Масляные выключатели
Масло всё, это старьё. Нам как проектировщикам велено забыть про них.
Контакты размыкаются, дуга греет масло, оно разлагается на водород, ацетилен, метан. И получается газомасляный пузырь, который, расширяясь, уносит энергию дуги.
Они большие и неудобные. И в какой-то момент перешли к маломасляным выключателям:
Здесь масло одновременно и дугогаситель и изолятор. Он лучше, чем просто масляный, но всё равно не сахар.
Электромагнитные выключатели
Просто так на ровном месте тоже не надо применять. Единственное оправдание – частые коммутации (в металлургии). А в дипломе их лучше не использовать. Это на самом деле большие, неудобные, габаритные устройства, так как там нет специальной дугогасительной среды, и он такой единственный выключатель. Там просто воздух. Большой, потому что чем больше давление (или наоборот, откачав воздух), тем меньше сам выключатель можно сделать. А при нормальном давлении кривая Пашена идёт вниз, к минимуму. И там низкая пробивная способность.
Работают они на основе силы ампера. Ток крутится по катушке, создаёт большое магнитное поле. Оно воздействует на дугу, дугу затягивает в дугогасительную решётку, её там сплющивает
И так как она контактирует с металлом с большой теплопроводностью, дуга охлаждается и гаснет.
Вакуумные выключатели
Они более интересные, особенно в нише 6-35 кВ. И если токи КЗ до 30 кА, то можно использовать вакуумник. Можно сэкономить кучу денег, сделаем выключатели компактными, лёгкими. Там дугогасительные камеры размером с 3хлитровую камеру. И их можно двигать на тележке нормально.
Дуга в вакууме совсем не такая, как в воздухе или элегазе. Между контактами почти ничего нет. И по факту это не вакуум, это давление 10-4-10-6 Па. Там хоть и по-прежнему летают миллиарды частиц. Но расстояние между ними большое и дуга не возникает из-за этого. А из-за чего тогда возникает?
А возникает она из паров меди. Та самая медь, которая на контактах. Размыкаются контакты, между ними появляются последние точки соприкосновения. Медь, которая всё время была сплющена, она вспоминает свои шероховатости (помнит старую форму и пытается в неё вернуться). Этим медные контакты лучше алюминиевых. Шероховатости возникают, и теперь по ним течёт ток в точке (до этого он был размазан тонким слоем по всему сечению). Он эти точки сильно греет, медь плавится (tпл чуть больше 1000°С), вытягивается жидко-металлический мостик, он взрывается и пары металла бьют с катода на анод.
Дуга может быть диффузной при малых токах (до 10 кА) и сжатой при больших. При малых дуга гасится просто – контакты надо просто развести на 1 см. Чтобы погасить сжатую дугу – надо нарезать контакты.
То есть вот такая форма (нарезка лепестковая) позволяет закрутить дугу. Ток имеет такую форму, что он формирует магнитное поле. Попадая в это магнитное поле, он попадает в действие силы ампера, которая его крутит. И дуга срывается с острия, конденсируется (то есть пары меди конденсируются), легко затвердевает. Выпадает в виде медного инея на те же контакты, с которых слетела в межконтактный промежуток.
К сожалению, такая ситуация не работает при токах КЗ больше 30 кА. И надо делать продольное магнитное поле.
Ток должен описывать спиральную линию.
Вывод: вакуумные выключатели хорошо работают в нише 6-35 кВ при относительно небольших токах КЗ. Если токи КЗ большие, то проще сделать обычный элегазовый выключатель. Вот вакуумный выключатель сам по себе:
.
Вакуумные выключатели самые простые в мире, проще не бывает. Нет двух пар контактов, там надо просто развести контакты на 1 см. Но есть и недостатки.
Вакуум тяжело контролировать. Чтобы понять, для сравнения. 20 атм для воздушных выключателей это норма, а 19 атм это плохо (при АПВ нормально не работают), а при 16 атм их надо заблокировать, они не способны загасить дугу. То есть здесь нам надо сравнить 20 атм и 19 атм, монометр справится с этим легко. А в вакуумном надо сравнить 10-3 и 10-4 Па. И это уже дорогостоящий прецизионный монометр, и то не факт, что он существует. Никто в итоге не контролирует вакуум, это плохо. И если что-то плохо, то мы об этом узнаем только когда что-то взорвётся, хоть это и большая редкость.
В вакууме происходят холодные и горячие сварки. Там нет оксидов металлов и эти контакты привариваются. Делают специальный металл (металлокерамика = CuCr) меди 70%, хрома 30%.
Эти выключатели не применить на высоких напряжениях. 1) Потолок электрической прочности, то есть на первом сантиметре накапливается хорошее пробивное напряжение, а на последующих оно стабилизируется и надо тянуть контакты далеко друг от друга чтобы накопить приличное напряжение. И прорывная технология позволяет включить их на 110 кВ. 2) Рентгеновское излучение. При коммутации в вакууме образуются рентгеновские лучи. При испытаниях их закрывают стальными листами, а человек стоит на расстоянии 3-5 метров. Иначе будет доза эквивалентная 5 флюжкам. И это свойство более яркое при высоком напряжении.
Если б не было выключателей, то контакты надо было бы разводить метра на 2.