8. Вакуумные выключатели. Область применения и основные элементы конструкции

Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры.

Рис10.. Восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка длиной 1/4 " после отключения тока 1600 А в вакууме и различных газах при атмосферном давлении

В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. На рис. 10 показаны зависимости пробивного напряжения вакуума и воздуха от расстояния между электродами диаметром 3/8" из вольфрама. При столь высокой электрической прочности расстояние между контактами может быть очень малым (2 — 2,5 см), поэтому размеры камеры могут быть также относительно небольшими.

Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах.

Коммутации тока вакуумными выключателями

На Рис. 11 схематически показана схема замещения при отключении аварийного участка, при этом электрическая цепь сокращается на величину аварийного участка.

Рис 11

На схеме указаны элементы цепи:

L - индуктивность линии, ограничивающая величину тока КЗ в аварийной точке; С - паразитная емкость цепи.

Активное сопротивление линии и прочие факторы, определяющие потери настолько незначительны, что ими можно пренебречь. Контакты выключателя размыкаются, отключая аварийный ток.

Когда контакты, по которым протекает ток, размыкаются, независимо от типа дугогасящей среды, в которой находятся контакты (вакуум, жидкость или газ), между ними возникает электрическая дуга. Имея достаточную электрическую проводимость, возникшая между контактами, дуга обеспечивает току короткого замыкания путь для его дальнейшего протекания. Для цепи, изображенной на Рис. 11, ток, имея практически индуктивный характер, отстает от напряжения источника на 90, таким образом, когда ток подходит к естественному нулю, напряжение источника достигает своего максимального значения. При переходе тока через естественный нуль, дуга в промежутке между контактами гаснет, исчезает мостик для протекания тока по контактам, и ток от источника переходит в паразитную емкость линии С, заряжая ее до напряжения источника (фактически на разомкнутых контактах выключателя восстанавливается напряжение источника). Восстановление напряжение на контактах выключателя имеет резонансный характер, а кривая, описывающая этот процесс, представляет собой кривую напряжения источника, на которую наложены затухающие высокочастотные (с естественной частотой цепи, Рис. 12) колебания переходного процесса. Высокочастотное напряжение, возникающее на контактах выключателя после отключения тока, носит название переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Задача отключения тока, по сути дела, сводится к быстрому превращению вещества межконтактного промежутка из неплохого проводника тока в отличный изолятор, способный выдержать воздействие ПВН.

Уровень вакуума (остаточное давление газов) в современных промышленных дугогасительных камерах обычно составляет 10^-7-10^-6 Па. В соответствии с теорией электропрочности газов, необходимые изоляционные качества вакуумного промежутка достигаются и при меньших уровнях вакуума (порядка 10^-3 Па), однако для современного уровня вакуумных технологий, создание и поддержание в течение времени жизни вакуумной камеры уровня 10^-6 Па не составляет проблемы. Это обеспечивает вакуумным камерам запасы электропрочности на весь срок эксплуатации (20-30 лет).

Вакуумная дуга имеет ряд особенностей: При размыкании контактов в вакууме, весь ток устремляется к последней оставшейся точке контакта, вызывая интенсивный местный нагрев в этой точке. При дальнейшем разведении контактов формируется мостик из расплавленного металла, который, вследствие огромной плотности тока в нем, мгновенно разогревается и взрывается, создавая дугу в среде ионизированных металлических паров, образовавшихся в результате взрыва. Ионизированный металлический пар является хорошим проводником тока, и в межэлектродном промежутке начинается устойчивый дуговой разряд.