автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Физические и технологические факторы, определяющие коммутационный ресурс и эффективность производства вакуумных дугогасительных камер

На правах рукописи

МУЛЛИН ВИКТОР ВАЛЕНТИНОВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОММУТАЦИОННЫЙ РЕСУРС И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР

Специальность 05 27 02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ1595ЭЗ

Саратов - 2007

003159593

Работа выполнена на ФГУП «НПП «Контакт» (г Саратов)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Фурсаев Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кошелев Василий Сергеевич доктор технических наук Мшпотин Дмитрий Давыдович

Ведущая организация: ГУЛ «ВЭИ» (г. Москва)

Защита состоится 25 октября 2007 г в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212 242 01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу 410054, г. Саратов, ул Политехническая, 77, корп 1, ауд 319

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан Z0 сентября 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

В современной технике коммутации электрических цепей переменного тока высокого напряжения (до 35 кВ) нашли широкое применение вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) Они являются исполнительными элементами коммутационной аппаратуры различного назначения, используемой в различных областях промышленности металлургической, горнорудной, нефтегазовой, транспорте и тд Коммутационная аппаратура на базе ВДК имеет существенные преимущества перед однотипной аппаратурой, использующей другие среды (воздух, масло, элегаз). Это дает возможность прогнозировать дальнейшее развитие и расширение применения ВДК

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. Однако расширение областей применения ВДК и постоянно возрастающие требования к их эксплуатационным характеристикам обусловливают необходимость проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, направленных, в первую очередь, на увеличение коммутационного ресурса, снижение массогабаритных параметров, продвижение к большим величинам напряжения и тока Успешное решение проблемы дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей ВДК, в основном, сводится к задаче снижения интенсивности эрозионных процессов поверхности контактов под действием дуги Одной из важнейших задач является также дальнейшее повышение эффективности производства ВДК 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, по существу являющихся изделиями электровакуумной техники, совершенствование конструкции и технологии этих изделий, а также повышение эффективности их серийного производства Очевидно, успешное решение этих задач предполагает знание факторов, от которых зависят коммутационный ресурс и эффективность производства ВДК

Целью диссертационной работы является исследование физических и конструкторско-технологических факторов, определяющих коммутационный ресурс и эффективность промышленного производства ВДК

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1 Выявление аналогий между физическими процессами, происходящими в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.

2. Проведение сравнения конструктивных и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности

3 Получение аналитических соотношений и исследование на их основе влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка поверхности контакта ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной вакуумной дуги.

4 Анализ состояния поверхности сферических контактов ВДК после долговременной работы в режимах коммутации тока номинальной величины и тока короткого замыкания.

5 Уточнение сценария развития эрозионных процессов контактов, приводящих к потере ВДК отключающих свойств

6 Изучение возможности перехода на технологию бесштенгельной откачки ВДК при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования

7 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-

1 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

2. 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

3 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

4. Уточнен 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 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

5 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 штен-

геля на откачное- отверстие, которое герметизируется при откачке по специальной технологии

6. 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:

1 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.)

2 Аналитическая оценка влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка контактов ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной дуги

3 Экспериментальное подтверждение возможности увеличения коммутационного ресурса ВДК при одновременном уменьшении ее поперечных габаритов за счет использования контактов сферической формы

4 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 теплоотвода от поверхности контакта

5. 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 (керамических изоляторов, узлов контактов и др )

Практическая значимость выполненных исследований:

- сравнение физических принципов работы ВДК и электровакуумных приборов высокого уровня мощности, их конструкции и технологии, позволяют 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, обеспечивающих их повторное использование

Результаты работы внедрены на ФГУП «НПП «Контакт» (г Саратов) и ООО «Вакуумные технологии» (г Рязань) Апробация работы.

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 ФГУП «НПП «Контакт» и семинаре кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ

Личный вклад автора. Разработка общей концепции диссертации и постановка задач исследований Участие в проведении экспериментальной части работы и анализ их результатов, а также других результатов выполненных исследований

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы Работа изложена на 122 страницах, содержит 36 рисунков Список используемой литературы содержит 87 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований, определены новые научные результаты, полученные при выполнении этих исследований, а также их практическая значимость Представлены сведения об апробации работы.

Первая глава посвящена рассмотрению физических принципов работы ВДК, обеспечивающих ее коммутационные свойства, а также конструктор-ско-технологических решений, используемых в этом изделии, которые сравниваются с аналогичными решениями, используемыми в электровакуумных приборах высокого уровня мощности, в частности, СВЧ-диапазона Проводится краткий обзор литературы, в которой рассматриваются свойства вакуумной дуги, определяющие основные физические процессы в ВДК, в том числе горящей между катодом и анодом в стационарных условиях, а также особенности ее существования в ВДК

Как известно, вакуумная дуга представляет собой плазменный разряд, в котором одновременно существуют как электроны, так и ионы, которые образуются в результате ионизации атомов и паров материала электродов Эта

дуга в стационарных условиях может существовать в двух формах, диффузной и сжатой. В диффузной форме дуга, при которой границы области плазмы размыты, а в самой плазме плотности ионов и электронов практически одинаковы, существует при малых токах, где вольт-амперная характеристика имеет малый наклон к оси токов При больших токах в части межэлектродного промежутка, примыкающего к аноду, дуга приобретает сжатую форму, при которой появляются сгустки плазмы с резкими границами, что приводит к оплавлению отдельных участков анода (появлению «анодных пятен»). Ионизация паров материала анода с этих пятен обусловливает прианодное падение напряжения, что объясняет резкое увеличение напряжения с увеличением тока

Условия горения дуги в ВДК отличаются от стационарных В связи с коммутацией цепей переменного тока контакты меняют функции катода и анода В течение одного полупериода величина тока дуги может изменяться в больших пределах вместе с изменением расстояния между контактами Однако наиболее существенное отличие имеет место при возникновении дуги в моменты размыкания и замыкания контактов При их размыкании ток сосредотачивается в последних местах соприкосновения контактов, что приводит к образованию «мостиков», сильный разогрев которых приводит к расплавлению и испарению металла В результате образуется плазма короткой дуги, имеющей по существу сжатую форму Аналогичную форму имеет дуга при замыкании контактов Она возникает в местах с высокими выступами на поверхности обоих контактов

В диссертации работа ВДК рассматривается в качестве ключа электрической цепи с позиций, обычно используемых в силовой электронике Параметры электрических режимов ВДК описываются уравнениями, которые имеют вид

- для случая разведения и разведенных контактов при протекании номинального тока нагрузки

и = е - гЯвн = Щуг(г) + (1)

- для случая замкнутых контактов при протекании номинального тока нагрузки

и = е - ШБН = ЦЯконт + Яц), (2)

- для случая разведения и разведенных контактов при протекании тока короткого замыкания

и = е-1Явн=идуг(1), (3)

