Основные сведения о вакуумных выключателях 6-110 кВ, вакуумных контакторах 6-10 кВ и дугогасительных камерах
Вакуумные выключатели — одно из наиболее перспективных направлений развития коммутационной аппаратуры в классах напряжения 3-110 кВ. Из известных видов коммутационной аппаратуры они наиболее полно соответствуют современным требованиям.
Вакуумные выключатели обеспечивают наиболее простой и надежный способ гашения электрической дуги. Особенно широкое распространение они получили для отключения сравнительно низких токов короткого замыкания. В эксплуатации вакуумные выключатели более надежны по сравнению с масляными или электромагнитными и имеют значительно меньшие размеры. Однако вакуумные выключатели появились сравнительно недавно, так как их разработка на требуемые параметры потребовала решения ряда сложных научных и технологических проблем. В вакуумных выключателях один из двух расположенных в стеклянной (или керамической) вакуумной камере контактов подвижный приводится в действие от внешнего привода (для замыкания и размыкания цепей). Так как в вакууме дуга гаснет быстро, то и восстановление межэлектродного изоляционного промежутка происходит во время размыкания тоже быстро. Это дает возможность получить хорошие коммутационные характеристики выключателя.
Выключатели на 7,2—10 кВ имеют зазор между контактами в несколько миллиметров (4 мм), поэтому при таких малых размерах легко достигаются высокие скорости срабатывания. Эрозия контактов под действием дуги при этом незначительна, проблема предотвращения ухудшения вакуума на протяжении длительного времени практически решена. Срок службы вакуумных выключателей практически не ограничен. Вакуумные выключатели отвечают современным требованиям сокращения трудовых затрат при монтаже, наладке и эксплуатации.
Параметры вакуумных выключателей определяются их основной частью — вакуумными дугогасительными камерами (ВДК) ВДК представляет собою запаянный прибор, в котором давление газа не превышает 10~3...10~10 Па. Камера состоит из изоляционного корпуса, с размещенными в нем контактной и экранной системами. Контактная система, как правило, торцевая одноразрывная; один из контактов неподвижный, другой подвижный и соединяется с корпусом через сильфон, благодаря чему контакт может перемещаться без нарушения вакуума. Экранная система защищает внутренние стенки изоляции корпуса от металлизации продуктами электроэрозии контактов и задает распределение электрического потенциала в ВДК.
Дуга отключения, возникающая при размыкании контактами ВДК цепи тока, горит в парах металла контактов и гаснет при переходе переменного тока через нулевое значение. Это происходит вследствие остывания последних очагов испарения, конденсации и деионизации пара с достаточно большой скоростью. При токах менее 10 кА дуга из-за взаимного расталкивания катодных пятен распределяется по значительной части поверхности контактов и инерционных очагов испарения, приводящих к отказу при отключении, не возникает. При этих токах контакты имеют форму простых цилиндров. При токах более 10 кА дуга концентрируется в узкой области разрываемых контактов. В этом случае возникновение недопустимо больших очагов испарения на контактах предотвращается созданием в межконтактном промежутке поперечного радиального или продольного по отношению к току дуги магнитного поля. В поперечном радиальном магнитном поле дуга вращается с достаточно большой скоростью, в продольном — концентрации дуги не происходит, и дуга распределяется по всей контактной поверхности. Эти эффекты достигаются путем придания контактам специальной формы.
При расхождении контактов вначале образуется жидкий металлический мостик из материала электродов. Этот мостик нагревается до высокой температуры и испаряется. Между контактами загорается дуга в среде паров металла электродов. Характерной особенностью дуги является малое напряжение на ней (20-40 В). Только при больших токах (10-100 кА) напряжение растет до 50-200 В. При прохождении тока через нуль дуга гаснет. Малая плотность газа обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов погасшей дуги из-за большой разницы плотностей частиц в разряде и в вакууме.
Через 10 мкс после прохождения тока через нуль между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума, которая достигает 100 МВ/ м. Благодаря высокой скорости нарастания электрической прочности промежутка вакуумный выключатель может работать при высоких скоростях восстановления напряжения и успешно используется при отключении емкостной нагрузки.
Ток отключения определяется количеством паров металла, испаряемого из электродов, что зависит от температуры электродов. Критическая температура, при которой происходит отказ в гашении, для меди равна 1280 °С, для вольфрама 3300 °С. В связи с этим в первых образцах вакуумных выключателей широко применялся вольфрам. Однако вольфрам обладает недостатками — высокое контактное сопротивление ограничивает номинальный ток. Кроме того, при подходе тока к нулю резко падает плотность паров вольфрама, дуга обрывается, возникает срез тока, при этом возникает
перенапряжение, равное 
где L и С — параметры отключаемой
нагрузки. Напряжение на нагрузке достигает (6-8)UH0K, при этом происходит пробой изоляции в отключаемом оборудовании. Необходимо либо ставить специальные разрядники, либо переходить на другой материал электродов.
