В последние годы, кроме хорошо себя зарекомендовавших масляных и воздушных выключателей, в энергетических системах начали применяться выключатели, действие которых основано на совершенно новых принципах гашения дуги. И хотя эти, так называемые вакуумные выключатели занимают пока очень скромное место среди выключателей высокого напряжения, они, несомненно, имеют большие перспективы для электрических станций и подстанций.
В этих выключателях контактная система помещена в высокий вакуум, вследствие чего они и получили название вакуумных.
Процесс отключения в вакуумном выключателе протекает следующим образом. 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, состоящий из паров металла электродов. Загорается так называемая вакуумная дуга, которая гаснет при первом же переходе тока через нуль. Электрическая прочность вакуума восстанавливается очень быстро, так как малая плотность газа в колбе выключателя обусловливает исключительно высокую скорость диффузии электрических зарядов из ствола дуги. Уже через 10 мкс после перехода тока через нуль электрическая прочность вакуума достигает своего полного значения 100 МВ/м. Если к этому времени раствор контактов окажется достаточным для того, чтобы электрическая прочность межконтактного промежутка стала больше восстанавливающегося напряжения, дуга погаснет окончательно. В противном случае произойдет повторный пробой промежутка и повторное зажигание дуги.
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 деионизацией межконтактного промежутка. Срез тока сопровождается, как и в других выключателях, перенапряжениями.
Для надежности работы вакуумного выключателя и увеличения срока его службы весьма существенной является износостойкость контактов, которые распыляются во время горения дуги. При очень сильном распылении металла контактов может образоваться такое количество паров металла, что гашение дуги окажется невозможным. Опыт показал, что наиболее сильное распыление наблюдается у контактов из латуни и меди. Тугоплавкие металлы, такие, как вольфрам или молибден, распыляются сравнительно мало.
С увеличением отключаемого тока распыление металла контактов растет, причем быстрее, чем увеличивается ток.
Таким образом, для повышения отключающей способности вакуумного выключателя для контактов необходимо применять наиболее тугоплавкие материалы.
С другой стороны, повышение тугоплавкости контактов увеличивает ток среза, что неблагоприятно сказывается на отключениях, вызывая опасные перенапряжения. Наибольший ток среза возникает при контактах из вольфрама, и он в 2,5 раза меньше при контактах из меди.
Следовательно, для надежной работы вакуумных выключателей необходимы специальные материалы, обеспечивающие отключения больших токов и имеющие малый ток среза. К сожалению, металлов, удовлетворяющих одновременно обоим требованиям, нет, и поэтому широкое распространение получили вольфрам и молибден, которые допускают отключение токов свыше 4—5 кА, хотя при этом и возникают большие токи среза.
Современные вакуумные выключатели рассчитаны на отключение токов в пределах от 1 до 8 кА при напряжениях 3—20 кВ. Дугогасительная камера вакуумного выключателя представляет собою герметический вакуумный сосуд из металла и стекла, в котором поддерживается вакуум 10~4 Па. Корпус камеры может быть изготовлен не только из стекла, но и из других изоляционных материалов, которые вакуумно-плотно свариваются с металлом.
Внутри корпуса находятся два контакта: подвижный, соединенный с корпусом при помощи сильфона, и неподвижный. Ход контактов составляет всего 10—15 мм. Срок службы камеры (ресурс) очень велик, 100—250 тыс. операций. Для некоторых типов камер ресурс достигает 2 млн. операций включения и отключения.
Вакуумные выключатели находят уже теперь широкое применение в установках с частыми операциями включения и отключения: в электрических печах, трансформаторах с регулированием под нагрузкой, в качестве контакторов для управления мощными двигателями и т. д. Они используются в последовательном соединении в установках высокого напряжения (до 500 кВ) как выключатели нагрузки и для отключения холостого хода длинных линий.
В этом случае необходимо обеспечить равномерное распределение напряжения между отдельными камерами путем шунтирования их конденсаторами.
