Pagina 2 din 11
2. Teoria și practica decuplării în vid
2.1. Proprietățile dielectrice ale vidului
Orice mediu de oprire trebuie să fie în primul rând un izolator bun, deoarece este o problemă de a crea o barieră în trecerea curentului. Mediul de vid nu este o excepție de la regulă: vidul posedă proprietățile dielectrice necesare, dar aceste proprietăți sunt speciale în ceea ce privește dielectricii gazoși, care sunt folosiți de obicei la presiuni mai mari sau egale cu 1 bar. Vacuumul, care se califică drept "înalt" (intervalul de presiune de la 10-1 la 10-5 Pa sau de la 10-3 la 10-7 mbar), în baloanele comutatoarelor de vacuum (a se vedea figura 2) este de fapt un gaz de joasă presiune : de obicei, această presiune este de 10-6 mbar într-un balon nou.
Fig. 2. Camera de vid Schneider Electric 17,5 kV
La această presiune, volumul 1 mm3 conține încă 27,106 molecule de gaz, dar interacțiunea lor poate fi neglijată, deoarece drum liber mediu între ciocnirile de molecule de ordinul a sute de metri: deci, o astfel de stare este determinată de conceptul de vid, în cazul în care fiecare moleculă a fost practic , singura.
Caracteristicile dielectrice ale gazului
Sub presiune normală (atmosferică și presiune mai mare), caracteristicile dielectrice ale gazului sunt prezentate ramură dreaptă a curbei Paschen (a se vedea figura 3 ..) Tensiunea defalcare V este o funcție crescătoare a produsului p-d (p = presiunea, d = distanța dintre electrozi). Acesta caracterizează raportul dintre mecanismul lanț de ionizare (avalanșă ionizare), care determină eșantionul: electronii au nevoie pentru a obține între două coliziuni de energie suficientă (pd proporțională) pentru a ioniza moleculele de gaz și astfel creează alți electroni.
Fig. 3. Modificarea rezistenței electrice a aerului în funcție de presiune (curba Paschen)
La presiuni reduse, acest mecanism nu mai funcționează. In realitate, electronii se pot obține o mulțime de energie în timpul calea lor liber medie, dar probabilitatea ca electronii se ciocnesc cu molecule care sunt ionizate, inainte de a ajunge la electrodul devine neglijabil: procesul de avalanșă și multiplicarea purtătorilor de sarcină sunt terminate, iar crește rezistența electrică . Acest fenomen este reprezentat pe curba Paschen, unde este arătată rezistența electrică minimă pentru produsul pd de ordinul a 1 Pa în azot. Peste această valoare, rigidității dielectrice este îmbunătățită (din partea stanga a curbei Paschen) rapid și atinge valori ale d p m mai mică de 10-2 Pa. Acest nivel caracterizează proprietățile dielectrice ale baloanelor evacuate (presiune mai mică decât 10-3 mbar sau 10,1 Pa, distanța de ordinul 1 - 10 cm). Aceasta corespunde unei concentrații dielectrice ridicate comparabil cu rezistența în SF6 gaz izolant la o presiune de aproximativ 2 bari și intervale de ordinul a 1 cm. În acest domeniu, rigidității dielectrice nu mai este limitată de mecanismele de ionizare a gazului rezidual, dar limitarea este cauzată de fenomenele asociate cu starea suprafeței electrodului, de exemplu electrostatic emisie și prezența particulelor separate.
Emisie autoelectronică
Emisia emisiilor electronice constă în extragerea electronilor din electrozi metalici. Acest lucru se poate realiza datorită unei creșteri semnificative a temperaturii metalului: astfel, emisia termică apare la suprafața catodelor încălzite ale tuburilor electronice. O altă modalitate este de a aplica pe suprafața metalului un câmp electric suficient de puternic. Acest fenomen, și anume emisia de câmp, poate apărea în camerele de vid. Acest proces este calculat folosind ecuația Fowler-Nordheim, care este prezentată într-o formă simplificată de mai jos:
je este densitatea fasciculului de electroni, Am-2; A = 1,54 * 10-6 A * J * B-2 E - intensitatea câmpului electric, Vm-1; φ este funcția de lucru, eV (4,5 eV pentru cupru).
După cum se poate concluziona din valorile numerice de mai sus, emisia câmpului devine vizibilă numai la intensitățile câmpului de pe suprafața metalică în intervalul de mai multe 109 Vm-1 până la 1010 Vm-1. Este un valori foarte mari, care depășesc în special valorile intensității câmpului electromagnetic macroscopic utilizate în calculele pentru camerele de vid (de ordinul a 107 Wm-1 = 100 kV / cm). Cu toate acestea, cu emisie în câmp se observă în mod clar în camera de vid: astfel, din aceasta se poate concluziona că la nivel local, la nivel microscopic, câmpul electric coeficient de intensificare p este amplificat în ordinea câteva 102 sau 103. Fenomenele care cauzează aceste valori ridicate ale p nu au fost încă descrise complet de cercetători care, în primul rând, au prezentat fie efectele particulelor ascuțite microscopice, fie incluziuni sau particule izolante pe suprafața metalică.
