Валентные электроны

На 4.76,а показан общий вид вакуумного выключателя ВВК-35Б-20/1000У1, предназначенного для частых коммутаций в нормальных и аварийных режимах в электроустановках 35 кВ. Выключатель рассчитан на открытую установку. На общей раме крепятся с помощью фарфоровых изоляторов три полюса. В каждом полюсе ( 4.76, б) в фарфоровом изоляторе 3, армированном фланцами 2 и 6, заключена дугогаси-тельная камера 5. Для надежной изоляции полюсы заливаются маслом, а в крышке 1 имеется маслоуказатель. Механизм привода полюса 8 тягами 7 и 4 связан с подвижным контактом. Гашение дуги осуществляется в вакуумной камере 5.

На базе вакуумного выключателя ВВВ-10/320 разработана конструкция крупноблочного КРУН серии К-100. Шкаф К-100 имеет цельносварную раму, на которой размещены четыре линейных ячейки с выдвижными элементами, ячейка трансформаторов напряжения и разрядников и вводная ячейка с выключателем на выдвижном элементе. Общая ширина такого блочного КРУН 3,85 м, масса 4 т.

Камера вакуумного выключателя представляет собой полностью запаянный стеклянный сосуд, внутри которого создан высокий вакуум (0,1—0,001 Па) и размещены подвижный и неподвижный контакты. Полный ход подвижных контактов составляет всего несколько миллиметров при напряжении с амплитудой 100 кВ и выше. При больших токах применяются специальные

Вакуумные выключатели. Их изготовляют на напряжение 10 кВ, номинальные токи 320 А, ток отключения 2—20 кА, динамическую устойчивость 52 кА. Основным элементом вакуумного выключателя является вакуумная дугогасительная камера (ВДК), в которой происходит гашение дуги.

Коммутационная износостойкость вакуумного выключателя с при-

Вакуумные выключатели находят пока ограниченное применение (для частых операций) вследствие их большой стоимости и невысоких параметров: номинальные токи 200 и 320 А, предельные токи отключения 400 и 2 000 А. Преимуществами вакуумного выключателя являются: высокая электрическая прочность вакуума и быстрое восстановление электрической прочности; быстродействие и большой срок службы, допускающий большое число отключений номинального тока без замены камеры; малые габариты, бесшумность работы, удобство обслуживания; пригодность для ча-

8.11. Вакуумная дугогасительная камера вакуумного выключателя на 10 кВ, 1600 А:

Для надежности работы вакуумного выключателя и увеличения срока его службы весьма существенной является износостойкость контактов, которые распыляются во время горения дуги. При очень сильном распылении металла контактов может образоваться такое количество паров металла, что гашение дуги окажется невозможным. Опыт показал, что наиболее сильное распыление наблюдается у контактов из латуни и меди. Тугоплавкие металлы, такие, как вольфрам или молибден, распыляются сравнительно мало,

Таким образом, для повышения отключающей способности вакуумного выключателя для контактов необходимо применять наиболее тугоплавкие материалы.

Современные вакуумные выключатели рассчитаны на отключение токов в пределах от 1 до 8 кА при напряжениях 3—20 кВ. Дугогасительная камера вакуумного выключателя представляет собою герметический вакуумный сосуд из металла и стекла, в котором поддерживается вакуум 10~4 Па. Корпус камеры может быть изготовлен не только из стекла, но и из других изоляционных материалов, которые вакуумно-плотно свариваются с металлом.

Вакуумные подвесные выключатели нагрузки ВНВП-10 изготовляют на напряжение 10 кВ, номинальный ток 320 А и предельный ток отключения 2000 А. Основным элементом этого выключателя является вакуумная дуго-гасительная камера (КВД), в которой происходит расхождение дугогасящих контактов и гашение дуги. Преимуществами вакуумного выключателя являются: высокая электрическая прочность вакуума и быстрое восстановление электрической прочности, быстродействие и большой срок службы, большое число (до 30 000) отключений номинального тока без замены камеры, малые Габариты, бесшумность работы, удобство обслуживания.

Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником л-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный" электрон - знаком минус.

В кристаллических полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) часть разрешенных зон (с меньшей энергией) полностью заполнена электронами, а в остальных электроны отсутствуют. В верхней заполненной зоне находятся электроны, расположенные на внешних оболочках атомов и участвующие в химических связях с соседними атомами, так называемые валентные электроны. Поэтому эту зону называют валентной. Нижнюю, не занятую электронами зону разрешенных уровней называют зоной проводимости.

Твердые тела делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики в зависимости от их зонной структуры. Зонная структура различных твердых тел представлена на 1.1. У металлов валентные электроны легко переходят на уровни зоны проводимости и все валентные электроны участвуют в создании тока, поэтому валентная зона и зона проводимости перекрываются (рйб. 1.1, а).

металла и полупроводника имеют различную физическую природу сил, удерживающих атомы в. узлах кристаллической решетки. В металлах электроны принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу. Это приводит к ослаблению связи между электронами и атомами, поэтому валентные электроны на внешних энергетических уровнях при небольшом увеличении энергии становятся свободными. В полупроводниках ковалентные связи образуются, когда соседние атомы имеют общие электроны, вращающиеся вокруг обоих ядер.

При добавлении в полупроводник примесей, относящихся к III группе периодической системы элементов (например, галлия), в кристаллической решетке полупроводника атом примеси образует только три заполненные валентные связи. Четвертая связь остается вакантной. При сообщении кристаллу небольшой дополнительной энергии эта вакантная связь может быть заполнена электроном, перешедшим с одной из соседних заполненных валентных связей. В результате в той связи, откуда ушел электрон, нарушается нейтральность и образуется положительный заряд — дырка. При увеличении примесей возрастает концентрация дырок и они становятся основными носителями, а электроны — неосновными. Примеси, способные принимать на свои уровни валентные электроны, называются акцепторными или акцепторами. Полупроводники, в которых .основными носителями заряда являются дырки, называются дырочными или полупроводниками р-типа (от латинского positive — положительный, что соответствует знаку заряда дырки). Процесс образования пары электрон — дырка называется генерацией.

Результирующий ток через переход складывается из двух встречных потоков электронов. Из р- в n-область валентные электроны переходят на свободные уровни в зоне проводимости, а из п-в р-об-ласть электроны проводимости переходят на свободные уровни валентной зоны. При отсутствии смещения, что соответствует нулевой точке вольт-амперной характеристики ( 5.25), эти два потока взаимно уравновешиваются и /пр = 0.

Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами внешней оболочки атомов — внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны могут изменять свою энергию под воздействием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.

водника происходит нарушение связей, т. е. некоторые валентные электроны получают необходимую дополнительную энергию для перехода в зону проводимости ( 2.3,6). Такой переход соответствует выходу электрона из связи ( 2.3, а). Появляющиеся свободные электроны будут принимать участие в образовании тока в полупроводнике (при приложении напряжения).

Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся по-ложителыфпии ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь - донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный' электрон - знаком минус.