книги из ГПНТБ / Мирошниченко Р.И. Обратные зажигания в ртутных выпрямителях и борьба с ними
.pdf
В брошюре дано краткое описание процессов, происходящих в ртутных выпрямителях, а также основных причин, способствующих возникнове нию в них обратных зажиганий; приведены дан ные по частоте обратных зажиганий выпрямите лей тяговых подстанций электрифицированных железных дорог, даны рекомендации по экс плуатационному обслуживанию ртутных выпря мителей.
Брошюра рассчитана на инженерно-техниче ских работников участков энергоснабжения, связанных с эксплуатацией тяговых подстанций.
ГОС. ПУБЛИЧНА
НАУЧНО TtXHH4£ s
БИБЛИОТЕКА СС
Редактор инок. Н. И■ СИДОРОВ
ПРЕДИСЛОВИЕ
На электрифицированных дорогах постоянного тока одним из основных устройств, определяющих надежность работы тяговых подстанций, является ртутный выпрями тель. Общее количество выпрямителей, установленных на тяговых подстанциях, в настоящее время достигает ты сячи. Кроме того, непрерывно вступают в строй новые под станции с преобразовательными агрегатами.
Основной причиной нарушения нормальной работы преобразовательных агрегатов являются обратные зажи гания (о. з.) в ртутных выпрямителях.
Борьба с о. з. требует от обслуживающего персонала знания процессов, происходящих в выпрямителях, и усло вий, способствующих возникновению в них о. з., а также основных требований к эксплуатационному обслуживанию выпрямителей. Этим вопросам посвящена настоящая бро шюра, составленная на основании: данных исследований о. з., приведенных в литературе завода «Уралэлектроаппарат» и автора брошюры; обобщения и критического анализа работы выпрямителей, а также опыта работников электрифицированных участков Омской, Московской и дру гих железных дорог по борьбе с обратными зажиганиями.
1. ПРОЦЕССЫ В РТУТНОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ
Одной из форм обширного класса электрических раз рядов является дуговой разряд в выпрямителе, который называется самостоятельным. При этом электроны и ионыобразуются непрерывно или на катоде или в разрядном промежутке в ходе самого процесса под действием поля, поддерживающего разряд между электродами.
Самостоятельный разряд является устойчивым, если число ионов, образованных в газовом промежутке каждым электроном, вылетевшим из катода, достаточно для того, чтобы часть этих инов, возвращаясь к катоду, вновь вы звала вылет одного электрона с катода.
Различают два вида устойчивого самостоятельного раз ряда: тлеющий и дуговой, которые являются последова тельными стадиями одного процесса. Дуговой разряд опре деляет период прохождения тока между электродами ртут ного выпрямителя, тлеющий разряд может иметь месте в период прекращения тока.
Различие в физических процессах этих двух видов раз рядов определяется, в основном, процессами у катода. При тлеющем разряде имеет место определенная неизмен ная величина (не зависящая от тока) катодного падения напряжения (для ртути 340 в) и неизменная небольшая плотность тока на катоде. Как показывает опыт, эта плот ность тока прямо пропорциональна квадрату величины давления газа или пара.
Сувеличением тока возрастает плотность его на катоде
иодновременно растет катодное напряжение (аномальный тлеющий разряд). При определенной величине (максималь ной) этого напряжения и дальнейшем увеличении тока аномальный тлеющий разряд переходит в дуговой. В этом
случае резко уменьшается катодное падение напряжения (с нескольких сотен до нескольких десятков вольт) и ток начинает постепенно уплотняться в одном месте, образуя светящееся катодное пятно, которое является основанием
катодной части разряда и источником электронов. Катодное пятно на поверхности ртути состоит из группы мелких катодных пятен (микропятен) с током в каждом из них от 3 до 5 а. Микропятна образуют одно групповое пятно до тех пор, пока общий ток на катоде не превышает 30—50 .а. При больших токах число групповых пятен, независимо передвигающихся по поверхности катода, соответственно возрастает. Микропятна также перемещаются внутри груп пового пятна, что приводит к непрерывному изменению формы последнего.
На основании большого числа исследований установ лено, что вылет электронов с поверхности ртути обусловлен действием сильного электрического поля, напряженность которого достигает 10е в/см и более. Для поддержания этого поля необходим некоторый минимальный объемный заряд инов, соответствующий минимуму тока в дуге (3— 5 а). Если на короткий промежуток времени (измеряемый микросекундами) ток в дуге упадет ниже указанного ми нимума, то пятно исчезает и дуга гаснет.
