Вакуумні вимикачі

Горіння і гасіння дуги у вакуумі

Експериментальні дослідження і досвід експлуатації комута­ційних апаратів показали, що на розвиток дугового розряду великий вплив здійснює середовище, у якому відбувається розмикання контактів. У цьому відношенні вакуум, як дугогасне середовище, має ряд істотних переваг у порівнянні з газовими середовищами (повітря, елегаз і ін.). Так, вакуум має дуже високу електричну міцність (близько 100 кВ/мм при тиску порядку 10^-4Па), має здатність дуже швидко її відновлювати після згасання дуги. Крім того, вакуум створює сприятливі умови для дифузії заряджених часток з області горіння дуги, а також запобігає ударній і термічній іонізації проміжку.

Однак і у вакуумі при розмиканні контактів з'являється дуговий розряд. Причиною його виникнення є термоелектронна або автоелектронна емісії. Через жорсткість контактуючих поверхонь їх дотик, як правило, відбувається тільки в декількох точках. У процесі розмикання контактів число контактних точок зменшується, у результаті чого густина струму на точках, що залишилися в контактній взаємодії , сильно зростає, нагрівання їх збільшується, аж до роз­плавлення.

Різке підвищення температури контактів приводить до того, що температура катода може бути достатньою для початку термо­елект­ронної емісії з його поверхні. Розігрів поверхонь контактів приводить також до газовиділення матеріалів, з яких вони виготовлені і, як наслідок, до погіршення вакууму.

Установлено, що зміна тиску у вакуумній камері в межах від 10^-2Па до 10^-4Па практично не впливає на процес вимкння. Але підвищення тиску до 10^-1Па і вище веде до швидкого зростання імовірності іонізації міжелектродного проміжку. (дивись лабораторну роботу №1 «закон Пашена»)

Для зниження газовиділення роблять попереднє вакуумування матеріалу електродів шляхом прогріву їх до високої температури при безупинному відкачуванні і періодичному чергуванні полярності електродів. Нагрівання контактів ведуть протягом декількох годин до червоного розжарювання.

Г асіння дуги здійснюється за рахунок радіальної дифузії заряд­же­них часток і охолодження дуги унаслідок випару великої кількості ма­те­ріалу електродів і переносу його до стінок камери. При вимкнні кола постійного струму перше загасання дуги спостерігається вже при невеликій відстані між електродами. Виникаючі при цьому значні пе­ре­напруги, як правило, виявляються достатніми для повторного пробою проміжка. Повторна дуга гаситься в такий же спосіб, як і перша.

У вакуумних вимикачах з метою зниження виникаючих перенапруг ефективно застосовується шунтування контактів активними опірами або конденсаторами.

Вакуумні вимикачі ма­ють малі габарити, високу швид­кодію, невели­кий хід рухливого контак­ту, допуска­ють велике число спрацьову­вань без необхідності в ревізії.

Конструкції вакуумних вимикачів

Я

Рис. 5.2. Вакуумна дугогасна камера КВД-21

к уже згадувалося, у вакуумних вимикачах контакти розходяться в повітрян­ому середовищі з тиском 10^-4Па. При на­стільки низькому тиску густина газу надзвичайно мала. Довжина вільного пробігу молекули досягає 50м, а довжина вільного пробігу електрона близько 300м, що значно перевищує розміри розрядної трубки. Тому при прикладенні напруги не відбуваються іонізуючі зіткнення моле­кул і самостійний розряд не виникає.

На рис. 5.2 приведен розріз вакуумної дугогасної камери КВД-21.

У

Рис. 5.3 Вимикач ВHВ - 10/320

керамічному ци­ліндрі 1 з ребристою по­верхнею розміщені торцеві контакти 2 і 3 з вольфрамовими нако­нечниками 4. Контакт 3 нерухомий, контакт 2 може переміщатися не порушуючи вакууму завдяки сильфону 5. За рахунок атмосферного тиску, що діє на сильфон, забезпечується натискання контактів. Сила їх натискання складає близько 120Н. Хід рухомого контакту в межах 3-5см. Швидкість руху рухомого контакту в момент розмикання від 0,2м/с до 2м/с.

Вакуумна дугогасна камера КВД-21 разрахована на тривалий струм 320А, номінальний струм вимкння 2000А, номінальна напруга 20кВ, механічну зносостійкість 100000 опе­ра­цій, комутаційна зносо­стійкість (у середньому при струмі 900А) - 40000 опера­цій. На базі вакуумної камери КВД-21 серійно виготовляються вітчизняними заводами вимикачі наван­тажен­ня типу BHB-10/320 (рис. 5.3).

