Методические указания. В вакуумных выключателях дуга тока отключения гасится в вакууме

В вакуумных выключателях дуга тока отключения гасится в вакууме. В выключателях реализуются два важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла при небольших размерах промежутка) и высокая отключающая способность.

В глубоком вакууме дугогасительной камеры (10^-3 – 10^-4Па) длины свободных пробегов молекул и электронов составляют десятки и сотни метров, т.е. во много раз больше, чем расстояния между контактами выключателя. Поэтому ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует. Заряженные частицы при разомкнутых контактах появляются в результате ионизации молекул газа, находящегося на поверхности контактов и других частей вакуумной камеры или растворенного в этих элементах.

Электрический разряд в вакуумном промежутке происходит при размыкании контактов, когда количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет. В результате этого на завершающей стадии размыкания контактов происходит плавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию.

При сравнительно небольших токах дуга горит с катодных пятен, количество которых увеличивается по мере роста тока, дуговой разряд равномерно распределяется в пространстве между контактами. Это диффузная форма дуги. При дальнейшем увеличении тока (примерно с 10 кА) она начинает стягиваться в шнур (контрагировать) с образованием анодного пятна, в котором происходит разогрев и плавление металла. В этой фазе характеристики дуги приближаются к характеристикам дуги в воздухе, напряжение на дуге и выделяемая энергия увеличиваются. Контрагирование дуги и повышение давления паров металла ведет к снижению восстанавливающейся электрической прочности и увеличению постоянной времени распада дуги.

Рис. 2.3 Изменение диаметра (D) дугового разряда за полупериод тока отключения (i) при изменении формы горения дуги: К— контрагирование дугового разряда: Д— диффузная форма горения дуги

Пары металла разлетаются во все стороны, осаждаясь на элементах дугогасительной камеры. При уменьшении тока дуга переходит в диффузную форму, анодное пятно может остыть, давление паров благодаря интенсивной диффузии уменьшается, и цепь может быть отключена. На рис. 2.3показано изменение диаметра дугового разряда за полупериод тока отключения при изменении формы горения дуги.

Вакуумные выключатели характеризуются самой высокой скоростью восстановления электрической прочности межконтактного промежутка (5-10 кВ/мкс). Увеличение этой скорости происходит, когда контакты выполнены из тугоплавкого материала (Mo, W, Te, Cr) и обеспечивается хороший теплоотвод.

Ход подвижных контактов в современных выключателях сравнительно невелик (около 10 мм) благодаря высокой электрической прочности небольших вакуумных промежутков.

В настоящее время в вакуумных выключателях для обеспечения необходимых уровней тока отключения применяют магнитные поля: поперечное и продольное. Размеры контактов также влияют на ток отключения.

Поперечное магнитное поле вынуждает дугу вращаться по периметру контактов, отдаваемая энергия дуги при этом распределяется по всей поверхности контактов. Продольное магнитное поле переводит дуговой разряд в диффузную форму - электроны и ионы улавливаются магнитным полем и двигаются по винтовым линиям от одного контакта к другому, при этом уменьшается плотность тока и падение напряжения на дуге и тем самым уменьшается энерговыделение в дуге. Магнитные поля создаются с помощью постоянных магнитов, катушек с отключаемым током и специальной формой контактов.

В выключателях переменного тока более высокие токи отключения обеспечивают продольные магнитные поля (рис.2.4).

Рис. 2.4. Оптимальные значения магнитного поля при отключении тока

Оптимальное значение продольного магнитного поля лежит в пределах 0,1 - 0,2 Тл и зависит от отключаемого тока и материала контактов. Чем выше отключаемый ток и температура кипения материала контактов, тем выше требуемая напряженность магнитного поля. Следует заметить, что в высоких продольных магнитных полях (выше 1 Тл) электрическая прочность вакуумных промежутков падает в несколько раз, а в поперечных, наоборот, возрастает.

Пример контактной системы, создающей поперечное магнитное поле, показан на рис.2.5,а. Торцевые контакты имеют серповидные лепестки, направленные в одну сторону. При выбросе дуги под действием электродинамической силы на край контактов возникает поперечное поле вблизи дуги. Дуга начинает вращаться по периметру контактов, перескакивая с одного лепестка на другой.

Продольное магнитное поле создается в системе контактов, показанных на рис.2.5,б. Здесь ток с радиальных перемычек переходит на круговые перемычки, а затем на экранирующую пластину. Аналогичный путь ток проходит на другом контакте. Благодаря кольцевым перемычкам создается продольное магнитное поле. Пластина служит для уменьшения напряженностей электрического поля на поверхности контактов. С контактной системой такого рода были получены токи отключения до 200 кА.

Размещение катушки с током вне дугогасительной камеры упрощает конструкцию контактов и уменьшает тепловыделение в камере, хотя и усложняет конструкцию токоввода камеры (рис.2.6).

Рис. 2.5. Конструкции контактов дугогасительных камер: а - с поперечным магнитным полем; б - с продольным магнитным полем

Характеристики вакуумных выключателей во многом определяются работой контактной системы. При коммутациях происходит эрозия контактных поверхностей. Она тем больше, чем больше отключаемый ток и длительность горения дуги, ниже температура плавления материала контактов и хуже теплоотвод.