Двигающиеся под действием поля к катоду ионы отдают ему свою энергию, которая в большей своей части перехо дит в тепло. Это тепло уходит от катода вместе с испаряю щейся ртутью за счет теплопроводности. Распределение количества тепла между этими двумя каналами зависит от теплового сопротивления катода. Температура катод ного пятна равна примерно 200°С, температура остальной массы ртути колеблется в зависимости от условий охлаж дения в пределах от 60 до 100°С.
Температура 200°С недостаточна для тепловой эмиссии 'электронов, однако она вызывает весьма сильное испарение ртути, так как ртуть находится под вакуумом. Скорость молекул в отходящих от катодного пятна струях пара ртути достигает 10е см/сек. Это вызывает отклонение ионного потока в сторону от катодного пятла и, следовательно, приводит к беспорядочному движению катодного пятна по поверхности ртути.
Дуга на данном аноде горит до тех пор, пока анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду и напря жение между анодом и катодом больше, чем напряжение, необходимое для горения дуги. Как только напряжение становится меньше этой величины дуга гаснет и на ступает непроводящая часть периода. Осциллографические измерения показывают, что и в эту так называемую непро
водящую часть периода через анод также проходит ток (рис. 1), хотя и весьма незначительный по величине по сравнению с рабочим током. Ток этот имеет направление; обратное рабочему току, и потому называется о б р а т н ы м т о к о м .
Рис. 1. Изменения напряжений и тока в момент погасания дуги на аноде
Обратный ток в выпрямителе создается главным образом ионами, оставшимися после распада столба дуги, горевшей на данном аноде (начальный пик кривой). В пологой части кривой к ионам, оставшимся от дуги, добавляются еще ионы, диффундирующие от горящих по соседству дуг, по скольку данный анод имеет отрицательный потенциал по отношению к горящей дуге. У выпрямителей на высокие напряжения к составляющей тока, образующегося распав шейся плазмой и от диффузии ионов из соседних дуг, до
6
бавляется еще ток тлеющего разряда, развивающегося между анодом и катодом в непроводящую часть периода. При наличии такого тока в пологой части кривая обрат ного тока содержит выступы, близко повторяющие кривую обратного напряжения.
Рис. 2. Распределение токов |
при обратном зажигании |
в одном из |
||
вентилей РВ-1 |
|
|
|
|
Ионы, движущиеся к аноду в непроводящую часть пе |
||||
риода при наличии значительных ускоряющих |
сил поля, |
|||
бомбардируют анод. Эта бомбардировка при |
определенных |
|||
условиях может привести к развитию |
самостоятельного |
|||
дугового разряда с катодным пятном на |
аноде. |
Появление |
||
катодного пятна на одном из анодов, называемое |
о б р а т |
|||
н ы м з а ж и г а н и е м |
(о. з.), приводит |
к |
тому, что |
|
на него устремляются токи соседних анодов (рис. 2), по скольку в момент о. з. обратно горящий анод обладает более низким потенциалом, чем катод, что приводит к на рушению работы выпрямителя и к несимметричному корот кому замыканию трансформатора. В результате в выпря мителе ухудшается вакуум вследствие сильного выделения газов из анода, потерявшего вентильность, или из других анодов, которые в период о. з. питают током обратно горя щий анод.
Обмотки трансформатора испытывают при о. з. большие механические усилия вследствие значительных токов, про текающих в них.
7
Кроме того, при параллельной работе здоровые выпря мители, как это видно из рис. 2, замыкаются накоротко на выпрямитель с обратно горящим анодом.
Количество о. з., которое дает выпрямитель в процессе работы, за определенный период (частота или вероятность о. з.) является основным показателем качества его работы. Причины появления, о. з. еще не все исследованы, но с каждым годом невыясненных причин о. з. становится мень ше и конструкторы получают возможность создавать все более совершенные конструкции ртутных выпрямителей, способных работать с небольшим количеством о. з. при условии нормальной их эксплуатации.
2. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОБРАТНЫХ ЗАЖИГАНИЙ
Рассмотрим факторы, способствующие возникновению о. з. Они являются общими для всех типов выпрямителей.
Обратный ток на анод в ионном вентиле может состоять из следующих слагаемых: тока ионов, оставшихся от пред шествующей дуги (ток деионизации); тока ионов, диффун дирующих от других дуг, горящих в том же сосуде, —дуги возбуждения, дуг на другие аноды (ток диффузии); тока новых ионов и свободных электронов, образующихся в об ратный полупериод (ток новой ионизации).
Экспериментальные исследования величины обратного тока привели к следующим выводам: при низких напря жениях и аноде, окруженном манжетой, обратный ток очень мал; в случае высоких напряжений и давлений при напря жении и иб (рис. 1) наблюдается повторное повышение об ратного тока (вследствие возникновения самостоятель ного разряда).