В настоящее время широко применяются медь и ее сплавы или специальная металлокерамика. Для уменьшения количества паров металла, испаряемого из электродов, дуга быстро перемещается по поверхности контактов с помощью магнитного поля.
Неподвижный торцевой контакт связан с одним фланцем, подвижный с помощью сильфона связан с другим. Нажатие подвижного контакта на неподвижный создается за счет атмосферного давления. При больших токах ставится дополнительная пружина.
Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения от расстояния диаметром 9,5 мм: 1 — в воздухе при атмосферном давлении; 2 — в вакууме
Полный ход подвижных контактов составляет несколько миллиметров.
При больших токах применяются специальные экраны, предохраняющие от перекрытия по поверхности внутри сосуда. Перекрытие возможно вследствие оседания частиц испарившегося металла контактов после многократной работы.
Вакуум обладает высокой электрической прочностью, и в нем быстро (спустя 10 мкс после прохождения тока дуги через нуль) восстанавливается электрическая прочность дугового промежутка.
Размещение контактов в вакууме исключает их окисление, вследствие чего можно применять меньшие контактные нажатия.
Устройство простейшей вакуумной камеры показано на рис. 2. Она состоит из следующих частей: стеклокерамической оболочки /; стальных торцевых фланцев 2; медных контактных стержней — неподвижного 3 и подвижного 4; электродов 5; стального ребристо сильфона 6, приваренного к подвижному контактному стержню 4; экранов 7. 8, 9. Давление в камере составляет около 1.3 • 10~5 Па.
Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, высокой проводимостью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Применение получили бинарные сплавы: Си — Bi, Си — Те, Ag — Bi и др.
Рис. 2. Устройство простейшей вакуумной камеры: 1 — стеклокерамическая оболочка; 2 — стальные торцевые фланцы; 3 — неподвижный и 4 — подвижный контакты; 5 — электрод; 6 — стальной ребристый сильфон; 7,8,9 — экраны
В положении «включено» электроды прижаты друг к другу пружиной привода с силой около 3000 Н. В процессе отключения контакты размыкаются. Скорость движения контактов составляет около 1,5 м/с. Зажигается дуга. Она горит в парах металла, образующихся на поверхности холодного катода в отдельных наиболее нагретых точках. Металлические пары непрерывно покидают дуговой промежуток и конденсируются на поверхности центрального экрана, изолированного от электродов. Он защищает изолирующую оболочку от радиации дуги и оседания на ней частиц металла. Когда ток приходит к нулевому значению, дуга угасает и парообразование прекращается. Если скорость восстанавливающейся электрической прочности промежутка превышает скорость постоянного высокого напряжения (ПВН), цепь оказывается разомкнутой.
Отключающая способность вакуумной камеры зависит от материала и конструкции электродов, устройства экранов, определяющих пространственное распределение напряженности электрического поля внутри и вне камеры. В новейших конструкциях применены контакты большого диаметра (до 18 см), устроенные так, что в процессе отключения создается продольное магнитное поле, параллельное дуге. Опыт показывает, что это поле способствует диффузионному строению дуги из множества тонких нитей с основаниями, равномерно распределенными по поверхности катода. При этом уменьшается напряжение на дуге и, следовательно, энергия, выделяемая в дуговом промежутке; увеличивается отключающая способность; эрозия контактов минимальна.
На рис. 3 показан разрез еще одной вакуумной дугогасительной камеры, используемой в вакуумном выключателе серии ВВТ. Цилиндрический корпус камеры состоит из двух секций полых керамических изоляторов 5, соединенных металлической прокладкой 6 и закрытых с торцов фланцами 1 и 8. Внутри камеры расположена контактная система и электростатические экраны 2 и 4, защищающие изоляционные поверхности от металлизации продуктами эрозии контактов и способствующие распределению потенциалов внутри камеры. Неподвижный контакт 7 проходит через верхний фланец 8 и соединяется с ним сильфоном 9 из нержавеющей стали, создающим герметичное подвижное соединение.
Камеры трех полюсов выключателя крепятся на металлическом каркасе с помощью опорных изоляторов.
Рис. 3. Разрез вакуумной дугогасительной камеры
1...8 — фланцы; 2,4 — электростатические экраны; 3 — неподвижный контакт, 5 — керамический изолятор; 6 — металлические прокладки; 7 — подвижный контакт; 9 — сильфон
Подвижные контакты камер управляются общим приводом с помощью изоляционных тяг и перемещаются при отключении на 12 мм, что позволяет достигать высоких скоростей отключения (1,7...2,3 м/с).
Вакуумные дугогасительные камеры, являясь основной частью вакуумного выключателя имеют следующие характеристики (табл. 4.17.1 и 4.17.2) и обозначения, которые расшифровываются следующим образом:
• камера дугогасительная вакуумная
конструктивные особенности номер разработки номинальное напряжение, кВ номинальный ток отключения, кА номинальный ток, А вид климатического исполнения категория размещения по ГОСТ 15150-69
