6.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ДУ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ. ЭРОЗИЯ КОНТАКТОВ
Известно, что торцевые контакты обладают недостаточной динамической стойкостью. Применительно к вакуумным выключателям этот вопрос был дополнительно изучен. При больших токах возникают две причины отброса контактов — силы, вызванные суждением линий тока в контактах, и силы, возникающие в результате взрыва контактного мостика.
При протекании большого тока контактный мостик нагревается до высокой температуры и переходит в парообразное состояние.
Этот пар создает давление, которое отбрасывает контакты. Динамическая сила, отбрасывающая контакт за счет взрыва мостика, пропорциональна току 1 в первой степени. На подвижный контакт действует суммарная сила, обусловленная указанными выше двумя эффектами.
Для вольфрамовых контактов торцевого типа минимальный ток отброса I и сила нажатия Р связаны уравнением (62), полученным экспериментальным путем [63]:
(62)
Сила Р складывается из силы, создаваемой атмосферным давлением на сильфон, и силы, создаваемой дополнительной контактной пружиной (при больших токах). Из формулы (62) следует, что при токе отключения 40 кА минимальная сила нажатия должна быть равна 1520 Н, что является большой величиной Привод должен развивать эту силу при отключении.
Для того чтобы получить необходимую электродинамическую стойкость контактов, предложено большое число конструктивных решений. Основная идея сводится к тому, что создается многоточечный контакт. Ток, проходящий через одну контактную точку, резко сокращается и требуемая сила контактного нажатия также падает. Применение десяти контактных точек уменьшает силу нажатия в одной точке почти в 100 раз. Общая сила нажатия уменьшается в 10 раз Одна из таких контактных систем показана на рис. 63. Это так называемая «хризантемная» контактная система По существу это многоточечная торцевая розетка. Она имеет большое число торцевых контактов. В замкнутом состоянии ток проходит как по контактам а, так и по контактам б При отключении вначале размыкаются контакты б, а затем контакты а Токоведущие элементы контакта образуют контур, который создает магнитное поле, направленное по касательной окружности Это поле вызывает радиальную электромагнитную силу, перемещающую дугу с контакта а на контакт б. Быстрое перемещение дуги снижает температуру контактов и тем самым способствует увеличению тока отключения, уменьшает износ контактов.
Для одиночного торцевого контакта износ контактов, мм, за 104 коммутаций тока I, кА, выражается эмпирической формулой
Ресурс выключателя по износу контактов можно найти с помощью уравнения
где Δlдоп — допустимый износ контактов, мм.
Широкое применение получила контактная система, показанная на рис. 6.5 для выключателя (см. рис. 6.8). Во включенном положении касание происходит по шести выступам торцевой розетки. Диаметр этих выступов больше диаметра токоподводящих стержней.
Рис. 65. Контактная система ДУ (см. рис 68) после испытаний.
При размыкании контактов на возникшую дугу действует магнитное поле, создаваемое П-образным контуром. Радиальная сила перемещает дугу на спирали Быстрое перемещение дуги по поверхности контакта обеспечивает его равномерную эрозию. Такая контактная система обеспечивает отключение тока около 25 кА Многоточечная торцевая розетка, показанная на рис 63, имеет длительный ток 1250 А и номинальный ток отключения 10 кА
Отключающая способность выключателя зависит от скорости перемещения дуги по электродам, а последняя в значительной степени определяется магнитным полем, действующим на дугу Для исследования магнитного поля используются макеты, где дуга заменяется перемычкой круглого сечения По макету пропускается переменный ток Индукция измеряется с помощью датчика в виде катушки, ЭДС которой пропорциональна индукции в точке, где она расположена На основании исследований было установлено, что при воздействии на вакуумную дугу магнитным полем уменьшается размер оплавленных участков на контактах, снижается скорость их разрушения, уменьшается время горения дуги и увеличивается номинальный ток отключения.
Рис. 6.6. Контактная система вакуумного ДУ с продольным магнитным полем
Исследования, проведенные в Японии [6.5], показали, что в выключателях на большие токи отключения (100 кА и выше) решающую роль играет создание магнитного поля, параллельного дуге. Это поле воздействует на электроны дуги, они закручиваются магнитным полем и создается так называемая диффузионная форма дуги, при которой катодные пятна равномерно расположены по контактной поверхности. Множество дуг горит параллельно друг другу. В такой дуге резко ограничивается напряжение на дуге (до 20 В) даже при токах 100—200 кА. Это дает возможность создать выключатели на очень большие токи отключения (более 200 кА), так как напряжение на дуге от тока не зависит и энергия, выделяемая дугой, не достигает больших значений.
На рис. 6.6 показан эскиз контактной системы выключателя на напряжение 13,8 кВ, номинальный ток 3 кА и ток отключения 100 кА.
Ток от стержня 1 сначала идет в радиальном направлении, а потом по проводнику 2 в виде дуги окружности (токи i1—i4). При этом создается продольное (осевое) магнитное поле, показанное крестиками и точками. В конце дуги окружности 2 расположен торцевой контакт 3, через который ток проходит из нижнего контакта в верхний. Контакт имеет всего четыре точки перехода. Общая сила нажатия всего контакта достигает 12 000 Н. По сравнению с воздушным выключателем на такие же параметры вакуумный выключатель имеет меньшую массу (на 47 %) и меньший объем (на 46 %). Объем шкафа КРУ уменьшается на 42 %, а площадь— до 70 %. Вакуумный выключатель допускает 20 000 циклов включения — отключения при номинальном токе, а воздушный без замены контактов — только 500.