где и - мгновенное напряжение в сечении включения ВДК, е — мгновенное значение ЭДС источника переменного напряжения, Щуг(\) — мгновенное значение напряжения дуги, определяемое ее вольт-амперной характеристикой, ход которой является функцией расстояния между контактами; Яконт — сопротивление ВДК при замкнутых контактах

Графическое решение этих уравнений для фиксированного момента времени с учетом того, что сопротивление ВДК при замкнутых контактах много меньше сопротивления нагрузки, приведено на рис.1 Прямая 1 соответствует левой части этих уравнений. Прямая 2 представляет вольт-амперную характеристику нагрузки, т.е соответствует второму слагаемому правой части уравнения (1). Кривой 3 представлена вольт-амперная характеристика дуги. Правая часть уравнения (1) представлена кривой 4 - суммарная вольт-амперная характеристика дуги и нагрузки. Точки пересечения зависимостей на рис 1 определяют значения токов в различных режимах ВДК Через ¡¿¡уг иом обозначена величина номинального тока дуги, горящей при разомкнутых контактах ВДК, через г замк - величина номинального тока, протекающего через ВДК при замкнутых контактах, через цуг кз ~ величина тока дуги ВДК с разомкнутыми контактами при коротком замыкании в нагрузке

Рис 1 Графические решения уравнений (1) — (3) при сжатой (а) и диффузной (б) формах состояния дуги при отключении тока короткого замыкания

Рассмотрены два состояния вакуумной дуги в ВДК при отключении тока короткого замыкания Рис 1,а соответствует сжатой форме состояния дуги, при которой имеет место оплавление отдельных участков контактов Рис 1,6 соответствует диффузной форме дуги, при которой неоднородность термиче-

ской нагрузки контактов невелика Видно, что при коммутации номинального тока значения тока дуги и тока ВДК при замкнутых контактах практически одинаковы, а величина тока короткого замыкания при диффузной форме дуги превышает ток короткого замыкания при сжатой форме Однако в последнем случае значительно больше величина падения напряжения в дуге. Это следует из сравнения значений идугна рис 1,а и 1,6

Как показывает проведенное в работе сравнение, многие элементы конструкции ВДК и СВЧ-электронных приборов высокого уровня мощности одинаковы или аналогичны Ко многим материалам деталей этих изделий предъявляется практически одинаковый комплекс требований Они должны обладать высокой теплопроводностью, позволяющей эффективно передавать выделяемую тепловую энергию к охлаждаемым частям изделия, высокой электропроводностью, что обеспечивает снижение потерь мощности в деталях, пониженным газовыделением и низким давлением насыщенных паров при высоких температурах, при которых поддерживается необходимое состояние вакуума в камере Поэтому большинство из используемых в ВДК материалов такие же, что и в мощных СВЧ-приборах Однако имеются материалы, которые не используются в конструкциях электровакуумных приборов Это - материалы контактов ВДК, например, композиция из сплава хром-медь

Конструктивное решение обеспечения вакуумирования в узле подвижного контакта ВДК практически не отличается от аналогичного решения в магнетронах с механической перестройкой частоты Конструктивное выполнение корпуса ВДК, в котором в качестве изолирующего материала используется керамика, практически не отличается от конструкции изоляторов катодных ножек клистронов и магнетронов

Основными этапами технологического процесса изготовления ВДК, как и мощных СВЧ-приборов, являются подготовка деталей к сборке и пайке, сборка и пайка деталей в узлы и последующая заварка изделия, его откачка, герметизация и тренировка Таким образом, несмотря на определенную специфику, технология производства ВДК в целом аналогична свойственной производству СВЧ-электровакуумных приборов высокого уровня мощности, что дает основание считать ВДК изделием электровакуумной техники

Аналогия ряда физических процессов, имеющих место в ВДК и СВЧ-мощных электронных приборах, проводится во второй и третьей главах диссертации.

Во второй главе рассматривается влияние магнитного поля на условия формирования термической нагрузки рабочих поверхностей контактов ВДК, подверженных электронной бомбардировке при их размыкании В отличие от СВЧ-электронных приборов, где магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов или электромагнитов и существует вне зависимости от протекания тока, в ВДК оно создается за счет протекания тока по специальным конструктивным элементам, индукторам, и существует лишь в то время, когда между контактами горит дуга В зависимости от распределения маг-

нитного поля в пространстве между контактами различают два типа ВДК. с аксиальным и поперечным магнитным полем.

В работе проводится аналогия действия аксиального магнитного поля в ВДК и СВЧ-электронных приборах О-типа, проявляющего фокусирующие свойства В ВДК это поле оказывает фокусирующее действие на ионы дуги оно препятствует их вылету из столба дуги. В результате обеспечивается компенсация ионами объемного заряда электронов не только при малых, но и значительных величинах токов дуги, что способствует продлению ее состояния дуги в диффузной форме и при больших токах При этом снижается температура контактов и увеличивается ресурс ВДК при коммутации тока короткого замыкания, несмотря на его увеличение (см рис 1)

Основное внимание уделено анализу влияния поперечного магнитного поля при диффузной форме дуги, при котором проводится аналогия с действием такого поля в электронных приборах магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия Анализ проводится на базе развиваемой аналитической модели, позволяющей свести задачу определения траектории электрона в пространстве между контактами ВДК к аналогичной задаче для плоского магнетрона со сплошным анодом в статическом режиме Основанием подхода является то, что диффузная форма дуги считается квазинейтральной Это позволяет предположить, что в зазоре между контактами, за исключением прикатодной области, движение электронов происходит в однородном электрическом поле Проведенные расчеты показали возможность пренебрежения неоднородностью поперечного магнитного поля Кроме того, время пролета электрона в пространстве между контактами ВДК несравненно меньше периода коммутируемого тока.

Коммутационные свойства ВДК обеспечиваются электрическим режимом работы, который является «докритическим» в отличие от режимов работы приборов магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия. Поперечное смещение электрона при его пролете расстояния между контактами определяется соотношением.

