К вакуумным выключателям относятся такие выключатели, в которых гашение дуги осуществляется в вакууме. Это технология подходит для многих приложений среднего уровня напряжения. Вакуумная технология была разработана и для более высоких напряжений, но в настоящее время она коммерчески недоступна. Операция размыкания и замыкания контактов, проводящих ток, и соответствующее прерывание дуги происходят в вакуумной камере внутри выключателя, которая называется вакуумным прерывателем или дугогасительной камерой. Вакуумный выключатель состоит из стальной дугогасительной камеры, располагающейся между симметрично расположенными керамическими изоляторами. Давление вакуума внутри вакуумного прерывателя обычно поддерживается на уровне 10-6 бар.
Важную роль в работе вакуумного выключателя играет материал, используемый для контактов, проводящих ток. Наиболее близким к идеальному материалу для изготовления контактов вакуумных выключателей, является сплав хромистой меди. Впервые вакуумные выключатели появились в 1960-х годах. Но эта технология до сих пор развивается. Со временем, размер вакуумных прерывателей уменьшился по сравнению с размером первых моделей благодаря различным техническим достижениям этой области. Также была улучшена геометрия контактов. Вместо торцевых контактов первых дней, современные контакты постепенно изменились, получив вначале спиральную форму, затем - форму колпачка, и, наконец, сегодняшнюю форму контакта, смещающего ось магнитного поля. Сегодня, вакуумные выключатели признаны наиболее надежной технологией прерывания тока для использования в выключателях среднего напряжения. По сравнению с другими технологиями, они требуют минимального обслуживания.
Преимущества вакуумного выключателя
Срок службы вакуумного выключателя значительно превосходит срок службы выключателей других типов. Они не подвержены возгоранию, как масляные выключатели. Они гораздо менее вредны для окружающей среды, чем элегазовые выключатели. Кроме того, их конструкция намного удобнее для пользователя. Замена вакуумного прерывателя выполняется довольно удобно.
Функционирование вакуумного выключателя
Основным назначением любого выключателя является гашение электрической дуги в момент прохождения тока через ноль, за счет образование между контактами среды с высокой диэлектрической прочностью. Это делает невозможным повторное появление дуги после прохождения тока через ноль. Диэлектрическая прочность вакуума в восемь раз превосходит диэлектрическую прочность воздуха, и в четыре раза превосходит диэлектрическую прочность элегаза. В результате этого в вакуумном выключателе можно гасить дугу при очень небольшом расстоянии между контактами, что позволяет применять малую массу контактов, и минимизировать энергию, требуемую для работы механизма сжатия. Когда две поверхности областей контакта начинают разъединяться, то их разъединение происходит не мгновенно. Область контакта уменьшается и, в конечном счете, сводится к одной точке, после чего контакты перестают касаться друг друга. Это происходит в течение долей микросекунды, но не мгновенно. В момент разъединения контактов в вакууме, ток, проходящий через контакты, концентрируется в этой последней точке касания поверхности контактов, и разогревает ее. Поскольку все это происходит в вакууме, то металл с поверхности контакта легче испаряется именно в точке нагрева, создавая проводящую среду для электрической дуги. После этого появляется дуга, которая сохраняется до тех пор, пока ток не станет нулевым.
Вакуумный выключатель в разрезе
Когда ток проходит через ноль, эта дуга в вакууме исчезает, и испарения проводящего металла снова оседают на поверхность контакта. К этому моменту контакты уже отделены друг от друга, и при следующем цикле тока, испарения с поверхности контактов не происходит. Это означает, что дуга не может появиться снова. Таким образом, вакуумный выключатель предотвращает повторное появление дуги, создавая после прохождения тока через ноль, зазор между контактами, имеющий высокую диэлектрическую прочность.
Существует два типа дуги. Если прерываемый ток имеет силу менее 10 кА, то дуга остается диффузной, и форма испарения разряжает и покрывает всю поверхность контакта. Если сила тока будет выше 10 кА, то диффузная дуга сильно сжимается собственным магнитным полем. В результате, нагрев контакта в центре дуги увеличивается. Для предотвращения этого, конструкция контактов должна быть такой, чтобы дуга не оставалась неподвижной, а перемещалась под воздействием собственного магнитного поля. Специально спроектированная форма контактов вакуумного выключателя заставляет сжатую стационарную дугу двигаться по поверхности контактов. Тем самым, эрозия контактов минимизируется, и делается равномерной.
