В последнее десятилетие во всем мире прослеживается тенденция роста доли вакуумных выключателей в объеме производства разных типов выключателей среднего напряжения. Вакуумные выключатели имеют ряд преимуществ перед выключателями других типов, большой коммутационный ресурс; высокую надежность;
отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды и масляного хозяйства;
высокую износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ;
минимум издержек в эксплуатации и простоту эксплуатации, быстрое восстановление электрической прочности (10- 50)10+3 В/мкс;
взрыво- и пожаробезопасность;
повышенную устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам;
произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя;
широкий диапазон температур окружающей среды, в котором может работать ВДК (от -70 до +200°С);
бесшумность, чистоту, удобство обслуживания, обусловленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ;
отсутствие загрязнения окружающей среды; высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ; легкую замену ВДК.
К недостаткам можно отнести:
возможность генерирования перенапряжений при коммутациях индуктивных токов, например при отключении ненагруженных трансформаторов и пусковых токов электро двигателей;
трудности при создании и изготовлении, связанные с контактными материалами, сложностью вакуумного производства;
большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость.
Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях, за счет увеличения длины свободного пробега атомов и молекул. По этой же причине процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах.
Применяемые в вакуумных выключателях ВДК на напряжение 10 кВ номинальным током отключения до 31,5 кА имеют зазоры между контактами 4-10 мм, поэтому с небольшими габаритами легко достигаются высокие скорости и малые времена срабатывания. Погасание электрической дуги удается получить при первом же прохождении тока через нуль, т.е. через 0,02 с, однако при отключении относительно большего тока случается, что погасание дуги происходит не при первом, а при втором или третьем подходе тока к нулю. Эрозия контактов под действием дуги незначительна, проблема ухудшения вакуума на протяжении длительного времени эксплуатации решена, что означает практически неограниченный срок службы и отсутствие ревизий и ремонтов. 80 % отказов вакуумных выключателей приходится на приводы, системы управления и контроля.
В эксплуатации вакуумные выключатели преобладают при напряжении до 36 кВ. Их основная область применения - комплектные распределительные устройства. Вакуумные выключатели могут использоваться не только как коммутирующие устройства целей переменного тока, но и как токоограничивающие выключатели, отключающие аварийный ток при его нарастании, не дожидаясь естественного нуля тока. Вакуумные выключатели могут применяться как управляемые разрядники для быстрого подключения различных устройств и ограничения перенапряжений. Вакуумные выключатели могут отключать постоянный ток. При токе 1000 А и напряжении 10 кВ они отключаются путем расхождения контактов в вакууме. При больших значениях тока постоянный ток с помощью конденсатора превращается а переменный и отключается при первом прохождении его через нуль.
Вакуумная дугогасительная камера состоит из герметической стеклянной или керамической оболочки, в которой создается вакуум. Внутри камеры расположены электростатические экраны, подвижный и неподвижный контакты. Подвижный контакт укреплен в оболочке на металлическом сильфоне, обеспечивающем необходимую подвижность контакта и одновременно герметичность внутренней полости оболочки. Габариты камеры зависят от номинального напряжения, тока и тока отключения. Схематический разрез камеры типа КДВ-10-1600-20 показан на рис. 11.
Рис. 11. Разрез камеры КДВ-10-1600-20:
1 - изолятор; 2 - прокладка металлическая; 3 - ввод подвижный; 4 - направляющая;
5 - сильфон; 6 — фланец концевой; 7 - экран концевой; 8 - экран средний; 9 - зазор;
10 - электрод дугогасительный; 11 - контакт 12 - ввод неподвижный
Контактная система торцевого типа состоит из контактов и дугогасящих электродов. Контакты имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Дугогасящие электроды представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора. Направление спиралей в противолежащих электродах встречно. Между контактами и дугогасящими электродами имеется зазор. Форма контактов задает такой путь тока, при котором на дугу действует радиальное электродинамическое усилие, заставляющее дугу перемещаться на дугогасящие электроды. Эти контакты позволяют получить небольшое активное сопротивление камеры, что важно для пропускания больших номинальных токов. Контакты и дугогасящие электроды спаяны с медными вводами, один - неподвижный, другой - подвижный и соединен с одним из концевых фланцев через сильфон из нержавеющей стали.
Экранная система камеры состоит из трех экранов, причем средний изолирован от вводов и находится под свободным потенциалом, два концевых имеют потенциалы соответствующих вводов. Экранная система выполняет следующие функции: защищает внутренние изолирующие поверхности от осаждения продуктов эрозии контактов, благодаря чему сохраняется внутренняя изоляция камеры после многократных коммутаций тока; задает распределение потенциалов внутри камеры, в частности, уменьшает напряженность электрического поля на спаях диэлектрика с металлом и на краях дугогасящих электродов.
Оболочка камеры состоит из двух секций керамических изоляторов, соединенных металлической прокладкой. Наружная поверхность изоляторов имеет ребра для увеличения пути утечки по изоляции при выпадении росы. Камера снабжена направляющей из силумина. Ход подвижного контакта камеры составляет 12 мм, средняя скорость хода при отключении 1,7-2,3, при включении т- 0,6- 0,9 м/с, допустимый износ контактов 4 мм. Эти параметры являются Оптимальными, так как при их уменьшении снижается электрическая прочность, отключающая способность и увеличивается износ контактов.
При размыкании контактов выключателя число проводящих контактных точек уменьшается. Последняя точка вытягивается в расплавленный металлический мостик, быстро нагревается под действием тока до температуры кипения и испаряется. В образовавшемся облаке металлического пара возникает дуговой разряд. При горении вакуумной дуги металл контактов расплавляется, часть оседает на экранах, защищающих внутренние поверхности оболочки камеры от загрязнения. С увеличением тока эрозия быстро возрастает и является основной причиной, ограничивающей увеличение отключаемого тока. На ток отключения существенно влияют форма и материал контактов, его чистота, скорость размыкания контактов и состояние вакуума. Исследования показали, что для контактов лучшими являются материалы на основе композиций медь-хром, медь-висмут, медь-теллур и др. Геометрия контактов должна обеспечивать равномерное перемещение дуги по площади контакта под действием магнитного поля (например, контакты в форме «загнутого лепестка»).
При включении вакуумного выключателя и сближении главных контактов до их соприкосновения происходит пробой вакуумного промежутка и образуется электрическая дуга. Поэтому медленное сближение контактов приводит к дополнительному выделению тепла, расплавлению металла контактов и их свариванию в одной или нескольких точках.
Вибраций контактов внутри камеры также недопустима, она вызывает распыление и разбрызгивание металла, что уменьшает контактную поверхность, ухудшает рабочую поверхность, увеличивает спой напыленного металла на внутренней поверхности оболочки. Это снижает электрическую прочность и сокращает срок службы камеры.
Редкие отказы в гашении дуги в вакуумном выключателе, возможные из-за механических или технологических дефектов, не приводят к серьезным разрушениям всего выключателя или близко расположенного другого оборудования; при небольших токах КЗ дута не распространяется за пределы дефектной камеры.
Известные с начала применения ВДК особенности коммутации токов со значительными срезами и перенапряжениями требуют особого внимания к этим процессам при конструировании и эксплуатации вакуумных выключателей. Отечественная и зарубежная практика показывает, что обеспечение электромагнитной совместимости вакуумных выключателей с установками, в которых они применяются, снижение перенапряжений при коммутациях достигаются применением ВДК с достаточно малыми токами среза и установкой защитных устройств - нелинейных ограничителей перенапряжений, демпфирующих RC -цепей, разрядников и других совместимых устройств.
В выключателях с номинальным напряжением 110 кВ и выше применяется несколько ВДК, включенных последовательно. Для равномерного распределения напряжения между ВДК необходимо устанавливать емкостные делители. Габаритные размеры такого выключателя получаются примерно такие, как у воздушного.