где ё - практически равно расстоянию между контактами (если пренебречь шириной прикатодного слоя), В - индукция магнитного поля, Е - напряженность электрического поля, т и е - масса и заряд электрона, \Хо и VУо - поперечная и продольная компоненты скорости электрона, поступающего из

(4)

тЕ

прикатодного слоя, (йц = - циклотронная частота, I - время пролета элек-

т

трона между контактами ВДК, определяемое из соотношения

= еВ

Построенная модель позволила исследовать факторы, влияющие на перемещение места попадания электронов на контакт ВДК, являющейся анодом, по его поверхности при диффузной форме дуги под действием поперечного магнитного поля Так, из соотношений (4) и (5) видно, что основным фактором, определяющим перемещение места попадания электрона на контакт, является изменение тока дуги в течение полупериода питающего напряжения, поскольку в соответствии с законом Био и Саварра величина магнитной индукции в зазоре между контактами пропорциональна току, протекающему по индукторам Величина же напряженности электрического поля при изменении питающего напряжения изменяется незначительно при диффузной форме вакуумной дуги Под действием изменяющегося магнитного поля в течение полупериода напряжения место попадания электрона на контакт перемещается в прямом и обратном направлениях, как показано на рис 2 Амплитуда этого перемещения увеличивается с увеличением тока дуги

На характере изменения места попадания электронов на контакт не отражается разброс значений скоростей, с которым электроны покидают при-катодный слой, что следует из рис 2, а также факт разведения контактов при горении дуги. При этом учитывается, что при увеличении зазора между контактами одновременно уменьшается магнитная индукция, поскольку уменьшается расстояние между индукторами Кроме того, амплитуда перемещения места попадания электрона на контакт зависит от фазы тока, при которой начинается разведение контактов

Рис 2 Расчетные зависимости, показывающие характер перемещения места попадания электрона на анод в течение полупериода переменного напряжения для трех значений начальной скорости параллельной плоскости электродов

Перемещение места попадания электронов по поверхности контакта ВДК при горении диффузной дуги, т е места, бомбардируемого электронами,

приводит к снижению удельной термической нагрузки контактов, а тем самым способствует снижению температуры контактов при размыкании электрической цепи при номинальной величине тока.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию факторов, определяющих коммутационный ресурс ВДК. Исследования проводились в связи с необходимостью оценки эффективности использования сферической формы поверхности контактов. Такая форма контактов была предложена разработчиками ВЭИ (г. Москва) с целью уменьшения поперечных размеров камеры и реализована в ВДК типа КДВ А5-10-20/1600*'. При этом испытыва-лись две партии образцов ВДК этого типа: одна при коммутации тока короткого замыкания, другая — при коммутации номинального тока. Проведено 150 коммутационных циклов при токе короткого замыкания и 42000 циклов при номинальном токе. После испытаний все образцы ВДК сохранили свою работоспособность. Таким образом, экспериментально подтверждено, что использование сферических контактов позволяет увеличить коммутационный ресурс ВДК.

Рис.3. Фотографии шлифа контакта ВДК, прошедшей ресурсные испытания, с наличием дефектов во вторичной структуре

Исследование состояния рабочих поверхностей контактов образцов ВДК, прошедших ресурсные испытания, показало, что характер оплавления этих поверхностей, а также структура вторичного слоя, являющегося результатом их оплавления, практически не зависят от величины коммутируемого тока: номинального или короткого замыкания. В обоих случаях имеются вы-

' Аналог ВДК тнгта КДВ Х4 10-20/1600 с плоскими контактами, диаметр которых почти в 1,5 раза превышает диаметры контактов ВДК типа КДВ А5-10-20/1600. Согласно технической Документации,аналогом гарантируется 50 коммутационных циклов при токе короткого замыкания и 30000 циклов номинального тока.

плески материала контактов на их боковую поверхность, что обусловлено вытеснением расплава из области соприкосновения контактов Но самым важным показателем, характерным для всех испытанных образцов ВДК, является наличие во вторичной структуре продольных трещин, пор и раковин Эти дефекты, которые видны на рис 3, представляются существенными составляющими эрозии поверхностного слоя контактов

Анализ состояния поверхностного слоя контактов ВДК, прошедших ресурсные испытания, позволяют заключить, что важной причиной ограничения коммутационного ресурса является развитие механических дефектов в этом слое Именно из-за наличия таких дефектов нарушается теплоотвод с поверхности контактов, в результате чего их температура достигает величины, при которой дуга продолжает гореть и после прохождения током нулевого значения Очевидно, скорость развития механических дефектов зависит от величины коммутируемого тока При коммутации номинального тока, когда горит дуга, имеющая диффузную форму, удельные термические нагрузки невелики. Поэтому эрозия, в основном, происходит лишь в моменты непосредственного замыкания и размыкания контактов, когда горит короткая дуга При коммутации токов короткого замыкания эрозия происходит не только при размыкании контактов, но и при горении дуги, имеющей сжатую форму Потеря отключающей способности ВДК происходит и при коммутации номинального тока. Только степень разрушения поверхностного слоя контактов в этом случае должна быть существенно больше, чем в случае токов короткого замыкания. А поскольку при токах короткого замыкания достигается более высокая температура контактов, то и коммутационный ресурс при этих токах несравненно меньше ресурса при номинальных токах

Постепенное развитие эрозионных процессов поверхностного слоя контактов под действием импульсной термической нагрузки, приводящих к выходу ВДК из строя, аналогично процессам, происходящим в электродах импульсных электровакуумных приборов высокого уровня мощности и ограничивающим их долговечность

Как показали исследования, толщина и структура вторичного слоя сферических контактов образцов ВДК, прошедших ресурсные испытания, неоднородны по площади их поверхности. Такая неоднородность может привести к сокращению ресурса, а тем самым поставить под сомнение эффективность перехода на сферические контакты С целью снижения неоднородности оплавления сферических контактов должны быть повышены требования к качеству выполнения сферической поверхности контактов и их соосности

В четвертой главе, посвященной повышению эффективности серийного производства ВДК, рассматриваются вопросы внедрения технологии беспггенгельной откачки и процесса регенерации деталей и узлов этих изделий

Одним из направлений повышения эффективности производства ВДК является переход на однозаходную технологию, при которой совмещаются операции пайки всех деталей изделия, его откачки и герметизации По такой технологии осуществлялось изготовление митронов, электронных генерато-

ров СВЧ-диапазона. Однако переход на однозаходную технологию связан с коренным переоснащением технологического оборудования и с существенными конструктивными изменениями самого изделия, что требует не только больших материальных затрат, но и немалого времени. На время такого перехода предлагается внедрить беспггенгельную откачку, при которой изменение конструкции минимально и можно использовать уже имеющееся оборудование (вакуумные печи).

В работе проведен цикл конструкторских и экспериментальных исследований по переводу ВДК типа КДВ А5-10-20/1600 на технологию бесштен-гельной откачки Откачка в модифицированной конструкции вместо штенге-ля осуществлялась через отверстие, выполненное в узле неподвижного контакта, как видно из рис 4 Герметизация ВДК производилась при пайке заглушки с использованием гофрированного кольца припоя ПСрМИН, температура плавления которого на 100°С ниже температуры плавления припоя ПСр72, применяемого при пайке остальных деталей изделия При таком способе герметизации отпадает необходимость применения сложной оснастки Ее заменяет груз, располагаемый на заглушке (см рис 4).

