Вакуумные выключатели работают при разрежении воздушной среды до 104 Па в дугогасительной камере. При таком низком давлении электрическая прочность среды достигает 100 МВ/м (100 кВ/мм). Такая высокая электрическая прочность среды объясняется тем, что вакуум не может быть ионизирован.
При расхождении контактов в вакууме в последний момент соприкосновения их друг с другом они расплавляются и в этом месте образуется жидкометаллический мостик. Мостик нагревается настолько, что полностью испаряется. Электропроводность паров металла обусловливает возникновение вакуумной дуги. Ее особенность состоит в очень высокой скорости диффузии заряженных частиц дуги в окружающий вакуум. В результате вакуумная дуга истощается и гаснет при первом же нулевом значении тока.
Контакты в вакууме работают в тяжелых тепловых условиях. Поэтому в качестве материала контактов применяют вольфрам, износоустойчивый и не склонный к свариванию. Кроме того, вольфрам выгоден потому, что уменьшает число заряженных частиц в дуге за счет большой работы выхода электронов с его поверхности.
Рис. 112. Камера вакуумного выключателя:
1 — неподвижный контакт, 2, 4 — экраны, 3 — изоляционный корпус, 5 — вольфрамовый наконечник, 6 — сильфон, 7 — подвижный контакт
Дугогасительная вакуумная камера КВД-21 конструкции ВЭИ монтируется в полом керамическом цилиндре 3 (рис. 112). Неподвижный контакт 1 жестко закреплен. Ход контакта 7 до 5 мм достигается соединением его с торцом камеры с помощью стального тонкостенного гармоникообразного элемента — сильфона 6. Нажатие контактов создается атмосферным давлением. Оба торцовых контакта оборудованы вольфрамовыми наконечниками 5. Экран 4 препятствует осаждению паров вольфрама на стенках цилиндра, поэтому он не перекрывается дугой. Экраны 2 укорачивают электрическое поле, сводя его к двум промежуткам 2—4. Они настолько коротки, что заряженные частицы не могут разогнаться на них до высоких скоростей и произвести ионизацию внутри камеры. Камера КВ Д-21 изготовляется на длительный ток 320 А, номинальное напряжение 20 кВ и ток отключения 2000 А. На базе этой камеры отечественной промышленностью выпускаются выключатели нагрузки, в частности для комплектных распределительных устройств.
Недостатком вакуумного выключателя является трудность его создания на большие токи; достоинство его состоит в большом числе допустимых циклов отключения.
Полюса выключателя состоят из главных 1, 2 и дугогасительных 3, 11 контактов. Неподвижный контакт 3 покрыт фторопластом 4 для фиксации конца дуги. На контактном рычаге подвижных контактов жестко укреплен цилиндр воздушного дутья 16. В цилиндре расположен поршень, шток 21 которого шарнирно связан с изоляционным основанием оси рычага. При отключении аппарата поршни сжимают воздух в цилиндрах, выбрасывая его в зону дуги. В результате этого дуга перемещается внутрь решетки 8 с узкими щелями при малых токах отключения, когда электродинамические силы, действующие на дугу, недостаточны. Это способствует надежному гашению дуги.
Рис. 113. Принципиальная схема устройства электромагнитного выключателя:
1, 2 — главные контакты, 3, 11 — дугогасительные контакты, 4 — покрытие из фторопласта, 5 —катушка магнитного дутья, 6 — сердечник катушки, 7, 10 — дугогасительные рога, 8 —дугогасительная камера, 9 — полюсный наконечник, 12 — шина
Рис. 114. Электромагнитный выключатель серии ВЭМ на выкатной тележке КРУ (позиции от 1 до 12 соответствуют рис. 113):
15 — буферная пружина, 14 — отключающая пружина, 15 — вал, 16 — цилиндр воздушного дутья, 17 — диамагнитная накладка, 18 — дверца, 19 — проходной изолятор, 20 — опорный изолятор, 21—шток поршня, 22 — изолирующая тяга, 23 — диэлектрическая стойка
Подвижные контакты связаны с валом 15 привода изолирующей тягой 22. Привод имеет отключающие 14 и буферные 13 пружины. Катушка 5 магнитного дутья одним концом присоединена к неподвижным контактам, а другим — к одному из дугогасительных рогов 7 так, что в нормальном режиме работы через катушку ток не протекает. Второй дугогасительный рог 10 постоянно присоединен к подвижным контактам шиной 12. Сердечник 6, полюсные наконечники 9 катушки магнитного дутья и замыкающая диамагнитная накладка 17 охватывают и удерживают дугогасительную камеру 8. Они крепятся к раме опорными изоляторами 20.
Дугогасительная камера состоит из тонких керамических пластин из кордиерита, отличающегося высокими дугостойкостью, теплопроводностью, теплоемкостью, электрической и механической прочностью. Пластины собраны в пакет на асбестовых прокладках. Фигурные вырезы в пластинах обеспечивают удлинение дуги, а также искривление ее ствола. Сопротивление такой дуги во много раз превышает сопротивление цепи короткого замыкания. Поэтому дуга понижает ток короткого замыкания. Кроме того, уменьшается угол сдвига фаз между эдс системы и током в момент гашения дуги. Все это способствует эффективному гашению дуги.
В начальный момент гашения дуга занимает положение А (см. рис. 113). Электродинамические силы контура тока и воздушная струя поршневого устройства выталкивают дугу вверх. Дуга в виде петли касается рога 7, распадаясь на нижнюю 3—7 и верхнюю 7—11 ветви (положение Б). Длина нижней ветви определяется положением фторопластового покрытия 4. Эта ветвь шунтирована катушкой магнитного дутья, сопротивление которой невелико. Напряжение на этом участке дуги оказывается недостаточным для ее существования, и она гаснет. Весь ток дуги переключается в катушку, которая создает сильное поперечное магнитное поле между полюсными наконечниками 9. Взаимодействие поля с током дуги создает силу, отбрасывающую дугу в решетку со скоростью около 100 м/с. При проходе подвижного контакта мимо рога 10 дуга перебрасывается на него (положение В) и по обоим рогам поднимается вверх, углубляясь в решетку (положение Г). Там она гаснет при первом проходе тока через нулевое значение (положение Д).
Достоинствами электромагнитных выключателей являются большое число отключений без ревизии, взрыво- и пожаробезопасность, отсутствие потребности в сжатом воздухе и масле.
К недостаткам выключателя следует отнести большие габариты дугогасительного устройства.
Отечественная промышленность выпускает серийно электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10 на номинальные токи до 3200 А и токи отключения до 40 кА. Работоспособность выключателей без ревизии составляет до 10000 рабочих циклов.
Хорошая работа выключателей при большой частоте рабочих циклов обусловила их широкое применение в электропечных установках, а также в шахтных установках благодаря их взрыво- и пожаробезопасности.
При установке в КРУ выключатели монтируют на тележке с катками и втычными разъединителями; токопроводящие части закрывают дверцами.