Вимкння кола постійного струму

Процес виникнення дуги при вимкнні кола постійного струму нами вже розглянутий. Зазначено також, що вакуумна дуга горить у середовищі парів металу електродів. Розглянемо процес гасіння дуги. Іони, що утворяться під дією високої температури, рухаються до електродів, створюючи поблизу їх відповідні об'ємні заряди.

Потік електронів направляється до анода і бомбардує його. Позитивні іони, що звільняються з анода, рухаються до катода і руйнують його.

Надзвичайно низька щільність газу в камері обумовлює дуже високу швидкість дифузії зарядів через велику різницю густини частинок у розряді і вакуумі. Швидка дифузія частинок і висока електрична міцність вакууму дозволяють ефективно гасити дугу у вакуумному вимикачі.

Для зменшення кількості зарядів у виникаючій дузі в якості матеріалу для електродів приймають вольфрам, який має високу температуру плавлення і має велику роботу виходу електронів. Контакти з вольфраму, крім того, стійкі проти зварювання.

При вимкнні вимикача розпиленні частки матеріалу контактів осаджуються на поверхні ізоляційного циліндра, що створює можливість перекриття ізоляції.

Для захисту циліндра від парів металу електроди захищаються спеціальними металевими екранами 6. Для збільшення електричної міцності у середині камери встановлені додатково два екрани 7 і 8. Якби були відсутні екрани, то електрон, розганяючись в електричному полі на довгому шляху, здобував би високу енергію, достатню для того, щоб при зіткненні з молекулою викликати її іонізацію. Завдяки екранам 6, 7 і 8 електричне поле розбивається на дві невеликих ділянки (між екранами 7 і 6 і між екранами 6 і 8), що в кілька разів знижує шлях пробігу електрона. Можливість перекриття усередині камери різко знижується.

Вимкння кола змінного струму

При вимкнні кола змінного струму після проходження струму через нуль унаслідок дифузії відбувається швидке розсередження зарядів і через 10мкс між контактами камери відновлюється електрична міцність вакууму.

Одним з найважливіших переваг вакуумних вимикачів є швидке наростання електричної міцності після проходження струму через нульове значення. Тому вакуумні вимикачі знаходять широке застосування для вимкння конденсаторних батарей.

Особливості виконання контактної системи вакуумного вимикача

Серйозним недоліком вакуумної дугогасної камери є зріз (обрив) струму при підході до нульового значення. Виникнення зрізу струму пояснюється тим, що при зменшенні струму в дузі падає тиск парів металу, дуга стає хитливою й обривається ще до того коли струм зменшиться до нуля. При цьому виникають перенапруги, що можуть вивести з ладу обладнання, встановлене в мережі. Величина струму зрізу залежить як від параметрів кола, що вимикається, так і від властивостей матеріалу контактів.

Вольфрам найбільш стій­кий проти зварювання, має також високу температуру плавління і зносостійкість. Однак він дає високі значення струму зрізу і перенапруг, тому що має низький тиск парів металу.

Мідні контакти дозво­ляють знизити перенапруги в 2,5 рази, але мідь дуже схильна до зварювання і зносу. Вітчизняною проми­словістю в останнє десяти­ліття створені контакти, що мають високу зносо­стій­кість і низьки значення перенапруг. Наприклад, частина контактної поверхні виконується з дугостійкого матеріалу (молібден), а частина з матеріалу з високим тиском паров (сурма).

Контактна система вакуумного вимикача працює в тяжких умо­вах. Наявність вакууму, що оточує контакти, значно погіршує охолод­ження, яке відбувається в основному за рахунок тепло­про­відності тіла контактів і випромінювання.

Область застосування

За рахунок удосконалення конструкції камери і застосування нових контактних матеріалів розроблені, побудовані і випробувані вакуумні камери для вимикачів навантаження і силових вимикачів на напругу 10 кВ з номінальним струмом до 2000 А и струмом вимкння до 40 кА, а також камера для напруги 35 кВ із номінальним струмом 1000 А и струмом вимкння 12,5 кА.

Слід зазначити, що створення вакуумних вимикачів на струми вимкння вище 20кА зв'язано з великими труднощями.

Звичайно камери випускаються на напруги до 20-35 кВ. При більш високих напругах необхідно послідовно з'єднувати велике число камер.

Досвід експлуатації і розробки вакуумних вимикачів показав, що основною перевагою їх є велике число припустимих операцій. В даний час механічна зносостійкість досягає 10х10⁶ , електрична - 2х10⁶ операцій.

Вакуумні вимикачі знаходять широке застосування в системах електропостачання як високовольтні контактори.