2.3.2. Применение вакуумной изоляции

Электрические свойства вакуумной изоляции. Промежутки, для которых произведение давления газа на межэлектродное расстояние лежит в пределах 0,01—0,2 кПа·см, считаются вакуумными. Возникновение разряда в них определяется практически только процессами на электродах. Различают три вида нарушения электрической прочности вакуумной изоляции. Во-первых, появление более или менее стабиль­ных токов плотностью 10^-4-10^-3 А/см², резко зависящих от приложенного к электродам напряжения. Эти токи называются темновыми или предпробойными. Во-вторых, возникновение периодически повторяющихся самогасящихся маломощных импульсов тока 10^-4-10^–3А и длительностью10^-4-10^–3с частотой повторения от долей до десятков и сотен герц. В третьих, возникновение пробоя всего изоляционного промежутка. Отличительной особенностью вакуумной изоляции является очень большой разброс пробивных напряжений. Уменьшить этот разброс удается с помощью тренировки электродов вакуумного промежутка.

Примерные разрядные напряжения U_раз в различных газах и вакууме в зависимости от длины промежутка l приведены в табл. 2.3.1.

Т а б л и ц а 2.3.1

Разрядные напряжения

Длина промежутка, мм	1	2	3	4	5	6	7
Uраз при высоком вакууме	67	100	127	150	175	185	203
Uраз в элегазе (р = 105 Па)	9	19	28	38	47	57	66
Uраз в воздухе (р = 105 Па)	3	6	10	13	17	20	23

Вакуумная изоляция используется в электрофизических установках (ускорителях), космических двигателях, электровакуумных приборах. В электроэнергетике вакуумная изоляция получила широкое применение в вакуумных выключателях .

Достоинства вакуумных выключателей следующие:

- автономность работы, независимость от посторонних источников энергии; нет необходимости применять для дугогашения какие-либо газы или жидкости; отсутствует выхлоп наружу пламени или раскаленных газов;

- в процессе эксплуатации вакуумные дугогасительные камеры не требуют надзора или обслуживания; в большинстве случаев срок их службы не меньше, чем у выключателя, на котором они установлены;

- возможность ориентировать камеры в пространстве в любом произвольном положении;

- пожаробезопасность;

- исключительно высокая коммутационная способность; для успешного отключения токов неудаленного короткого замыкания не требуется шунтирующих резисторов или конденсаторов;

- относительно маломощный привод;

- бесшумность оперирования.

Отключение токов. Рассмотрим коммутацию цепи вакуумным выключателем, сопровождающуюся повторным пробоем, вызванным слишком малым расстоянием между ее расходящимися контактами, в силу чего она не выдерживает восстанавливающегося напряжения, нарастающего там в момент, когда ток в отключаемой цепи переходит через нуль. В отличие от переходных процессов, сопровождающих повторный пробой в электромагнитных выключателях, в вакуумных выключателях сильноточная дуга в момент пробоя межконтактного промежутка может сразу и не сформироваться. При этом в ближайшем к выключателю контуре коммутации, характеризуемом его локаль­ными параметрам (индуктивностью L и емкостью С), возникает высокочастотный колебательный процесс, из-за наложения которого результирующий ток в цепи в процессе своего нарастания многократно переходит через нуль. Чрезвычайно высокая отключающая способность вакуумного дугогасительного устройства с дугой, находящейся при небольших токах в диффузном состоянии, позволяет выключателю отключить этот высокочастотный ток, который протекает через него с момента возникновения повторного пробоя, причем отключение этого тока происходит в "момент перехода "его через нуль. Однако вследствие того, что данный переходный процесс совершается с большой частотой, время до ближайшего нуля будет исключительно малым, и контакты за это время не успеют разойтись на сколько-нибудь большое расстояние. В результате спустя некоторое время после успешного отключения, как только восстанавливающееся напряжение нарастет до уровня, превышающего изоляционную прочность малого еще промежутка между расходящимися контактами, неизбежен вторичный пробой этого промежутка, вновь сопровождающийся образованием в LС – контуре высокочастотных колебаний. Процесс этот может повторяться многократно до тех пор, пока ток промышленной частоты, протекающий в коммутируемой цепи, не нарастет в процессе своего изменения до уровня, превышающего амплитуду высоко­частотной составляющей переходного тока близлежащего к выключателю контура коммутации. Начиная с этого момента, несмотря на наличие в цепи колебательного процесса, суммарный ток уже не будет больше достигать нулевого значения, и в выключателе возникнет и сформируется на протяжении следующей полуволны тока промышленной частоты сильноточная дуга, горящая там до последующего перехода тока через нуль.

Вакуумные выключатели имеют исключительно быстрое нарастание электрической прочности. В вакуумных камерах уровень токов, при которых дуга неустойчива, называется уровнем токов среза, которые зависят от теплофикационных свойств материала контактов. Коммутационные перенапряжения, возникающие при срезах отключаемого тока в вакуумных выключателях, зависят, в свою очередь, от токов среза, волнового сопротивления линии и различных демпфирующих факторов. Поэтому в настоящее время в РУ промышленных предприятий ячейки с вакуумными выключателями снабжаются высоконелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН).