Электромагнитные выключатели

Электромагнитные выключатели занимают особое место среди других выключателей переменного тока. Область их применения ограничена напряжением 10-15 кВ. Действие выключателя основано не на газовом дутье. Дуга, образующаяся на контактах, втягивается магнитным полем в гасительную камеру. Последняя состоит из ряда керамических дугостойких, инертных (в отношении выделения газа) пластин с V-образными вырезами, разделенных небольшими воздушными промежутками. Благодаря этому длина дуги значительно увеличивается (до 1-2 м), а сечение ее в узких вырезах пластин вынужденно уменьшается.

Дуга приходит в тесное соприкосновение с холодными поверхностями пластин, обладающих высокой теплопроводностью. Это ведет к увеличению потерь энергии и градиента напряжения. Сопротивление дуги быстро увеличивается, а ток уменьшается до тех пор, пока дуга не погаснет. Типичная осциллограмма тока и напряжения при отключении короткозамкнутой цепи электромагнитным выключателем приведена на рис.1,а. Она существенно отличается от соответствующих диаграмм для масляных и воздушных выключателей.

Рис.1. Принцип действия электромагнитного выключателя:
а - изменение тока и напряжения в процессе отключения;
б - движение электронов в электрическом и магнитном полях

Падение напряжения в дуге здесь значительно больше. В масляных и воздушных выключателях сопротивление дугового промежутка и его влияние на ток проявляются лишь в течение последних нескольких десятков микросекунд, предшествующих угасанию дуги. В электромагнитных выключателях резкое увеличение сопротивления дуги вследствие ее значительной длины является основным условием успешного отключения. Ток стремится к нулю. При этом сдвиг фазы тока по отношению к напряжению уменьшается.

Движение дуги в электромагнитном выключателе и ее удлинение происходят под действием магнитного ноля, направленного перпендикулярно направлению тока. Это явление принято объяснять упрощенно, рассматривая дуговой столб как металлический проводник с током. Направление электродинамической силы определяют, руководствуясь правилом левой руки. Однако дуга не является металлическим проводником, а представляет собой плазму, т.е. раскаленный, ионизованный газ, и для объяснения движения дугового столба в магнитном поле необходимо более детально рассмотреть физику процесса.

Под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому полю (рис.1,б), электроны и ионы несколько отклоняются от своего основного направления в зависимости от магнитной индукции и длины свободного пробега заряженных частиц. В слабом магнитном поле угол отклонения невелик. Все же ионы и электроны, движущиеся в направлении электрического поля, получают составляющую скорости в направлении, перпендикулярном В и Е, и при столкновении передают это движение нейтральным молекулам газа. Под действием этой объемной силы газ движется в направлении, перпендикулярном дуге. Газ с высокой температурой выбрасывается из дугового столба вперед по движению, а холодный газ подсасывается в дуговой столб с противоположной стороны. Ионизация происходит легче с фронта, так как температура здесь выше.

Плотность тока с этой стороны увеличивается, а с противоположной - уменьшается. В результате дуговой столб приходит в движение вместе с газом.

Рис.2. Гасительная камера электромагнитного выключателя

Устройство гасительной камеры электромагнитного выключателя конструкции ВЭИ показано на рис.2. В процессе отключения сначала размыкаются главные контакты 1, после этого размыкаются дугогасительные контакты 2 и 3. Возникшая дуга растягивается и перебрасывается на передний рог 4, а потом на задний рог 7, соединенный с подвижным контактом 2 (положения Б и В). В цепь вводятся витки электромагнита 5 и между полюсными наконечниками 6 создается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости чертежа. Силы взаимодействия тока в дуге и магнитного поля направлены вверх и втягивают дугу в вырезы пластин (положение Д). Число пластин определяется номинальным напряжением и номинальным током отключения. При напряжении 10 кВ число пластин значительно больше, чем при напряжении 6 кВ.

Рис.3. Электромагнитный выключатель типа ВЭМ-10Э-100/12,5УЗ

Отечественные заводы строят электромагнитные выключатели серии ВЭМ с номинальным током отключения до 40 кА при напряжении 6,9 кВ и до 20 кА при напряжении 11,5 кВ (рис.3). Они получили применение в системах собственных нужд мощных электростанций, а также в промышленных установках, где необходимы частые операции включения и отключения. Стоимость их относительно высока.