К материалам контактов предъявляется большое число требований: малая склонность к свариванию, низкая дуговая эрозия, сохранение гладкой поверхности, высокая механическая прочность, высокая электро- и теплопроводность, малое контактное сопротивление, малый ток среза, низкое газосодержание, высокая электрическая прочность. Некоторые из приведенных требований противоречивы, поэтому выбор материала для контактов является компромиссным решением.

Рис. 2.6. Дугогасительная камера с внешним магнитным полем: 1 - неподвижный контакт; 2 - внешний виток для создания продольного магнитного поля; 3 - изоляционный керамический корпус; 4 - защитный экран; 5 - сильфон; 6 - фланец; 7 - направляющее устройство подвижного контакта; 8 - токоввод подвижного контакта

Применяемые материалы для контактов можно разделить на следующие три группы.

1. Сплавы, например CuBi, CuTe.

2. Металлокерамика - W или Mo + Cu или Ag для контактов с большим числом коммутаций небольших токов. Для выключателей с большим током отключения и высокими номинальными напряжениями применяют композицию Cu+Cr.

3. Комбинации материалов для выполнения разных функций: например, основу контакта делают из дугостойкого молибдена, в канавках которого находится материал с высоким давлением паров для снижения тока среза, например медь.

Привод вакуумных выключателей благодаря малому ходу контактов сравнительно легок, компактен и потребляет мало энергии. При этом он должен обеспечить высокую скорость движения подвижного контакта как при отключении, так и при включении и не допускать "дребезга " контактов.

В течение всего срока службы выключателя должен быть обеспечен высокий уровень вакуума. Практически дугогасительная камера должна быть абсолютно герметичной, поэтому для соединений элементов камеры применяется только сварка или пайка твердым припоем, всякие уплотнения исключены. Чтобы удалить газ с поверхностей внутри вакуумной камеры, она подвергается длительной дегазации в вакууме при температуре в несколько сотен градусов Цельсия и безмасляной откачке. Применяются также тренирующие отключения тока. Для удаления появляющихся газообразных веществ размещают специальные адсорбенты внутри дугогасительной камеры.

Удельная электрическая прочность вакуумных промежутков с увеличением промежутка между контактами снижается (рис.2.7). Это обстоятельство ограничивает возможность создания вакуумных выключателей с одним разрывом на высокие напряжения. Для высоких номинальных напряжений необходимо непропорционально увеличивать ход подвижного контакта и, следовательно, применять сильфоны повышенной длины, что ведет к преждевременному износу крайних частей сильфона. Поэтому оптимальная область применения вакуумных выключателей ограничивается напряжением 35 кВ.

Рис. 2.7. Электрическая прочность вакуумных и элегазовых промежутков при изменении расстояния между контактами: 1 - элегаз. Р = 0,2 МПа; 2 – вакуум

Преимуществами вакуумных выключателей являются малые габариты и масса, большой коммутационный ресурс без необходимости обслуживания контактной системы в процессе эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасность.

Существенным недостатком являются перенапряжения, возникающие при отключении цепи, - высокая отключающая способность приводит к преждевременному срезу тока. Поэтому может потребоваться специальная установка ограничителей перенапряжений. В диапазоне средних напряжений вакуумные и элегазовые выключатели находятся в сильной конкуренции.

Вакуумные выключатели используются в распределительных устройствах общепромышленного назначения, в системах собственных нужд электростанций, в передвижных электроустановках. Они могут работать в условиях умеренного, холодного и тропического климата при температурах от - 60 до +55 °С, в среде, не содержащей агрессивных паров, не насыщенной водяными парами и токопроводящей пылью.

Вакуумные дугогасительные камеры не подлежат ремонту - при любой неполадке камеру необходимо менять.

Лучшие серийные образцы вакуумных выключателей имеют, например, следующие параметры: I_откл= 100 кА; U_ном = 13,8 кВ; I_ном= 3000 А или I_откл=25 кА; U_ном= 85 кВ; I_ном= 1250 А.

Контактная система выключателя определяет его исправную работу в продолжительном режиме под нагрузкой и при выполнении коммутаций. Во включенном положении температура контактов не должна выходить за установленные пределы. Во время коммутаций поверхности контактов подвержены воздействию разряда, при этом происходит разрушение - эрозия контактов.

В процессе эксплуатации необходимо контролировать состояние контактов. В вакуумных выключателях непосредственного доступа к контактам нет - их нельзя осмотреть, произвести ремонт или заменить изношенные детали. Распространенным способом оценки исправного состояния контактов является измерение увеличения хода подвижного контакта. При увеличении хода контакта больше установленного (до 2-4 мм) считается, что выключатель исчерпал свой коммутационный ресурс.

Другой метод определения исправного состояния контактов состоит в контроле переходного сопротивления контактов. Для этих целей используют специальный микроомметр или схему амперметр-микровольтметр, пропуская через выключатель ток, равный 100 А или более. Последний метод используют в испытательных лабораториях, когда переходное сопротивление достаточно мало, что характерно для выключателей с большим номинальным током.