ГЛАВА ШЕСТАЯ
ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в глубоком вакууме. Прекрасные дугогасящие свойства этой среды позволили создать выключатели на напряжение 6— 35 кВ, которые благодаря своим преимуществам вытесняют воздушные, масляные, электромагнитные выключатели.
Преимущества вакуумных выключателей:
- отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды, компрессорных установок и масляного хозяйства;
- высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ;
- минимум обслуживания, снижение эксплуатационных затрат (почти в 2 раза по сравнению с существующими). Срок службы 25 лет;
- быстрое восстановление электрической прочности (10+50) ·103 В/мкс;
- полная взрыво- и пожаробезопасность;
- надежная работа в случае, когда в процессе отключения малого тока в цепи возникает ток КЗ (ДУ масляных выключателей обычно разрываются);
- широкий диапазон температур окружающей среды, в котором возможна работа ВДК (от —70 до +200°C);
- повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам;
- произвольное рабочее положение вакуумного ДУ;
- бесшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ;
- отсутствие загрязнения окружающей среды;
- сравнительно малые массы и габаритные размеры и небольшие динамические нагрузки на конструкцию и фундамент;
- высокое быстродействие;
- возможность организации высокоавтоматизированного производства.
Недостатками вакуумных выключателей являются:
- трудности разработки и изготовления, связанные с созданием специальных контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума;
- большие капитальные вложения, необходимые для наладки массового производства.
При массовом производстве стоимость вакуумных выключателей всего на 5—15 % больше стоимости маломасляных и меньше стоимости электромагнитных.
Большая экономия при эксплуатации делает эти выключатели высокоэффективными, что обусловливает их все более широкое распространение (в Японии 50 % всех выключателей вакуумные) .
Разрез ДУ вакуумного выключателя представлен на рис. 6.1. В цилиндрическом сосуде 1 из изоляционного материала расположен неподвижный контакт 2, укрепленный в металлическом фланце 3, герметически соединенном с цилиндром 1.
Рис. 6.2. Зависимость разрядного напряжения Up от расстояния между контактами для различных сред:
1 —вакуум; 2 — масло; 3 — фарфор; 4 —элегаз; 5 — воздух
Там же находится подвижный контакт 4, соединенный с фланцем 5 с помощью сильфона 6. Сильфон представляет собой цилиндрическую гармонику, выполненную из нержавеющей стали. Она имеет достаточную механическую прочность и позволяет подвижному контакту, связанному с ним, иметь перемещение до 20 мм. Из ДУ выкачан воздух. В современных выключателях давление внутри ДУ равно 1,33(10-4-10-6) Па (10-6—10-8 мм рт. ст.).
Нажатие подвижного контакта на неподвижный создается за счет атмосферного давления. При больших номинальных токах ставится дополнительная контактная пружина. При расхождении контактов вначале образуется жидкий металлический мостик из материала электродов. Этот мостик быстро нагревается до высокой температуры благодаря высокой плотности тока в нем и резкому возрастанию удельного сопротивления материала в расплавленном состоянии. Затем мостик испаряется и появляется дуга, которая горит в среде паров металла электродов. Такая дуга называется вакуумной. Характерной особенностью ее является малое напряжение 20—40 В. Только при больших токах (10— 100 кА) напряжение возрастает до 50—200 В.
При прохождении тока через нуль дуга гаснет. Малая плотность газа в ДУ обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разницы плотностей частиц в погасшей дуге и окружающем пространстве — вакууме.
После прохождения тока через нуль за время 10 мкс между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. В равномерном поле эта прочность достигает 105 В/мм. На рис. 6.2 показана зависимость разрядного напряжения от расстояния между контактами для различных сред. Благодаря высокой скорости нарастания электрической прочности промежутка вакуумное ДУ нечувствительно к высокой скорости восстановления напряжения сети и может работать в самых тяжелых условиях восстановления напряжения.
Для защиты стенок изоляционного корпуса 1 (см. рис. 6.1) от паров металла электродов служат экраны 7 и 8. При отсутствии экранов пары металла электродов осаждаются на поверхности цилиндра 1, что впоследствии приводит к перекрытию изоляции между контактами 2 и 4. Экраны служат также для выравнивания электрического поля между контактами, что повышает надежность работы аппарата.
