Конструкция и размеры контактной системы дугогасительного устройства зависят от требуемой пропускной способности по номинальному току и от токов короткого замыкания. Суммарная площадь поверхности контактов, подверженная воздействию электрической дуги, должна быть достаточно большой, чтобы они были в состоянии противостоять чрезмерному нагреву. Однако во избежание недопустимого превышения температуры токоведущих деталей при длительном протекании нагрузочного тока контакты камеры во включенном положении должны образовывать достаточно много контактных площадок с большой суммарной площадью соприкосновения (последняя зависит от твердости материала и сжимающего усилия), что необходимо для эффективного теплоотвода от этих площадок в подобном режиме.
Работоспособность вакуумных дугогасительных камер в значительной мере зависит от материала и конструкции контактов, условия работы которых в вакууме отличаются от условий в других средах. В вакууме практически отсутствуют оксидные пленки на контактных поверхностях, резко возрастает склонность металлов к свариванию и трению, не допускается образование металлических частиц. Вследствие этого в ВДК применяют контакты торцевого типа. Контактное нажатие создается пружинами, расположенными вне камеры, а также за счет разности давлений, воздействующих с двух сторон на сильфон (собственное контактное нажатие). При наибольших пиках сквозного тока 40 — 100 кА усилия контактных пружин выбирают в пределах 1000 — 4000 Н.
При отключаемых токах до 10 кА используются простые дисковые контакты. При больших токах для уменьшения оплавления контактов дугу заставляют вращаться по поверхности контактов под действием собственного поперечного магнитного поля. С этой целью по внешнему краю контактов делают косые или спиральные прорези. Такая конструкция широко распространена при отключении токов до 25 — 30 кА.
Для отключения токов свыше 40 кА применяют контакты, в которых используется продольное магнитное поле, создаваемое отключаемым током. В этих контактах ток, протекающий по центральному токопроводу, поступает на четыре планки, сдвинутые на угол 90° и имеющие продолжение в виде четверти дуги окружности, играющие роль катушки с одним витком, который обтекается 25% отключаемого тока. Затем токи переходят на контактную часть, осуществляющую касание контактов.
Материал для контактов вакуумных дугогасительных камер должен удовлетворять целому ряду требований и обеспечивать:
малое удельное сопротивление для уменьшения тепловыделения при протекании токов нагрузки;
газопоглощение для геттерирования остаточного тока; небольшое усилие отрыва при сваривании контактов; малые токи среза во избежание появления высоких коммутационных перенапряжений;
малый износ при отключении токов нагрузки и токов КЗ; необходимую отключающую способность; соответствующую включающую способность при токах КЗ; электрическую прочность межконтактного промежутка (особенно после коммутирования токов).
Температура кипения всех компонентов композиционного материала должна быть менее 3500 К (для обеспечения высокой отключающей способности).
Твердость по Бринеллю должна быть не менее 1000 МПа, и не должны образовываться микроострия (для обеспечения высокой электрической прочности межконтактного промежутка).
Материал должен содержать определенное количество такого компонента с высокой электрической проводимостью,- который не образует с другими компонентами растворов и химических соединений (для обеспечения низкого переходного сопротивления).
Материал должен содержать хрупкие компоненты, снижающие прочность сварного соединения (для обеспечения высокой стойкости к свариванию).
Материал (для обеспечения высокой эрозионной стойкости) должен состоять из компонентов, у которых коэффициенты аккумуляции теплоты Ка различаются не менее чем в 2 раза.
В контактный материал (для обеспечения низкого значения тока среза) должен входить компонент, имеющий низкое значение критерия срезающей способности.
Однокомпонентные контактные материалы не позволяют выполнить весь комплекс требований и поэтому не применяются. Преобладающая часть используемых и запатентованных контактных материалов являются трехкомпонентными сплавами и композиционными материалами, полученными путем спекания и пропитки. Многие из этих материалов весьма схожи по составу, но различаются количественным содержанием элементов и технологией изготовления.
