Первый вакуумный выключатель (ВВу) на 2,3 кВ переменного тока был изготовлен в 1923 г. Однако вследствие ограниченности в то время объема научно-исследовательских работ, а также трудностей изготовления герметичных вакуумных дугогасительных камер (ВДК), способных длительно сохранять высокий вакуум, и получения специальных контактных материалов создание промышленных конструкций вакуумных выключателей в последующие годы приостановилось. Лишь в 1960—1970 годах в результате фундаментальных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по гашению дуги в вакууме оказалось возможным вновь вернуться к промышленным вакуумным выключателям. С этого времени и началось их быстрое развитие.
Преимущества вакуумных выключателей:
а) автономность работы, отсутствие необходимости в замене или в пополнении дугогасящей среды; отсутствие выхлопа наружу пламени и раскаленных газов;
б) высокая износостойкость ВДК и их контактов при коммутации как токов нагрузки, так и номинальных токов отключения; отсутствие шунтирующих резисторов или конденсаторов при отключении неудаленного к. з.
в) возможность отключения токов развивающихся аварий и многократных грозовых импульсов;
г) очень быстрое восстановление условной электрической прочности дугового промежутка после погасания дуги (в высоком вакууме — через 100 мкс, в то время как в элегазе или в воздухе электрическая прочность промежутка за это время только начинает увеличиваться);
Л) возможность ориентировать ВДК в пространстве в любом произвольном положении; бесшумность оперирования и по- жаробезопасность;
е) простота монтажа и обслуживания.
Основными причинами, сдерживающими развитие вакуумных выключателей, являются: 1) необходимость организации производства особо чистых контактных материалов и их сплавов, 2) высокая технологическая культура производства ВДК и 3) существенно более высокая стоимость вакуумных выключателей по сравнению с аналогичными выключателями других типов.
Рис. 21. Вакуумная дугогасительная камера
Принципиальное устройство ВДК изображено на рис. 21. Она состоит из изоляционной цилиндрической оболочки 5, снабженной по концам металлическими фланцами 1 и 8, внутри которой помещаются неподвижный контакт 3 и подвижный 6, а также электростатические экраны 2, 4 и 7. Подвижный контакт 6 соединяется с фланцем 8 посредством сильфона из нержавеющей стали, обеспечивающего перемещение контакта 6 при сохранении герметичности камеры. Экраны крепятся к оболочке или к фланцам и служат для защиты внутренней изоляционной поверхности оболочки от брызг и конденсации на ней паров металла, образующихся при горении дуги, а также для выравнивания распределения напряжения по ВДК. Оболочка 5 изготавливается из газоплотной и механически плотной керамики. Внутри ВДК поддерживается вакуум (10-15)- 10"6 Па (около 10~в мм рт. ст.), что обеспечивает большие разрядные напряжения. Приводим примерные разрядные напряжения в различных газах и в вакууме в зависимости от длины промежутка I:
Работоспособность ВДК в значительной степени обусловливается материалом и конфигурацией контактов. В вакууме практически отсутствует окисление контактных поверхностей, но значительно возрастает склонность металлов к свариванию и коэффициент трения. ВВДК применяются торцевые контакты, поскольку при трущихся контактах возможно образование микрочастиц металла. Кроме того, при торцевых контактах промежуток между контактами в отключенном положении равен их перемещению. Контактное нажатие создается пружинами, расположенными в механизме вакуумных выключателей (т. е. вне ВДК), а также за счет разности давлений, действующих на сильфон с обеих сторон (собственное контактное нажатие). При сквозных токах 40—100 кА (амплитуда) усилие контактных пружин составляет 1000—4000 Н. Собственное контактное нажатие обусловливается номинальным током ВДК и составляет 200—500 Н.
Материал контактов ВДК должен иметь малое удельное сопротивление для уменьшения тепловыделения при номинальном токе, незначительный износ при отключении токов нагрузки и токов к. з., необходимую отключающую и включающую способность, плохую свариваемость, малые токи среза и обеспечивать высокую электрическую прочность контактного промежутка после многократной коммутации тока. Многие из этих требований противоречивы. Поэтому для контактов ВДК применяются многокомпонентные или композиционные материалы.
При отключении токов до 10 к А используются простые дисковые контакты. При токах больше 10 кА в целях уменьшения оплавления контактных поверхностей дуга приводится в быстрое вращение по поверхности контактов под действием магнитного поля.
Расстояние между контактами обычно составляет 8—12 мм при номинальном напряжении 10 кВ, 14—24 мм при 20 кВ и 18—30 мм при 35 кВ.
Масса подвижного контакта зависит от номинального тока и напряжения и составляет 1—7 кг. Средняя скорость движения подвижного контакта; 0,6—1,2 м/с при включении и 1,2—3,2 м/с при отключении.
Хотя в большинстве случаев контакты ВДК изготавливаются из материалов, плохо поддающихся сварке и образующих сравнительно слабые в механическом отношении сварные соединения, нее же для надежной работы вакуумных выключателей в различных режимах коммутации эти выключатели выполняются таким образом, чтобы в случае сваривания контактов для отрыва их друг от друга использовалась энергия, запасенная подвижными частями всего вакуумного выключателя при его отключении. Энергия, необходимая для отрыва друг от друга приварившихся контактов, должна составлять незначительную часть общей кинетической энергии, необходимой для обеспечения указанной выше скорости движения подвижного контакта ВДК Иначе без сваривания контактов механизм будет подвергаться значительным динамическим нагрузкам, а при сваривании скорость движения подвижного контакта ВДК будет уменьшаться.
Конструктивным решением данной проблемы является такой механизм, в котором отключение начинается несколько раньше, чем движение подвижного контакта. Для этого сцепление подвижного контакта ВДК с механизмом вакуумного выключателя происходит лишь после того, как звено механизма, соединяющееся с подвижным контактом, пройдет 2—4 мм (ход в контакте). Скорость этого звена к моменту сцепления с подвижным контактом должна несколько превышать скорость, установленную для подвижного контакта. За счет большой кинетической энергии движущихся звеньев механизма в момент сцепления их с подвижным контактом ВДК и происходит отрыв последнего от неподвижного контакта, сопровождающийся разрушением сварных соединений, если они имелись. Оставшаяся неизрасходованной кинетическая энергия подвижных частей должна обеспечить дальнейшее перемещение подвижного контакта с установленной для него скоростью.
Рис. 22. Вакуумный выключатель типа ВВ-10: 1 — присоединительный вывод; 2 — перегородка фасадная; 3 — привод пружинный; 4 — полюс; 6 — рама
На рис. 22 изображен общий вид вакуумного выключателя типа ВВ-10. Технические характеристики вакуумного выключателя некоторых типов приведены в табл. 4. Механический ресурс — 20 000 операций; время отключения собственное 0,03 с, полное 0,05 с. В стадии освоения находится вакуумные выключатели на напряжения 20 и 35 кВ. Вакуумные выключатели весьма перспективны и, по всей вероятности, заменят другие типы высоковольтных выключателей на напряжения 10— 35 кВ.