Procesul de formare a tensiunii de rupere
Prezența siturilor de emisie microscopică activă este exprimată în principal în rezistența electrică scăzută a camerelor noi (aproximativ 10 kV / cm); În schimb, în experimentele a constatat că o defalcare dielectrică multiplă distruge aceste secțiuni sau cel puțin reduce valoarea factorului intensificare, indicând sensibilitatea ridicată a acestor site-uri. Astfel, rezistența dielectrică datorată (în raport cu valoarea de referință) se realizează numai ca urmare a formării de defalcare de tensiune, care este furnizat la câteva minute de înaltă tensiune (valoare egală cu rezistența electrică calculat): numeroase defecțiuni care apar treptat cresc rezistența electrică între electrozi . Acest fenomen este prezentat în figura 4, care arată variația în timp a tensiunii de avarie în timpul trecerii deversărilor: creșterea randamentului de rezistență dielectric este atins la aproximativ 108 Wm-1, care, în plus, corespunde microscopic „orice minim“ p de ordine 100.
Fig. 4. Schimbarea în timp a tensiunii de descompunere între doi electrozi într-un vid în timpul trecerii descărcărilor
Mecanismul defalcării
Ca urmare a străpungere dielectrică, care este cauzată de curentul de emisie de electroni, sunt implicate mecanisme suplimentare: de fapt, emisia de electroni de echilibru curent (la valorile maxime ale mA câteva) nu se deplasează în mod obligatoriu în defalcare atunci când tensiunea aplicată nu este crescut, curentul de emisie poate chiar ea însăși să scadă sub influența procesului de formare a tensiunii de rupere. Defalcarea în sine este asociată cu formarea unei plasme localizate (gaz ionizat), suficient de densă pentru a provoca procesul de avalanșă de evacuare a gazelor. Plasma poate fi formată pe partea catodului datorită subminării emisiilor porțiilor microscopice rezultate din încălzire intensă cauzată de densitatea de curent locală foarte mare (Joule - Lenz): defalcare apare în mediul de vapori de metal generate la emisie porțiune eșec. Plasma poate fi generată pe grinda bombardată laterale anod energic electroni foarte încărcat (așa cum este exprimat, în plus, apariția radiației cu raze X). Acest flux energetic local cauzează desorbția gazului absorbit de pe suprafață și evaporarea metalului de pe suprafața anodică: atunci gazul produs este ionizat de un fascicul de electroni și apare defecțiunea.
Influența particulelor care trebuie separate
Al doilea factor poate provoca defectarea dielectricului în vid: se vorbește despre particulele detașabile prezente pe suprafața pereților vidului
comutator. Eliberați sub impactul impactului sau al forțelor electrostatice, aceste particule încărcate capătă energie atunci când traversează distanța dintre electrozii. În momentul coliziunii cu electrodul care le atrage, aceste particule pot provoca defecțiuni din cauza a două fenomene, eventual, de însoțire:
- creșterea locală a densității gazelor ca rezultat al desorbției moleculelor de gaz absorbite;
- procesul de răsărire și electroni particule de emisie sau evaporarea parțială a electrodului sub influența grinzii pe care le bombardează. Confirmarea stării practice semnificație a particulei este obținută experimental o concluzie că rezistența dielectrică în vid între doi electrozi este crescută de aproximativ proporțională cu rădăcina pătrată a distanței dintre electrozi. Această relație poate fi explicată prin presupunând că particula trebuie să primească taxa de energie (B2 proporțională / f suficientă pentru a provoca defecțiuni. Din acest motiv, particulele mari, care pot transporta o sarcină electrică mai puternic poate crea mai multe probleme decât particulele mai mici.
Având în vedere problema influenței nefavorabile a particulelor separabile asupra rezistenței electrice a întrerupătoarelor de vid, ar trebui luați în considerare doi factori:
- este dificil să se obțină valori foarte ridicate ale rezistenței electrice, chiar și la o distanță considerabilă între electrozii (a se vedea figura 5);
- rezistența electrică a întreruptorului de vid este de natură incertă: defectarea poate avea loc cu întârziere în raport cu alimentarea cu tensiune și la o tensiune mai mică decât tensiunea care a fost menținută în siguranță înainte.
- Vacuumul posedă proprietățile dielectrice necesare, cu condiția ca tensiunea de alimentare să fie limitată în intervalul de aproximativ 100 până la 200 kV, ceea ce corespunde nivelului necesar de izolație specificat
Puterea electrică admisă
Fig. 5. Puterea electrică permisă la o distanță foarte mare între electrozii
valorile tensiunii, 36 kV, la care distanța dintre electrozi poate fi de câțiva centimetri. La valori de înaltă tensiune, sarcina de a furniza rezistența electrică necesară prin metoda de mai sus devine consumatoare de timp și mai puțin eficientă decât rezolvarea acestei probleme prin utilizarea izolării cu gaz SF6.
Rezistența electrică a oricărui dispozitiv de oprire în vid variază în funcție de timp. De fapt, ca urmare a acțiunilor mecanice și a acțiunii arcului electric, starea suprafeței de contact se schimbă și particulele sunt generate. Astfel, nivelul de rezistență electrică furnizat atunci când tensiunea este aplicată la tensiunea necesară nu poate fi considerată în cele din urmă realizată. În consecință, vidul nu este un mediu ideal de izolare, atunci când fiabilitatea menținerii nivelului de rezistență electrică este o prioritate, de exemplu, în cazul unui deconector.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: