Вакуумные выключатели

Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами.

Рис.1. Зависимость пробивного напряжения вакуума (1) и воздуха (2)
от расстояния между электродами

На рис.1 показаны зависимости пробивного напряжения вакуума и воздуха от расстояния между электродами диаметром 3/8" из вольфрама. При столь высокой электрической прочности расстояние между контактами может быть очень малым (2-2,5 см), поэтому размеры камеры могут быть также относительно небольшими.

Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах.

Рис.2. Восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка
длиной 1/4" после отключения тока 1600 А в вакууме
и различных газах при атмосферном давлении

На рис.2 показана восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка длиной 1/4" после отключения тока 1600 А как функция времени для вакуума и различных газов при атмосферном давлении, откуда видна эффективность вакуума как дугогасящей среды.

Конструкция вакуумной камеры

Устройство вакуумной камеры показано на рис.3. Она состоит из следующих частей: стеклокерамической оболочки 1; стальных торцевых фланцев 2; медных контактных стержней - неподвижного 3 и подвижного 4; электродов 5; стального ребристого сильфона 6, приваренного к подвижному контактному стержню 4; экранов 7,8,9. Давление в камере составляет около 1,3х10^-5Па.

Рис.3. Устройство вакуумной камеры

Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, высокой проводимостью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Применение получили бинарные сплавы: Cu-Bi, Cu-Те, Ag-Bi и др.

В положении «включено» электроды прижаты друг к другу пружиной привода с силой около 3000 Н. В процессе отключения контакты размыкаются. Скорость движения контактов составляет около 1,5 м/с. Зажигается дуга. Она горит в парах металла, образующихся на поверхности холодного катода в отдельных наиболее нагретых точках. Металлические пары непрерывно покидают дуговой промежуток и конденсируются на поверхности центрального экрана, изолированного от электродов. Он защищает изолирующую оболочку от радиации дуги и оседания на ней частиц металла. Когда ток приходит к нулевому значению, дуга угасает и парообразование прекращается. Если скорость восстанавливающейся электрической прочности промежутка превышает скорость ПВН, цепь оказывается разомкнутой.

Отключающая способность вакуумной камеры зависит от материала и конструкции электродов, устройства экранов, определяющих пространственное распределение напряженности электрическою поля внутри и вне камеры. В новейших конструкциях применены контакты большого диаметра (до 18 см), устроенные так, что в процессе отключения создается продольное магнитное поле, параллельное дуге. Опыт показывает, что это поле способствует диффузионному строению дуги из множества тонких нитей с основаниями, равномерно распределенными по поверхности катода. При этом уменьшается напряжение на дуге и, следовательно, энергия, выделяемая в дуговом промежутке: увеличивается отключающая способность: эрозия контактов минимальна.

Рис.4. Вакуумная камера японской фирмы Toshiba

На рис.4,а и рис.4,б показаны продольный разрез вакуумной камеры японской фирмы Toshiba и детали контактной системы. Как видно из рис.4,б, ток i входит в камеру по контактному стержню 1 и разделяется на четыре части - токи i₁, i₂, i₃, i₄, направленные сначала радиально, а потом по кольцевым элементам 2. Пройдя одну четверть окружности, эти токи опять направляются по радиусам другой половины электрода и сходятся в середине электрода. В результате образуется продольный магнитный поток, пропорциональный одной четверти отключаемою тока, проходящего по кольцевым элементам контактной системы. То же самое имеет место на другом контакте.

Фирмой «Вестингауз» изготовлены и всесторонне испытаны вакуумные камеры для напряжения 72 кВ и отключаемого тока 63 кА. Они рассчитаны на номинальный ток 3000 А. Камеры имеют диаметр 23 и длину 46 см. При последовательном включении нескольких таких камер могут быть построены вакуумные выключатели для сетей любых высоких напряжений.

Конструкции вакуумных выключателей

Ниже приведено описание некоторых вакуумных выключателей, построенных в СССР, США и Японии.

Рис.5. Вакуумный выключатель типа ВВ-10-20/1000УЗ

На рис.5 показан вакуумный выключатель типа ВВ-10-20/1000УЗ конструкции ВЭИ с номинальным напряжением 10 кВ, номинальным током 1600А и номинальным током отключения 20 кА. Время отключения 2 периода. Выключатель приспособлен для установки в ячейке комплектного РУ. В стадии освоения находятся выключатели для номинальных напряжений 35 и 110 кВ.

Фирмой «Дженерал Электрик» (США) построен выключатель с номинальным напряжением 242 кВ и пятью камерами 45 кВ/40 кА, включенными последовательно. Камеры каждого полюса помещены в стальной цилиндрический бак с проходными изоляторами и встроенными трансформаторами тока (рис.6).

Рис.6. Вакуумный выключатель фирмы «Дженерал Электрик»
с номинальным напряжением 242 кВ:
а - размещение вакуумных камер в кожухе:
1 - вакуумные камеры; 2 - привод; 3 - трансформаторы тока;
4 - рычажная система; 5 - уплотнение;
б - внешний вид выключателя

Бак заполнен элегазом при давлении 0,1 МПа, чтобы увеличить разрядное напряжение по поверхности вакуумных камер (никакого отношения к гашению дуги элегаз не имеет). Подвижные контактные стержни вакуумных камер соединены между собой (рычажной системой), а также с пружинным приводом, обеспечивающим необходимое давление в контактах во включенном положении и достаточную скорость перемещения контактов при их размыкании. Стальной бак заварен наглухо на весь срок службы выключателя (около 20 лет).

Японской фирмой Toshiba построены вакуумные выключатели для систем собственных нужд мощных АЭС и ТЭС. Выключатели имеют следующие параметры: номинальное напряжение 6,9-7,2 кВ; номинальные токи 1200, 2000 и 3000 А; номинальный ток отключения 63 кА; номинальный ток включения 160 кА. Выключатели снабжены или пружинными приводами с заводом от электродвигателей, или электромагнитными приводами. Они приспособлены для установки в ячейках комплектных РУ с весьма сжатыми размерами.

Положительные стороны вакуумных выключателей:

• простота конструкции - отсутствие клапанов, компрессоров, других вспомогательных устройств;
• исключительная надежность - перерывы в работе присоединений, вызванные ремонтом выключателей, практически исключены;
• быстродействие (время отключения составляет 2 периода);
• отсутствие шунтирующих резисторов, поскольку скорость восстанавливающейся электрической прочности промежутка между контактами исключительно высока;
• отсутствие масла и других горючих материалов;
• относительно небольшие размеры и масса выключателей;
• отсутствие ударных нагрузок на фундамент характерных для масляных выключателей;
• бесшумная работа;
• низкая стоимость.

Как видно, вакуумные выключатели отвечают всем требованиям. Весьма вероятно, что в ближайшем будущем вакуумные выключатели вытеснят большую часть выключателей, применяемых в настоящее время.