В модернизированной под беспггенгельную откачку конструкции величина проводимости эвакуационного канала составляла 2,5 л/с Это более, чем в четыре раза превышает проводимость штенгеля, что позволило сократить время термической обработки изделия при откачке в два раза, а, следовательно, уменьшить время общего цикла откачки. Кроме того, устранение штенгеля в конструкции позволило проводить одновременную откачку 15 изделий вместо 6-9 при наличии штенгеля. В результате получено сокращение времени откачки, приведенного к одному изделию, с 3,3 до 1,3 часа

Рис 4 Конструкция узла неподвижного контакта ВДК,

модернизированная под бесштенгельную откачку (1 — заглушка, 2 — шток узла неподвижного контакта, 3 — кольцо припоя, 4 — груз)

Как отмечается в работе, в отличие от электронных приборов СВЧ высокого уровня мощности, регенерации, т е повторному использованию, под-

вергаются детали и узлы ВДК, вышедших в брак при изготовлении Поскольку в процессе изготовления ВДК ее детали и узлы практически не подвергаются нагрузкам, которые свойственны эксплуатации, имеется большая вероятность их повторного использования Данное обстоятельство упрощает решение задачи регенерации деталей и узлов ВДК по сравнению с решением аналогичной задачи в случае электронных приборов

При внедрении в производство ВДК процесса регенерации был выполнен ряд технических мероприятий, в том числе- проведены анализ и систематизация видов брака при изготовлении изделия;

- определен перечень деталей и узлов, подлежащих восстановлению для каждого вида брака,

- разработан цикл технологических процессов, обеспечивающих восстановление деталей и узлов, подлежащих повторному использованию

Стратегия регенерации ВДК определяется конкретным видом брака в процессе производства, что отражено в конструкторской и технологической документации

В работе обобщен опыт регенерации ВДК с конструкцией, в котором узлы соединены с помощью аргонодуговой сварки, а в качестве изоляторов используется керамика Осесимметричная конструкция ВДК без выступов и свободный доступ к аргонодуговым швам позволяют на токарном станке отделить три основных узла узлы подвижного и неподвижного контактов и корпуса В документации оговаривается минимальный диаметр деталей, до которого допустим срез аргонодугового шва и который обеспечивает повторное использование регенерируемого узла Из узлов подвижного и неподвижного контактов, не подлежащих дальнейшему использованию, на токарном станке извлекаются узлы, в которых детали спаяны и к паяным швам не предъявляются требования герметичности Этими узлами, в основном, являются штоки, спаянные с контактами Экономическая целесообразность повторного использования данных узлов заключается в том, что контакты выполнены из сплава медь-хром, технология получения которого весьма сложна, а его изготовление сопряжено с большими затратами Если узлы корпуса ВДК не подлежат к повторному использованию, из него извлекают керамические изоляторы, которые после проведения необходимых технологических операций могут быть использованы неоднократно Регенерация этих керамических деталей дает не только экономический эффект, но и обеспечивает непрерывный выпуск ВДК при неритмичности их поставки предприятием-изготовителем

В заключении формулируются основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем'

1 Проведено сравнение конструкторских и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности, а также ряда физических процессов, определяющих условия работы этих изделий Их совпадение или аналогия, а также сходный цикл технологических процессов изготовления (сборка, откачка, герметизация, тренировка) позволили всесторонне обосновать подход к ВДК как к изделию электровакуумной техники

Одновременно отмечено существенное отличие принципов работы ВДК и вакуумных электронных приборов Если основным физическим фактором, определяющим работу ВДК, является вакуумная дуга, то возникновение дуги в электронных приборах приводит к выходу их из строя

2 Проведен анализ ключевого режима работы ВДК, обеспечивающего коммутацию электрических цепей Выявлены особенности функционирования ВДК в режиме холостого хода, при коммутации номинального тока и тока короткого замьпсания Показано различие в условиях коммутации тока короткого замыкания при диффузной и сжатой формах вакуумной дуги в ВДК. Величина этого тока при диффузной форме дуги оказывается больше, чем в случае сжатой Однако при сжатой форме значительно больше величина падения напряжения дуги за счет появления прианодного падения напряжения, а также существенно увеличивается неоднородность термической нагрузки контактов.

3 Прослежена аналогия между действием аксиального магнитного поля в ВДК и СВЧ-электронных приборов О-типа Это поле в обоих случаях оказывает фокусирующее действие В ВДК аксиальное магнитное поле препятствует вылету ионов из столба дуги, что способствует увеличению тока, при котором дуга переходит в сжатую форму, когда существенно увеличивается неоднородность термической нагрузки контактов и увеличивается интенсивность процесса эрозии их поверхности

4 Построена аналитическая модель движения электронов слаботочной вакуумной дуги между контактами ВДК с поперечным магнитным полем Режим, при котором электроны бомбардируют контакт, являющийся анодом, определяется по "аналогии с магнетроном как «докритический» В этом состоит принципиальное отличие ВДК с поперечным магнитным полем от приборов магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия, для которых свойственен так называемый «закритический» режим, когда электроны достигают анода лишь при наличии ВЧ-поля.

Построенная модель позволяет проанализировать зависимость перемещения области контакта, бомбардируемого электронами, от напряженности магнитного поля при изменении тока дуги, разброса скоростей влета электронов из прикатодного слоя, расстояния между контактами и определить характер этого перемещения в течение горения дуги

5 Проведены раздельные ресурсные испытания ВДК со сферическими контактами при коммутации номинальных токов и при коммутации токов короткого замыкания, подтвердившие возможность существенного увеличения ресурса в ВДК такой конструкции Кроме того, испытания показали, что

проведение тренировки ВДК при токах короткого замыкания увеличивает их ресурс при коммутаций этих токов

6 Исследованы состояния поверхности контактов ВДК после ресурсных испытаний, которые позволили установить следующее

- характер оплавления рабочих поверхностей ВДК и структуры вторичного слоя при коммутации номинальных токов и токов короткого замыкания практически одинаковы. Отличие проявляется лишь степенью интенсивности развития эрозионных процессов, которые увеличиваются с увеличением коммутационного тока,

- потеря отключающих свойств ВДК, т е ограничение коммутационного ресурса, происходит по мере развития эрозионных процессов поверхностного слоя контактов и, в первую очередь, механических дефектов (трещин, раковин, пор), вне зависимости от того, при каком токе осуществляется коммутация электрической цепи номинальном или короткого замыкания,

- эрозия поверхностного слоя контактов ВДК при коммутации номинальных токов в основном происходит при короткой дуге, которая горит в моменты замыкания и размыкания контактов,

- при использовании сферических контактов должны быть повышены требования к соосности контактов, а также к выполнению радиуса их сферической поверхности

7 Определена идентичность развития эрозионных процессов поверхностей контактов ВДК и электродов импульсных электронных приборов высокого уровня мощности В обоих типах изделий механические дефекты развиваются постепенно, когда под действием импульсного характера термической нагрузки происходит разрушение структуры поверхностного слоя контакта (или электрода, подверженного электронной бомбардировке) По мере развития таких эрозионных процессов ухудшается теплоотвод с поверхности контакта или электрода, что приводит к выходу изделия из строя.

