В настоящее время вакуумные выключатели стали доминирующими аппаратами для электрических сетей напряжением 6-35 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70%, в Японии –100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и в 1997 г. превысила отметку 50%.
Основными преимуществами вакуумных выключателей (по сравнению с масляными и газовыми), определяющими рост их доли на рынке, являются:
более высокая надежность;
меньшие затраты на обслуживание.
Сегодня вакуумная коммутационная техника может применяться для уровня токов короткого замыкания вплоть до 100 кА, так что в последние годы усилия разработчиков направлены не на повышение основных параметров выключателей, а на создание более экономичных конструкций и повышение их надежности.
Первый вакуумный выключатель на 2,3 кВ переменного тока был изготовлен в 1923 г. Однако вследствие ограниченности в то время научно-исследовательских работ, а также трудностей изготовления герметичных вакуумных дугогасительных камер, 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 в вакууме оказалось возможным вновь вернуться к промышленным вакуумным выключателям. С этого времени и началось их быстрое развитие.
Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других дугогасительных 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 частицы превышает размеры вакуумной камеры с давлением 10-4 Па. В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, высокой проводимостью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Применение получили бинарные сплавы: медь-висмут, медь-сурьма, медь-бериллий и др.
В положении «включено» электроны прижаты друг к другу пружиной привода. В процессе отключения контакты размыкаются. Скорость движения контактов составляет около 1,5 м/с. В момент расхождения контактов площадь их соприкосновения уменьшается, плотность тока резко возрастает, металл контактов плавится и испаряется в вакууме. При этом между контактами образуется проводящий мостик из паров металла электродов. Загорается так называемая вакуумная 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. Они защищают изолированную 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 переходного восстанавливающегося напряжения, цепь оказывается разомкнутой. При отключении вакуумным выключателем малых токов (несколько ампер или десятков ампер) может произойти преждевременное снижение тока до нуля, до естественного перехода тока через нуль (срез тока), что объясняется очень быстрой дионизацией межконтактного промежутка. Срез тока сопровождается, как и в других выключателях, перенапряжениями, которые опасны прежде всего для двигателей высокого напряжения и трансформаторов с воздушной изоляцией.
Для ограничения перенапряжений при отключении малых индуктивных токов многие вакуумные выключатели снабжаются специальными ограничивающими перенапряжения устройствами: RC- цепочками, ограничителями перенапряжений, специальными устройствами (например, разработки «Элвест») Применяются опережающее отключение первого полюса по сравнению с двумя другими (патент фирмы HOLEC (Голландия) и другие электромеханические способы устранения перенапряжений.
Повышение надежности вакуумных выключателей в основном связано с повышением надежности их приводов, так как надежность дугогасительных камер при современной технологии производства практически безупречна (декларируемая наработка на отказ ВДК лучших производителей составляет 2000 лет). В первую очередь это относится к выключателям отечественного производства, где привод является наиболее слабым местом, вызывающим до 80% общего числа отказов. В подавляющем большинстве выключателей зарубежных фирм применяется пружинный привод, что позволяет сократить габариты и массу, уменьшить время включения. Современные конструкции приводов не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации.
Из отечественных производителей вакуумных выключателей следует выделить фирму «Таврида электрик». Выпускаемые этой фирмой вакуумные выключатели серии ВВ/ТЕL являются выключателями нового поколения, в которых реализованы самые современные достижения в вакуумной коммутационной технике и электромеханике, позволяющие создать аппараты, не требующие ремонта в течение всего срока службы. По способу установки выключатели выпускаются в двух исполнениях: подвесном и выкатном.
Достоинства вакуумных выключателей:
- простота конструкции (отсутствие клапанов, копрессоров и других вспомогательных устройств) и надежность в работе;
- относительно небольшие габариты и масса;
- отсутствие сжатого воздуха или трансформаторного масла;
- малое время отключения (0,03-0,05 с);
- отсутствие масла и других горючих материалов (взрывобезопасность);
- высокая скорость восстановления прочности дугогасительного промежутка (отсутствие шунтирующих резисторов);
- бесшумная работа;
- отсутствие выбросов в атмосферу;
- удобны для отключения емкостной нагрузки;
- полная герметезация дугогасительного устройства;
- значительный ресурс при коммутации номинального тока (30…50 тысяч операций);
- произвольное положение камеры;
- отсутствует ударная нагрузка на фундамент, характерная для масляных выключателей;
- вакуумные выключатели позволяют создать малогабаритные (многоэтажные) КРУ;
- малый ход и скорость контактов позволяют применять легкие, небольшие пружинные или электромагнитные приводы;
Недостатки вакуумных выключателей:
- вблизи нуля наблюдается срез тока, сопровождающийся перенапряжениями при отключении малых индуктивных токов;
- для борьбы с перенапряжениями необходимо применять RC-цепочки, ОПН, либо использовать выключатели с электромеханическим способом устранения перенапряжения;
- в выключателях на напряжении выше 35 кВ несколько камер необходимо соединять последовательно;
- требуют больших капиталовложений, что определяет довольно высокую их стоимость.