При нормальных условиях работы максимальное зна чение обратного тока, зависящее от мощности выпрями теля, обычно не превосходит 100—200 ма; среднее значение этого тока измеряется десятками миллиампер. Такой ток не имеет, естественно, никакого практического значения для внешней цепи, однако он является очень серьезным пока зателем внутреннего состояния выпрямителя.
Многие исследователи установили, что обратный ток способствует возникновению обратных зажиганий, так как ионы, попадающие на анод, увеличивают частоту обратных зажиганий. Действие ионов, попадающих на поверхность
S
анода, весьма разнообразно: ионы не только вызывают освобождение электронов с поверхности, но, по-видимому, меняют ее эмиссионные свойства.
Зависимость вероятности обратных зажиганий от плот ности обратного тока дают кривые на рис. 3, снятые Макс-
фильдом и Фредендалем |
|
|
|
|
|||
13]. Величина обратного |
|
|
|
|
|||
тока при прочих равных |
|
|
|
|
|||
условиях растет с уве |
|
|
|
|
|||
личением |
нагрузки вы |
|
|
|
|
||
прямителя. |
|
|
|
|
|
||
Уменьшение обрат |
|
|
|
|
|||
ных |
токов в |
ртутных |
|
|
|
|
|
выпрямителях |
осуще |
|
|
|
|
||
ствляется введением за |
|
|
|
|
|||
щитных манжет и део- |
|
Плотность |
тона |
ма/смг |
|||
низационных сеток. Ра |
|
||||||
циональная |
конструк |
Рис. 3. Зависимость частоты обрат |
|||||
ция |
их |
определяется |
ных зажиганийот плотности |
||||
наилучшим компромисс |
|
обратного тока |
|
||||
ным решением, учиты |
|
|
также и тре |
||||
вающим, |
кроме уменьшения обратных токов, |
||||||
бование |
минимального падения |
в дуге и незатрудненного |
|||||
ее зажигания. |
Эти требования |
хорошо сочетаются |
в кон- |
||||
сек' |
|
|
|
|
струкции одноанодных вы |
||
|
|
|
|
прямителей |
типа |
РМНВ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
500 х 6. |
|
|
Плотность паров рту ти и посторонних газов в области у анода. Увели чение плотности паров ртути перед анодом повы шает возможность возник новения обратных зажига ний из-за более-затруднен ной диффузии остаточных ионов в период деиониза ции, что приводит к воз
растанию обратного тока, а также создает более бла гоприятные условия для возникновения тлеющего раз
ряда.
Вероятность обратных зажиганий растет с увеличением плотности пара почти прямолинейно (рис. 4). Повышенная
2 Зак. 1852 |
9 |
плотность пара мажет установиться или из-за высокой тем пературы катода или стенок, или же в результате испа рения капель ртути, сконденсировавшихся на близких к аноду поверхностях или на самом аноде. Обратное за жигание может возникнуть также вследствие того, что ртутные капли, проходя через ионную оболочку у отри
цательно заряженного анода, |
заряжаются |
положитель |
|||
но и |
при приближении |
к |
поверхности |
анода создают |
|
поле, |
достаточное |
для |
появления электростатической |
||
эмиссии. |
для борьбы с обратными |
зажиганиями |
|||
Следовательно, |
|||||
желательна более низкая плотность паров ртути в корпусе выпрямителя.
Плотность пара d определяется по его температуре Т и давлению р :
d. — 1 540-j; 10-9 кг • моль!см.
В стационарном состоянии давление ртутного пара определяется температурой жидкой фазы ртути в тех ее местах, где она конденсируется.
Однако в ртутном выпрямителе расчет плотности ртут ных паров по их давлению и температуре осложняется тем, что непрерывно отходящие от катода струи ртутного пара создают давление не только статическое, но и динамическое (скоростное), которое устанавливается в результате дина мического равновесия двух процессов: 1) убыли молекул паров ртути вследствие их ионизации и ухода к электро дам и стенкам; 2) пополнения количества ртутного пара, источником которого являются главным образом наиболее разогретые участки ртутного катода в непосредственной близости катодного пятна. Температурный режим внут ренних поверхностей выпрямителя также различен: бо лее холодные поверхности конденсируют ртутный пар и дав ление в прилегающем к ним пространстве определяется давлением паров, насыщающих это пространство; более нагретые поверхности повышают температуру соприкасаю щихся с ним паров ртути и создают области, в которых пары не насыщают пространство.
Измеренная температура в различных точках наружной поверхности корпуса металлического ртутного вентиля типа В-500 (один из вентилей выпрямителя РМНВ 500 х 6) при нагрузке 1 500 а на три анода при различной темпера
10