Вакуумные выключатели обладают малыми габаритами и массой, большим ресурсом, надежностью и сроком службы, экологически чисты и взрыво- пожаробезопасны, виброустойчивы и сейсмостойки, работоспособны в условиях холодного и тропического климата, требуют малых эксплуатационных расходов. Эти качества способствовали распространению вакуумных выключателей во всем мире. Они постепенно вытесняют масляные и электромагнитные выключатели. В 2000 г. доля вакуумных выключателей на рынке ЕЭС достигла 50%, на рынке Японии — 70%, на мировом рынке —65%.
В настоящее время в РФ и за рубежом достигнуты в основном все требуемые параметры ВДК в классах напряжения 3-35 кВ.
В ВЭИ работы по ВДК ведутся несколько десятилетий. Систематические исследования и разработки ВДК были начаты в лаборатории проф. B.Л. Грановского в 1956 г. С тех пор в ВЭИ был выполнен большой объем исследований и разработок ВДК .
Проведены комплексные исследования вакуумной дуги при малых токах — до 100 А и сильных токах — от сотен ампер до десятков килоампер. Исследования при малых токах позволили изучить механизм и характеристики среза тока на однородных и неоднородных металлах: сплавах и композициях. При сильных токах изучены свойства вакуумной дуги в зависимости от тока дуги, материала контактов и расстояния между ними, исследовано влияние на вакуумную дугу магнитного поля: поперечного и продольного по отношению к току дуги, получены данные о закономерностях распространения плазмы в вакууме и восстановлении электрической прочности вакуумного промежутка после отключения тока, выполнены обширные исследования электрической эрозии контактов. Исследована вакуумная изоляция в зависимости от материала контактов, расстояния между ними, предшествующих операций (коммутаций с током и без тока), конструкции ВДК. На основании полученных результатов удалось составить представление о физическом механизме отключения тока в вакууме.
Проведены разносторонние исследования самих ВДК, технологии их изготовления, контактных материалов, керамических изоляторов. Изучалась работа ВДК и вакуумных выключателей в различных режимах. Разработаны принципы конструирования ВДК и вакуумных выключателей.
Первоначально в ВЭИ велись исследования и разработки по всем вопросам, касающимся вакуумных выключателей. Впоследствии ВЭИ сосредоточил свое внимание на контактных материалах, керамических изоляторах и ВДК. Разработкой керамических изоляторов и корпусов занимался отдел ВЭИ в г. Белая Церковь. Разработкой вакуумных выключателей и КРУ занялись СКБ Ровенского завода высоковольтной аппаратуры (РЗВА), научно-исследовательский институт НПО «Уралэлектротяжмаш», научно-исследовательский электромеханический институт Минусинского электротехнического комплекса (НПО «ЭЛКО») и др.
Контактные материалы (КМ) для ВДК должны удовлетворять комплексу требований. Наряду с обычными требованиями к КМ коммутационных аппаратов любых типов, такими как высокие электро- и теплопроводность, высокая электроэрозионная стойкость, механическая прочность, возникает ряд специфических требований, обусловленных работой контактов в вакууме. К числу таких требований относятся высокая отключающая способность, малая сила сварки при протекании через замкнутые контакты и при включении тока, высокая электрическая прочность межконтактных промежутков, малый ток среза, низкое газосодержание, высокая сорбционная способность паров КМ по отношению к остаточным газам, выделяющимся из контактов и других поверхностей ВДК при горении дуги.
Ни один из чистых металлов комплексу этих требований не удовлетворяет. Потребовалась разработка специальных КМ, заключавшаяся в выборе компонентов и оптимизации их состава, разработке технологии изготовления, в исследовании свойств КМ. Для исследования свойств использовались традиционные методы и были разработаны новые, связанные с работой КМ и ВДК. Всесторонние испытания КМ позволяли производить их отбор и сравнение.
Разработка КМ велась в двух направлениях: путем получения мнокомпонентных сплавов и создания металлокерамических композиций, изготавливаемых методами порошковой металлургии. От применения тугоплавких металлов вольфрама и молибдена в качестве основных компонентов КМ для ВДК с большими отключаемыми токами пришлось отказаться. За время горения дуги отключения такие контакты нагреваются до температур, достаточных для заметной термоэлектронной эмиссии, что ограничивает отключающую способность ВДК. Поэтому в качестве металлов, составляющих основу КМ, были выбраны медь, железо, хром, имеющие температуру кипения не выше 3000 °К. В качестве компонентов, снижающих силу сварки и ток среза, использовались висмут и сурьма. Причем предпочтение было отдано висмуту, так как он менее токсичен и практически не растворяется в меди, вследствие чего при малых добавках к меди ее электропроводность снижается очень мало. Вводились и другие добавки, улучшающие те или иные характеристики КМ.
