3.3.3. Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели состоят из вакуумных дугогасительных камер (ВДК), приводов с приводными механизмами и схем управления (рис. 3.19).

Вакуумные дугогасительные камеры являются важнейшей частью выключателей, определяющей их технические характеристики.

Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги в вакууме, при давлении остаточных газов 10^-310^-6 Па. В вакуумных дугогасительных устройствах (ДУ) реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла) и высокая дугогасительная способность.

В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляет десятки и сотни метров, т. е. во много раз больше, чем расстояние между контактами выключателя.

Рис. 3.19. Вакуумный выключатель BB/Tel

Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры.

Процесс отключения происходит следующим образом. При размыкании контактов 2 и 3 количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет.

В результате этого на завершающей стадии размыкания происходит расплавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию. Благодаря низкому давлению в камере происходит интенсивная диффузия (деионизация) дугового столба и дуга гаснет. Частицы испарившегося материала контактов оседают на поверхностях вакуумной камеры. При этом быстро, со скоростью 550 кВ/мкс, восстанавливается электрическая прочность между контактами. Скорость восстановления электрической прочности в вакуумных выключателях выше, чем у других типов выключателей.

Герметичность камеры при перемещении подвижного контакта обеспечивается сильфоном 4, который плотно связан с токовводом 5 подвижного контакта и фланцем 6 камеры.

Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. В настоящее время применяют сплавы меди и хрома или меди с небольшими количествами висмута, железа и бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися тугоплавкими материалами, например вольфрамом.

При использовании тугоплавких материалов для контактов в газообразное состояние переходит меньшее количество вещества, поэтому дуговой столб распадается быстрее. Однако в этом случае при отключении малых токов погашение дуги возможно при токе до момента перехода тока через нуль. Происходит «срез» тока, что вызывает перенапряжение на оборудовании и может привести к нежелательным последствиям.

Поэтому в настоящее время применяют сплавы меди в качестве материала контактов, чтобы предотвратить перенапряжения в отключаемой цепи. Для защиты изоляционных поверхностей камеры от загрязнения продуктами эрозии контактов устанавливают специальные экраны. Так как контакты находятся в глубоком вакууме, они не окисляются, благодаря чему достигается высокая износостойкость контактов. Они работают без обслуживания в течение всего срока службы камеры.

Благодаря высокой электрической прочности вакуумных промежутков ход подвижных контактов невелик, в пределах 820 мм. Ход контактов у маломасляных выключателей с теми же параметрами, что и у вакуумных выключателей, примерно в 10 раз больше (около 200 мм у выключателя типа ВМП-10).

Характеристики вакуумных выключателей определяются работой контактной системы. При коммутациях происходит эрозия контактных поверхностей. Она тем больше, чем больше отключаемый ток, длительность горения дуги, ниже температура плавления материала контактов и хуже теплоотвод.

Чтобы быстрее погасить дугу, необходима высокая скорость движения подвижного контакта при отключении и включении. Такая необходимость при включении вызвана тем, что при сближении контактов перед замыканием происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу так же, как и при отключении. При медленном сближении контактов тепловыделение увеличивается, может возникнуть оплавление контактов. По этой же причине нежелательна вибрация контактов после замыкания, так называемый дребезг контактов. Достаточно большое сжатие контактов в замкнутом состоянии устраняет дребезг и способствует уменьшению переходного электрического сопротивления.

Преимущества вакуумных выключателей: высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ; снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации; быстрое восстановление электрической прочности — (1050) х 10³ В/мкс; взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам; произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя; бесшумность, чистота (удобство обслуживания), отсутствие загрязнения окружающей среды; высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ; сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические нагрузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности привода; легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести: возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов; трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума; большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость по сравнению с масляными выключателями.