8 Обоснован поэтапный переход на однозаходную технологию изготовления ВДК, при которой совмещаются операции пайки всех деталей изделия, откачки и герметизации Первым этапом такого перехода является внедрение бесштенгельной откачки, позволяющее совместить операции откачки и герметизации при минимальном изменении конструкции ВДК и использовании существующего технологического оборудования Внедрение такой технологии дает экономический эффект

9 Проведена корректировка конструкции и технологии, обеспечивающая перевод типовой ВДК ДВКА5-10-20/1600 на технологию бесштенгельной откачки Замена штенгеля на откачное отверстие, которое при откачке герметизируется заглушкой при расплавлении гофрированного кольца припоя, увеличивает проводимость эвакуационного канала изделия и сокращает время термической обработки, а, кроме того, увеличивает число одновременно размещаемых изделий в камере откачного оборудования. В результате сокращается в 2,5 раза время откачки, приведенное к одному изделию

10 Рассмотрены особенности регенерации ВДК в условиях крупносерийного производства, позволяющей повторно использовать детали и узлы

изделий, вышедших в брак при их изготовлении, что дает экономический эффект

Обоснованы технические мероприятия по внедрению процесса регенерации ВДК в серийное производство, а также методики по их реализации Разработаны специальные технологические операции, обеспечивающие подготовку деталей и узлов для повторного использования Эти операции внедрены в производственный цикл серийного выпуска ВДК

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1 Муллин В.В Анализ влияния поперечного магнитного поля в вакуумных дугогасительных камерах / В В Муллин, М А Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 4 Вып 3 С 137-144.

2 Муллин В.В Опыт по переводу вакуумных дугогасительных камер на бесштенгельную откачку / В И Воронин, В В Муллин // Вестник Саратовского государственного технического университета 2007 № 1 Вып 3 С 101-104

3 Муллин В В Результаты ресурсных испытаний вакуумных дугогасительных камер со сферическими контактами / ВВ.Муллин, А.А.Смирнов, И.И Сиберт // Электротехника. 2007 №7 С 30-33

Публикации в научных сборниках и других изданиях

4 Муллин В В Проблемы улучшения эксплуатационных показателей вакуумных дугогасительных камер / В В.Муллин // Проблемы электроэнергетики межвуз. науч сб Саратов СГТУ, 2006 С 58-62.

5 Муллин В В Вакуумная дугогасительная камера как изделие электровакуумной техники / В В Муллин, И И Сиберт, М А Фурсаев // Электронная промышленность 2006 № 2 С 72-75

6 Муллин В В Технология производства мощных СВЧ приборов и вакуумных дугогасительных камер / В В Муллин // Электронная техника Сер 1 СВЧ техника -2006 Вып 2 С 69-72

7 Муллин В В Электровакуумная технология - основа производства вакуумных дугогасительных камер / В В Муллин // Актуальные проблемы электронного приборостроения материалы Междунар науч -техн конф Саратов-СГТУ, 2006 С. 417-420

8 Муллин В.В. Вакуумная дугогасительная камера как элемент ключевой схемы / В В Муллин // Электронная и вакуумная техника Приборы и устройства Технология Материалы материалы науч -техн конф. Вып 2 Саратов Изд-во Сарат ун-та, 2007 С 118-120

9 Муллин В В Особенности регенерации вакуумных дугогасительных камер / В В Муллин, И И Сиберт, М А Фурсаев // Радиотехника и связь материалы науч.-техн конф Саратов СГТУ, 2007 С 311-316

10 Муллин В.В Анализ работы вакуумной дугогасительной камеры как коммутационного устройства высоковольтной цепи / В.В Муллин, М А Фурсаев // Вопросы электроэнергетики сб науч трудов. Саратов СГТУ, 2007 С 70-74

Муллин Виктор Валентинович ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОММУТАЦИОННЫЙ РЕСУРС И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР

Автореферат Ответственный за выпуск ктн, доцент А А Анашкин Корректор О А Панина

Подписано в печать 05 0? Формат 60x84 1/16

Бум офсет Уел печл 1,0 Уч-издл 4,0

Тираж 100 экз Заказ 298 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул, 77 Отпечатано в РИД СГТУ 410054, Саратов, Политехническая ул, 77

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Вакуумные дугогасительные камеры - изделия электровакуумной техники.

1.1. Вакуумная дугогасительная камера как элемент коммутационной аппаратуры.

1.2. Вакуумная дуга как физический процесс, определяющий работу ВДК.

1.3. Особенности работы ВДК в качестве ключа электрической цепи.

1.4. Конструкция и технология производства ВДК и СВЧ-электронных приборов высокого уровня мощности.

1.5. Выводы.

ГЛАВА ВТОРАЯ. Исследование влияния магнитного поля на работу ВДК.

2.1. Использование магнитного поля в ВДК.

2.2. Исходные положения анализа влияния поперечного магнитного поля при диффузной форме дуги.

2.3. Исследование факторов, влияющих на перемещение места попадания электрона по поверхности контактов ВДК при диффузной форме дуги.

2.4. Выводы.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Исследование факторов, определяющих

Коммутационный ресурс ВДК.

3.1. Ресурсные испытания ВДК при коммутации токов короткого замыкания.

3.2. Состояние рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытаний при коммутации токов короткого замыкания.

3.3. Состояние рабочих поверхностей контактов ВДК после ресурсных испытаний при коммутации номинального тока.

3.4. Развитие процессов в ВДК, приводящих к ограничению коммутационного ресурса.

3.5. Эрозия контактов ВДК и электродов импульсных электронных приборов.

3.6. Выводы.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Повышение эффективности производства ВДК.

4.1. Технические вопросы внедрения бесштенгелыюй откачки в производство ВДК.

4.2. Оценка возможности использования диффузионной сварки при бесштенгелыюй откачке ВДК.

4.3. Опыт герметизации ВДК за счет пайки при бесштенгельной откачке.

4.4. Особенности процесса регенерации ВДК.

4.5. Регенерация узлов и деталей ВДК в процессе производства.

4.6. Выводы.

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 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 интенсивности 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 [1215].

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, разработкой 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:

1. Выявление аналогий между физическими процессами, происходящими в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.

2. Проведение сравнения конструктивных и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электровакуумных приборах высокого уровня мощности.

3. Получение аналитических соотношений и исследование на их основе влияния поперечного магнитного поля на перемещение участка поверхности контакта ВДК, бомбардируемого электронами слаботочной вакуумной дуги.

4. Анализ состояния поверхности сферических контактов ВДК после долговременной работы в режимах коммутации тока номинальной величины и тока короткого замыкания.

5. Уточнение сценария развития эрозионных процессов контактов, приводящих к потери ВДК отключающих свойств.

6. Изучейие возможности перехода на технологию бесштенгельной откачки ВДК при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования.

7. 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:

1. 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.

2. Построена аналитическая модель, описывающая движение электронов слаботочной вакуумной дуги между контактами ВДК с поперечным магнитным пойем и позволяющая исследовать факторы, определяющие перемещение участка контакта, бомбардируемого электронами, по его поверхности.

