В первых образцах вакуумных ДУ внутри камеры находились только контакты. Пары металла электродов, испаряемые при отключении, осаждались на внутренней поверхности изоляционного корпуса ДУ. Происходило перекрытие изоляции аппарата. В связи с этим были введены металлические экраны. На рис. 6.1 представлено одно из первых отечественных ДУ КДВ-5 на напряжение 10 кВ.
Рис. 6.7. ДУ с тремя экранами:
а — распределение емкостей внутри камеры; б — схема замещения
Экраны надежно защищали корпус от паров металла, но распределение напряжения внутри камеры было недостаточно равномерным и имелись случаи пробоев внутри ДУ после того, как процесс дугогашения уже заканчивался [6.4]. В связи с этим были проведены исследование и разработка экранов, позволяющих выравнять напряженность электрического поля в ДУ. Электрическая прочность между контактами дугогасительного устройства аппарата в начале с ростом расстояния увеличивается, а потом растет незначительно из-за неоднородности поля. Поэтому повышение электрической прочности ДУ достигается не за счет увеличения расстояния между электродами, а за счет выравнивания электрического поля. Это позволило поднять номинальное напряжение ДУ до 35 кВ. На рис. 6.7, а показано ДУ с тремя экранами, один из которых изолирован, два других соединены с контактами. Для расчета распределения напряжения между экранами составляется схема замещения (рис. 6.7, б).
Применение экранов позволяет сократить осевую длину ДУ и получить электрическую прочность, соответствующую требованиям стандартов. Разработаны опытные образцы ДУ с номинальным напряжением 50 кВ.
Так как вакуумные ДУ имеют высокую электрическую прочность, они применяются при отключении емкостной нагрузки и ненагруженных линий. Однако при отключении малых токов линии могут появиться повторные пробои. Причиной этих пробоев является образование микроскопических острий на поверхности контактов в месте их холодной сварки друг с другом. Дело в том, что при ударе контактов друг о друга благодаря высокой чистоте контактных поверхностей и наличию большой силы контактного нажатия наблюдается холодное сваривание поверхностей. При отключении ДУ место сваривания разрушается и там образуются острые микровыступы, которые создают высокую напряженность электрического поля. Возникает пробой. При отключении больших токов эти острия оплавляются и электрическая прочность резко возрастает. Устранение повторных пробоев при отключении холостых линий является сложной проблемой, но по всей видимости ее решение будет достигнуто путем применения материала, не образующего микроострий при отключении малых токов.
В выключателях с номинальным напряжением 110 кВ и выше применяются несколько ДУ, включенных последовательно. Для равномерного распределения напряжения между ДУ необходимо устанавливать емкостные делители. Ввиду высокого вакуума разлет плазмы дуги происходит очень быстро (менее 10-5 с) и остаточные токи получаются значительно менее 1 А при отключении тока 10 кА. Собственная емкость ДУ напряжением 50 кВ примерно равна 20—40 пФ. Как показали расчеты, емкость делителя, шунтирующая ДУ, не превышает 200 пФ. При этом обеспечивается необходимая равномерность распределения напряжения как в статическом режиме, так и в момент восстановления напряжения при отключении тока КЗ. При разработке такого выключателя на напряжение 110 кВ и номинальный ток 1600 А и ток отключения 20 кА предполагается использовать четыре ДУ. Такое число ДУ выбирается из условия отключения ненагруженных линий, при котором обнаруживается малая скорость восстановления прочности. Во всех других режимах работы имеется значительный запас по электрической прочности. Габаритные размеры такого выключателя получаются примерно такие, как у воздушного и элегазового выключателей. Применение большого числа надежно работающих ДУ значительно повышает общую надежность выключателя в целом.
По данным фирмы «Дженерал Электрик» проектируется выключатель напряжением 242 кВ с пятью ДУ на полюс и током отключения 40 кА. Компоновка выключателя такая же, как у баковых элегазовых выключателей. В Японии построен и введен в эксплуатацию вакуумный выключатель на напряжение 160 кВ, ток отключения 40 кД, имеющий всего два разрыва на полюс.
