при яких відстань між електродами може становити кілька сантиметрів. При великих значеннях напруги завдання забезпечення необхідної електричної міцності вищеописаним методом стає трудомісткою і менш ефективною, ніж вирішення цієї проблеми за рахунок використання газової ізоляції SF6.
Електрична міцність будь-якого пристрою відключення в вакуумі змінюється в часі. Насправді, в результаті механічних дій і впливу електричної дуги відбувається зміна стану поверхні контактів і генерація часток. Таким чином, рівень електричної міцності, який забезпечується при виході на необхідну напругу, не може вважатися остаточно досягнутим. Отже, вакуум не є ідеальною ізолюючої середовищем, коли надійність підтримки рівня електричної міцності є першочерговим завданням, наприклад, в разі застосування роз'єднувача.