3. 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.

4. 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 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.

5. 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.

6. 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:

1. 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.).

2. 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 поперечных габаритов за счет использования контактов сферической формы.

4. 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.

5. Конструкторские и технологические решения по переводу ВДК на технологию бесштенгельной откачки при минимальном изменении конструкции и использовании существующего технологического оборудования. г

6. Разработка и внедрение в серийное производство технологических процессов, обеспечивающих регенерацию деталей и узлов ВДК (керамических 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.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведено сравнение конструкторских и технологических решений, используемых в ВДК и СВЧ-электронных приборах высокого уровня мощности, а также ряда физических процессов, определяющих условия работы этих изделий. Их совпадение или аналогия, а также сходный цикл технологических процессов изготовления (сборка, откачка, герметизация, тренировка) позволили всесторонне обосновать подход к ВДК как к изделию электровакуумной техники.

Одновременно отмечено существенное отличие принципов работы ВДК и вакуумных электронных приборов. Если основным физическим фактором, определяющим работу ВДК, является вакуумная дуга, то возникновение дуги в электронных приборах приводит к выходу их из строя.

2. Проведен анализ ключевого режима работы ВДК, обеспечивающего коммутацию электрических цепей, на. основе подхода, свойственного силовой электронике. Выявлены особенности функционирования ВДК в режиме холостого хода, при коммутации номинального тока и тока короткого замыкания. Показано различие в условиях коммутации тока короткого замыкания при диффузной и сжатой формах вакуумной дуги в ВДК. Величина этого тока при диффузной форме дуги оказывается больше, чем в случае сжатой. Однако при сжатой форме значительно больше величина падения напряжения < дуги за счет появления прикатодного падения напряжения.

3. Прослежена аналогия между действием аксиального магнитного поля в ВДК и СВЧ-электронных приборов О-типа. Это поле в обоих случаях оказывает фокусирующее действие. В ВДК аксиальное магнитное поле препятствует вылету ионов из столба дуги, что способствует увеличению тока, при котором дуга переходит в сжатую форму, при которой происходит более интенсивная эрозия поверхности контактов.

4. Построена аналитическая модель движения электронов слаботочной вакуумной дуги между контактами ВДК с поперечным магнитным полем. Режим, при котором электроны бомбардируют контакт, являющийся анодом, определяется по аналогии с магнетроном как «докритический». В этом состоит принципиальное отличие ВДК с поперечным магнитным полем от приборов магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия, для которых свойственен так называемый «закритический» режим, когда электроны достигают анода лишь при наличии ВЧ поля.

5. Проанализирована зависимость перемещения области контакта, бомбардируемого электронами, от напряженности магнитного поля при изменении тока дуги, разброса скоростей вылета электронов из прикатодного слоя, расстояния между контактами. Определен характер этого перемещения в течение горения дуги. Перемещение места поверхности контакта, бомбардируемого электронами, распределяет термическую нагрузку по этой поверхности, и тем самым способствует снижению удельной термической нагрузки контактов ВДК при диффузной форме дуги.

6. Проведены раздельные ресурсные испытания ВДК со сферическими контактами при коммутации номинальных токов и токов короткого замыкания, подтвердившие возможность существенного увеличения ресурса в ВДК такой конструкции. Кроме того, испытания показали, что проведение тренировки ВДК при токах короткого замыкания увеличивает их ресурс при коммутации этих токов.

7. Исследованы состояния поверхности контактов ВДК после ресурсных испытаний, которые позволили установить:

- характер оплавления рабочих поверхностей ВДК при коммутации номинальных токов и токов короткого замыкания практически одинаков, отличие проявляется дашь в интенсивности оплавления;

- при использовании сферических контактов должны быть повышены требования к соосности контактов, а также к выполнению радиуса их сферической поверхности.

8. Прослежена аналогия в развитии эрозионных процессов поверхностей контактов ВДК и электродов импульсных приборов высокого уровня мощности, выражающаяся в появлении нарушения целостности структуры поверхностного их слоя под действием электронной бомбардировки. В результате нарушается теплоотвод с поверхности электродов, подверженных электронной бомбардировке, что приводит к выходу изделия из строя. Отличается лишь механизм образования этих нарушений в структуре. В ВДК этот механизм связан с неравномерным остыванием расплавленного материала контакта по окончании горения дуги. В импульсных электронных приборах он обусловлен действием напряжения сжатия и растяжения в материале электродов при импульсном характере термической нагрузки.

9. Обоснован поэтапный переход на однозаходную технологию изготовления ВДК, при которой совмещаются операции пайки всех деталей изделия, его откачки и герметизации. Первым этапом такого перехода является внедрение бесштенгельной откачки, позволяющей совместить операции откачки и герметизации при минимальном изменении конструкции ВДК и использовании существующего технологического оборудования. Внедрение такой технологии дает экономический эффект.

10. Проведена корректировка конструкции и технологии, обеспечивающая перевод типовой ВДК ДВКА5-10-20/1600 на технологию бесштенгельной откачки. Замена штенгеля на откачное отверстие, которое при откачке герметизируется заглушкой при расплавлении гофрированного кольца припоя, увеличивает проводимость эвакуационного канала изделия и сокращает время термической обработки, а, кроме того, увеличивает число одновременно размещаемых изделий в камере откачного оборудования. В результате сокращается в 2,5 раза время откачки, приведенное к одному изделию.

11. Рассмотрены особенности регенерации ВДК в условиях крупносерийного производства, позволяющей повторно использовать детали и узлы изделий, вышедших в брак при их изготовлении, что дает экономический эффект.

Обоснованы технические мероприятия по внедрению процесса регенерации ВДК в серийное производство, а также методики по их реализации. Разработаны специальные технологические операции, обеспечивающие подготовку деталей и узлов для повторного использования. Эти операции внедрены в производственный цикл серийного выпуска ВДК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Вакуумные дуги (Теория и приложения) / под ред. Дж.Лафферти. М.: Мир, 1982.

2. Белкин Г.С. Состояние и перспективы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения / Г.С.Белкин, В.Н.Вариводов. // Вестник электроэнергетики. 2000. №1. С. 49-55.

3. Fink Н. New vacuum interrupter for contactoes and switches / H.Fink, D.Gentsch, M.Heimbach // ABB Review. 1999. № 3. P. 32-36.

4. Белкин Г.С. Коммутационные процессы в электрических аппаратах / Г.С.Белкин. М.: Знак, 2003. 224 с.

5. Школьник С.М. Вакуумная дуга / С.М.Школьник// Энциклопедия. Низкотемпературная плазма. М.: Наука, 2000. Т.2. С. 115-132.

6. Slade P.G. Andvance in Material Development for High Power Vacuum Interrupter Contacts / P.G.Slade. // IEEE Trans. Compouents Packaging and Mann-facturing Technology. Part A. Vol. 17. Mar. 1994. P. 96-106.