Следует указать, что универсальный КМ, удовлетворяющий одновременно всем требованиям, не создан ни в РФ, ни за рубежом. Чаще всего введение какого-либо компонента одни параметры улучшает, другие ухудшает. Например, введение висмута уменьшает ток среза и силу сварки, но одновременно снижает электрическую прочность, а в больших количествах и отключающую способность. Другой пример - введение в КМ больших количеств железа или хрома на порядок увеличивает электроэрозионную стойкость, повышает отключаемый ток и электрическую прочность, но одновременно увеличивает удельное электрическое сопротивление и. следовательно, нагрев ВДК при протекании номинальных токов.
В результате был разработан и внедрен в серийное производство ряд КМ, применяющихся для разных ВДК. Первые два параметра измерялись традиционными методами, для измерения трех других были разработаны специальные методы.
Сила разрыва сварки определялась как сила, необходимая для размыкания контактов ВДК после протекания импульса асимметричного переменного тока промышленной частоты длительностью 3...5 полупериодов и наибольшей амплитудой 50...60 кА. При этом сила контактного нажатия была несколько ниже минимально необходимой для предотвращения отброса контактов электродинамическими силами. Для разных КМ эта сила составляла 1200... 1900 Н. В этих условиях в большинстве случаев в области амплитудного значения тока наблюдался отброс контактов длительностью 1...3 мс, после чего контакты вновь замыкались под действием контактного нажатия.
Ток среза определялся по осциллограммам тока как среднее арифметическое значение в 100 отключениях переменного токи 15 А при произвольной фазе размыкания контактов. При этом токе можно было с достаточной точностью измерить ток среза у КМ, имеющих разные токи среза.
Предельный ток отключения определялся при возвращающемся напряжении 10 кВ путем испытания ВДК с цилиндрическими контактами диаметром 28 мм при ходе подвижного контакта 4...5 мм. Ток отказа превышал предельный ток отключения на 10...20%.
Сплав медь-висмут-бор применяется для ВДК с номинальным током 3150 А, композиции железо-медь-висмут и железо-медь-сурьма предназначены для ВДК с большим ресурсом. Композиции хром-медь-вольфрам и хром-медь-вольфрам-висмут имеют большую электропроводность и обеспечивают меньшее переходное сопротивление, чем композиции на основе железа. Поэтому хромосодержащие композиции нашли применение в ВДК с номинальными токами 400...2500 А. Композиция хром-медь-вольфрам-висмут содержит меди больше, чем композиция хром- медь-вольфрам, поэтому она имеет большую электропроводность и обеспечивает меньшее переходное сопротивление. Увеличение содержания меди приводит к росту силы сварки. Введение в композицию висмута компенсирует этот отрицательный эффект. Уменьшение переходного сопротивления позволило применить композицию хром-медь-вольфрам-висмут в ВДК с номинальным током 3150 А.
Все КМ, за исключением материала железо-медь-сурьма, нашли применение в разработанных ВДК. Материал железо-медь-сурьма обладает малым током среза, высокими электроэрозионной стойкостью и электрической прочностью, но дает большое переходное сопротивление. Он пригоден для ВДК переключающих устройств трансформаторов с РПН. Но ВДК, применяемая в РПН, одновременно используется и в выключателях нагрузки с номинальным током 400 А, где требуется малое переходное сопротивление. Следует ожидать, что в дальнейшем железо-медь-сурьма найдет применение в ВДК для РПН. В ВЭИ разработан также легколетучий сплав для заполнения канавок тугоплавких контактов, применяемых в контакторных ВДК с коммутационным ресурсом при номинальном токе 106 операций «включено — отключено».
В результате этих исследований в ВЭИ разработаны ряд контактных материалов, серия керамических изоляторов, серия ВДК, первые в РФ вакуумные выключатели. С участием ВЭИ освоен серийный выпуск контактных материалов, керамических изоляторов, ВДК и ряда типов вакуумных выключателей на предприятиях РФ. На базе ВДК ВЭИ разработаны и серийно выпускаются вакуумные выключатели и КРУ разнообразных конструкций с широкой номенклатурой параметров, вакуумные контакторы, переключающие устройства РПН трансформаторов. Вакуумная коммутационная аппаратура применяется в угольной, металлургической, нефтегазовой, горнодобывающей промышленности, на железнодорожном транспорте, в энергетике, в сельском хозяйстве и других областях техники.
На сегодняшний день в РФ изготовлено и эксплуатируется около 500000 ВДК. Доля вакуумных выключателей, выпускаемых в РФ, по отношению к выключателям других типов составляет менее 5%. Следует ожидать в ближайшем будущем значительного ее увеличения.