В вакуумных выключателях дуга горит в парах контактного материала, вследствие чего на ее характеристики влияют свойства контактного материала. Тугоплавкие контактные материалы (типа вольфрама) обладают высокой дугостойкостыо, однако имеют высокое значение тока среза, что является причиной возникновения перенапряжений. Для уменьшения тока среза разработаны специальные композиции, не образующие твердых растворов с основными компонентами. Методы порошковой металлургии с использованием вакуумной технологии позволяют создать композиции с заранее заданными характеристиками.
Наибольшее применение в качестве контактных материалов в ВДК нашли медно-висмутовые, медно-хромовые и медно-бериллиевые композиции. Причем исследованиями установлено, что коммутационные характеристики вакуумных дугогасительных камер, например, с медно-хромовыми композиционными контактами, зависят не только от количественного содержания компонентов, но и от размеров зерен порошка хрома, спекаемого с медной матрицей методом порошковой металлургии. При повышении содержания хрома значительно уменьшаются опасные перенапряжения, обусловленные срезом отключаемого тока, а увеличение размера зерен хрома влечет за собой ухудшение свариваемости контактов, но одновременно приводит к снижению электрической прочности межконтактного промежутка в отключенном положении.
Простые торцевые контакты имеют верхний предел по отключающей способности в диапазоне токов отключения 10 — 17 кА в зависимости от материала контактов.
Ресурс (допустимое число отключений) контактов ВДК можно определить, пользуясь известными формулами для расчета дуговой эрозии контактов. Так, ресурс контактов ВДК при номинальном токе 1000 А и номинальном напряжении 10 кВ может быть определен по эмпирической формуле:
где Д 1дОП — допустимый износ контактов, мм (пользуясь опытными данными, его можно, принять равным 3 мм ).Тогда ресурс ВДК Ng = 4,2 * 104.
Рис. 1. Конструкция контактов ВДК с поперечным (а, б), продольным (в) магнитным полем и с искусственно увеличенной рабочей поверхностью (г): 1 — контактная поверхность: 2 — стенка контакта: 3 — наклонный радиальный канат 4 — выступ; 5 — контактирующий элемент: 6 — лепестковый дугогасительный электрод; 7 — дисковый контакт; 8 — дуга; 9 — токоведущий радиальный стержень: 10 — токоведущий обвод (путь тока указан стрелками); 11 — выступ на спицах, через который передается ток на дисковый контакт; 12 — контакт с ламельными пластинами; 13 — ламели; 14 — осевой канал
В ВДК на номинальное напряжение 10 кВ и номинальные токи отключения до 31,5 кА применяются контакты с поперечным (по отношению к дуге) магнитным полем (рис. 1 а, б) с максимальной магнитной индукцией 1,5-10"2 Тл. В результате быстрого перемещения дуги повышаются эффективность дугогашения и ресурс контактов. В ВДК на более высокие напряжения и токи отключения применяют контакты с продольным магнитным полем (рис. 1, в).
Из рис. 2 видно, что при продольном магнитном дутье отключаемые токи повышаются до 100 кА и более (кривая 2), в то время как при поперечном магнитном дутье отключаемые токи не превышают 50 кА (кривая 2).
Рис. 2. Зависимости отключающей способности ВДК от диметра контактов:
1 — контакты с продольным магнитным полем; 2 — контакты со спиральными прорезями
Повысить отключающую способность можно конструктивными мерами, увеличивая рабочую поверхность контактов (рис. 1, г). В трубчатом контакте радиально расположены ламели (тонкие медные пластины), образующие осевой канал. При размыкании контактов плазменное облако проникает в пространство между ламелями, вследствие чего сохраняется диффузная форма дуги. При этом эффективная площадь контактов увеличивается на порядок по сравнению со сплошными контактами, а граничный ток, при котором дуга переходит из диффузной формы в сжатую, повышается от 5 до 30 кА. Выделяемая в дуге энергия вдвое меньше, чем при сплошных контактах, а дуговая эрозия уменьшается в 50 раз.