7. Miao B. Current Status and Developing Trends of Cu-Cr Contact Materials for VCB / B. Miao, Y.Zhang, G.Lin. // XXIh Internation Symposium on Discharges and Electrical Vacuum, Yalta, Crimea. 2004. P.311-315.

8. Белкин Г.С. Контактные соединения вакуумных дугогасительных камер / Г.С.Белкин, Ю.Г.Ромочкин, И.А.Лукацкая. Патент на изобретение № 2178927 от 27.01.2002 г.

9. Белкин Г.С. Новые разработки ВИ в области вакуумных дугогаси-тельных камер / Г.С.Белкин, А.И.Лукацкая, И.А.Перцев, Ю.Г.Рюмочкин. // Электротехника. 2001. №9. С. 17-23.

10. Fink Н. Development of Vacuum Interrupters on RMF and AMF Tech-noligies / H. Fink, D.Gentsch, M.Heimbach, G.Pilsinges, W.Shang.// XVIII Inter-nation. Simposium on Dischalges and Electrical Insulation in Vacuum. Eindhoven. Netheslands, 1998. P. 463-466.

11. Schulman M.B. Separation of Spiral Contacts and Motion of Vacuum Arcs of High. / M.B. Schulman, A.C.Currents. // IEEE Trans. Plasma Sei. 1993. Vol. 16. Yune. P. 342-347.

12. Chaly A.M. Magnetic Control of High Current Vacuum Arc With the Aid of Axial Magnetic Field a Review / A.M. Chaly // XXI Internation. Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 141-146.

13. Homma M. History of Vacuum Circuit Breaker and Recent Development i Japan / M. Homma, M.: Sakaki, E.Kaneko, S.Janabu. // XXI Internation Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 301-304.

14. Fugel T. Switching and Transient Phenomena a Series Design of Two < Vacuum Circuit Breakers / T. Fugel, D.Kolnig. // XXI Internation Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 399-402.

15. Плащенко H.H. Перспективы и проблемы развития вакуумной коммутационной техники Украины / Н.Н.Плащенко // Сб. науч. трудов НАН Украины. Киев, 2000. С. 19-23.

16. Муллин В.В. Проблемы улучшения эксплуатационных показателей вакуумных дугогасительных камер / В.В.Муллин // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ. 2006. С.58-62.

17. Кесарев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. / И.Г.Кесарев. М.: Наука. 1968.

18. Месяц Г.А. Эктоны. / Г.А.Месяц. Екатеринбург: Наука, 1994.

19. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. / В.И.Раховский. М.: Наука, 1970.

20. Agarwal M.S. Holnes R.J. // J. Phys. D. Appl. Phys. 1984. Vol. 17. P. 757-767.

21. Kharin S.N. Dynamics of Are Phenomena at Closure of Electrical Contacts in Vacuum Circunit Breakers / S.N.Kharin, H.Nonri // Proceeding XXI Inter-nation Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 301-306.

22. Забродин Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С.Забродин. М.: Высшая школа, 1982. 496 с.

23. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника / Г.Н.Горбачев, Е.Е.Чаплыгин. М.: Энергоатомиздат, 1988. 320 с.

24. Артюхов И.И. Основы выпрямительной техники / И.И.Артюхов, М.А.Фурсаев. Саратов: СГТУ, 2005. 112 с.

25. Муллин В.В. Вакуумная дугогасительная камера как элемент ключевой схемы / В.В.Муллин. // Электронная и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. Вып.2. С. 118-120.

26. Муллин В.В. Анализ работы" вакуумной дугогасительной камеры как коммутационное устройство высоковольтной цепи / В.В.Муллин, М.А.Фурсаев // Вопросы электроэнергетики: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ. 2007. С. 70-74.

27. Муллин В.В. Вакуумная дугогаснтельная камера как изделие электровакуумной техники / В.В.Муллин, И.И.Сиберт, М.А.Фурсаев // Электронная промышленность. 2006. №2. С. 72-75.

28. Муллин В.В. Технология производства мощных СВЧ приборов и вакуумных дугогасительных камер / В.В.Муллин. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. 2006. Вып.2. С. 69-72.

29. Муллин В.В. Электровакуумная технология основа производства вакуумных дугогасительных камер / В.В.Муллин. // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы науч.техн. конф. Саратов. СГТУ, 2006. С. 417-420.

30. Гладков А.С. Пайка деталей электронных приборов / А.С.Гладков, О.П.Подвагина, О.В.Чернов. М.: Энергия, 1968. 320 с.

31. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. / И.В.Лебедев // М.: Высшая школа, 1972. Т.2. 375 с.

32. Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования магнетронов (Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения) / Д.Е.Самсонов. М.: Сов.радио, 1974. 327 с.

33. Батыгин В.Н. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлом / В.Н.Батыгин, И.И.Метелкин, А.М.Решетников. М.: Энергия, 1973. 408 с.

34. Ерошев В.К. Конструирование и технология изготовления паяных металлокерамических узлов. 4.2. Расчет и конструирование металло-керамических узлов: справочные материалы / В.К.Ерошев, Ю.А.Козлов, В.Д.Павлова. М: Энергия. 1988.

35. Ерошев В.К. Металлокерамика вакуумно-плотных конструкций. М.: Энергия, 1970. 160 с.

36. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике / Н.В.Черепнин. М.: Сов.радио, 1967. 408 с.

37. Луфт Б.Д. Очистка деталей электронных приборов / Б.Д.Луфт, А.Л. Шустина. М.: Энергия, 1968. 320 с.

38. Shinmqn Y. 72,5 kV ontdoor vk type vacuum circuit-breakers. / Y.Shinmon, T.Seki, R.Nakanishi, TJojo. //Meidch Review. 66(3). 1982. P.19-23.

39. Yanalu S. Maximum interruption dility of SF6 Gas Discharges Conference. / S.Yanalu, H.Ikeda. // Swansea. 1992. P. 230-232.

40. Ballat J. Spark Conditioning Procedures for Vacuum Interrunptees in Circuit Breakers / J.Ballat, D.Konig, U.Reininghaus. // IEEE Tran. On Electr. In-sul. Vol. 28. №4, August, 1993.

41. Минакова P.B. Особенности вторичной структуры в рабочем слое Cr-Cu вакуумных контактов / Р.В.Минакова, Е.В.Хоменко, В.Д.Добровольскда и др. Электрические контакты и электроды: сб.науч.трудов НАН Украины. Киев, 1999. С. 99-101.

42. Hartmann W. AMF Vacuum Ares of Large Contact Separation / W. Hartmann, W.Has, M.Pomkeld, N.Wenzel. // XXI Internation. Symposium on Discharges and Electrical Insulation i Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 450-453.

43. Сивяков C.K. Вакуумные коммутационные аппараты нового поколения / С.К.Сивяков. // Электротехника. 2003. №12. С. 54-57.

44. Прилуцкий B.C. Вакуумные дугогасительные камеры / В.С.Прилуцкий, Л.В.Кострова. // Обзоры по электронной технике. Серия 4. Вып. 1. 2003. ЦНИИ «Электроника».

45. Skide P.G. The vacuum interrupter contact. / P.G.Skide. IEEE Trans. Components, Hybrids and Manufacturing Teah. Vol. СИМ. 1-7, №1. March. 1984. P. 25-32.

46. Gentsch D. High-Speid Observation Arc Mades on RMF and AMF- < Contacts / D.Gentsch, W. Shang. XX Internation. Symposium on Dischardes and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 257-260.

47. Mitsutaki H. Электродная автодиффузия физические и теоретические аспекты управления вакуумной дугой / Н. Mitsutaki, S.Hiromich, N.Yoshimitsu, Y.Kunio // Trans. IEEE Plasma science. 1999. Vol.27. №4.

48. Fink H., Vacuum interrupters with axial magnetic field (Technology Review) / H.Fink M.Heimbach, W. Shang. // ABB Review 1/2000. ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH. Germeny.

49. Steinke K. Current Zero Behavior of Vacuum Interrupters with Bipolar and Quadrupolar AMF Contacts. / K.Steinke, M.Lindmayer. // IEEE Trans, on plasma science. 2003. Vol.31, №5.

50. Gentsch D. High-Speed Observation of Arc Modes on RMF and AMF Contacts / D. Gentsch, W.Shang // XXI Internation. Symposium oi Dischardes and Electrical Insulotion in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 267-260.

51. Dullini E. Motion ot high current vacuum ares on spiral-tupe contact / E. Dullini. Trans. IEEE Plasma Science, 1989. Vol. 17.№ 6, P. 875-879.

52. Dullini E. Vacuum arcs diiven by cross-magnetic field (TME) / E. Dullini, E.Schade, W.Shang. //Trans. IEEE Plasma Science, 2003. Vol. 31. №5, P. 902-909.

53. Муллин В.В. Анализ влияния поперечного магнитного поля в вакуумных дугогасительных камерах / В.В.Муллин, М.А.Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 4. Вып. 3. С. 137-144.

54. Бинс К. Анализ и расчет электрических и магнитных полей / К.Бинс, П.Лауренсон. М.: Энергия, 1970.

55. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / В.Л.Грановский. М.: Наука, 1971. 543 с.

56. Муллин В.В. Результаты ресурсных испытаний вакуумных дугогасительных камер со сферическими контактами / В.В.Муллин, А.А.Смирнов, И.И.Сиберт. // Электротехника. 2007. №7. С. 30-33.

57. Taylar Е. Transition to the diffuse mode for high carrent drawn. Arcs in vacuum with axial magnetic field / E.Taular. ISBEIV, 2002. P.339.

58. Белкин Г.С. Тепловые процессы в электрических аппаратах / Г.С.Белкин. М.: Знак, 2006. 224 с.

59. Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. / В.Ф.Коваленко. Сов. радио. М. 1975.

60. Захаров М.И. Нагрев тела импульсным электронным потоком. / М.И.Захаров // Электронная техника. Сер.1. Вып.11. 1971. С. 12-22.

61. Шепеленко Г.И. Экономика, организация и планирование производства на предприятии / Г.И.Шепеленко. Ростов/Дон. Март, 2003. 592 с.

62. Falkighem L.T. The Design and Development of Shieldless Vacuum In-terruptes Concept / L.T.Falkighem // XXI Internation Symposium on Discharges and Electrical Insilation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004. P. 430-433.

63. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике / Н.В.Черепнин. М.: Сов.радио. 1967. 408 с.

64. Пипко А.И. Конструирование и расчет вакуумных систем /

65. A.И.Пипко, ВЛ.Илисковский, Е.А.Пенчко. М: Энергия, 1970. 504 с.

66. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники / С.Дэшман. М.: Мир, 1964.

67. Будников С.Ф. О скорости бесштенгельной откачки электровакуумных приборов / С.Ф.Будников, В.А.Антонов // Электронная техника. Сер. 10. Технология и организация производства. 1970. С. 46.

68. Жолобов С.П. Изучение бесштенгельной откачки металлокерамиче-ских приборов / С.П.Жолобов, В.Д.Саратовкин // Электронная техника. Сер.5. Приемно-усилительные лампы. 1966. №1. С. 65.

69. Печатников М.Н. Бесштенгельная откачка генераторных и модуляторных приборов' средней мощности / М.Н.Печатников, Г.А.Востров // Электронная техника. Сер. 16. Генераторные, модуляторные и рентгеновские приборы. 1970. № 1.С. 45.

70. Брук С.Г. О применении совмещенных режимов обезгаживания при откачке малошумящих ЛБВ / С.Г.Брук, В.Н.Епифанов, Г.А.Рудин // Электронная техника. Сер. 10. Технология и организация производства. 1971. №3. С. 52.

71. Воронин В.И. Исследование процесса камерной откачки митронов с разнесением частей / В.И.Воронин. Канд.дисс. М.: МИЭМ. 1974. 136 с.

72. Дятлов'Ю.В. Митроны / Ю.В.Дятлов, Л.Н.Козлов. М.: Сов.радио, -1967.47 с.

73. Зоркин А.Я. Герметизация вакуумных дугогасительных камер при бесштенгельной откачке / А.Я.Зоркин, С.В.Семенов, А.П.Перекрестов // Электронная промышленность. 1999. №4. С. 52-53.

74. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлом /

75. B.А.Бачин. М.: Машиностроение, 1986. 184 с.

76. Воронин В.И. Опыт по переводу вакуумных дугогасительных камер на бесштенгельную откачку / В.И.Воронин, В.В.Муллин. // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. № 1. Вып. 3. С. 101-104.

77. Семенов А.С. Повышение эффективности электровакуумного производства / С А.С.еменов, Б Р.Ф.артоломей, А.А.Смирнов, В.Б.Байбурин Саратов: изд-во Сарат. ун-та. СГУ. 2000. 104 с.

78. Бакуленко А.В. Проблемы реставрации ЭВП в современной России / А.В.Бакуленко, А.Б.Киселев, А.М.Соколов // Электроника: наука, технология, бизнес. 2001. Вып.5. С. 30-33.

79. Семенов А.С. Проблемы и опыт регенерации мощных электронных приборов / А.С.Семенов, В.Б.Байбурин // Машинное проектирование в прикладной электродинамике и электронике: Труды 4-го Рабочего семинара. IEEE Saratov-Penza Chapter. Саратов. 2000. С. 15.

80. Муллин В.В. Особенности регенерации вакуумных дугогасительных камер / В.В.Муллин, И.И.Сиберт, М.А.Фурсаев. // Радиотехника и связь: материалы науч.-техн.конф, Саратов: СГТУ, 2007. С. 70-74.