Отключение электрического тока в вакууме - Разработка вакуумных выключателей

2.4. Практическая разработка вакуумных выключателей
Выбор технологии отключения
В предыдущем разделе рассматривались необходимые условия успешного отключения. Эти условия практически всегда объединяются, если электрическая дуга остается в режиме рассеивания; это относится к отключению тока, не превышающего нескольких килоампер. Таким образом, для данных условий используются выключатели и контакторы с очень простыми торцевыми контактами. Когда дуга переходит в сфокусированный режим, энергия рассеивается на меньшей поверхности электрода и вызывает местный нагрев и значительное испарение. Если эта дуга остается неподвижной, отключение больше не обеспечивается.
Для преодоления сложностей, вызванных переходом электрической дуги в сфокусированный режим, используются два метода.
Первый метод заключается в создании быстрого кругового движения сфокусированной дуги, чтобы энергия распределялась на большей части контакта, и нагрев
оставался ограниченным во всех точках: это достигается путем приложения радиального магнитного поля в зоне дуги.
Второй метод состоит в том, чтобы предотвратить переход дуги в сфокусированный режим путем приложения аксиального магнитного поля: когда напряженность поля достигает значительной величины, дуга стабилизируется в режиме, определяемом как столб рассеивания, и не фокусируется, несмотря на то, что неподвижная дуга использует большую часть поверхности контактов, и нагрев в этом случае также остается ограниченным.
Метод создания радиального поля Br Сфокусированную дугу можно сравнить с проводом, проводящим ток в направлении, параллельном оси контактов. Если к этому проводу приложено радиальное магнитное поле, то равнодействующая электромагнитная сила будет иметь азимутальное

направление и создаст вращение дуги вокруг оси контактов.
Поле Br создается прохождением тока через контакты. Для достижения этого результата используются контакты двух конструктивных типов (см. рис. 10):

1. контакты типа «спираль»;
2. контакты в разрезе типа «колпачок» или «контрейт».

Обеспечение хорошей работы выключателей с радиальным полем обусловлено достижением приемлемой геометрии контактов и, в частности, ширины пазов для контактов типа «спираль»:

1. если ширина пазов слишком большая, то дуга с трудом делает «скачок» с одной части контакта на другую, что может привести к тому, что дуга останется неподвижной в конце пути движения, и в результате произойдет перегрев части контакта (так как дуга окажется в сфокусированном режиме);
2. если ширина недостаточная, паз может быть забит оплавленным материалом контакта, и из-за изменения в связи с этим пути прохождения тока радиальное поле исчезает, и дуга становится неподвижной.

Будучи подвижной, вращающаяся дуга остается сфокусированной и, таким образом, оказывает энергетическое действие на часть электрода, который ее поддерживает, высокое давление в основании дуги вызывает выброс расплавленного материала контакта в виде капель. Этот процесс является эффективным средством ограничения нагрева остальной части электрода (или упрощения его охлаждения), поскольку энергия дуги выносится вместе с расплавленным материалом, который конденсируется на окружающих стенках; в то же время этот процесс вызывает весьма значительную эрозию контактов.
Метод создания аксиального поля Ba

Когда плазма электрической дуги находится под действием достаточно сильного аксиального магнитного поля, электроны начинают двигаться по траекториям, идущим параллельно линиям поля, которые образуют спираль  вокруг оси, параллельной оси контактов, так как поле Ba действует в сочетании с азимутальным полем, созданным собственно током.

а - «спираль»                                                                                                        б - «колпачок» или «контрейт»
Рис. 10 : Конструкция контактов, используемых для создания радиального поля («спираль» и «контрейт»)
Положительные ионы плазмы, которые являются значительно более тяжелыми, не контролируются столь эффективно полем, но удерживаются электростатической силой, которая создается отрицательным пространственным зарядом электронов, улавливаемых аксиальным полем: под действием этой электростатической силы плазма остается в целом нейтральной. В результате удержание электронов переходит в удержание всей плазмы в столбе, соответствующем силовой трубке поля, принимаемой катодом: если эта трубка параллельна оси электродов, то основная часть плазмы, созданной катодом, поступает на анод. В этих условиях электрическая дуга сохраняет характеристики, присущие режиму рассеивания, но при значительно более высоком уровне плотности потока; напряжение дуги остается умеренным, так как плазма сохраняет свою нейтральность до подхода к аноду (явления «нехватки» ионов не наблюдается);

1. на стремление к фокусировке дуги со стороны анода под действием эффекта Холла оказывает влияние аксиальное поле, заставляя электроны сохранять в основном параллельную оси траекторию;
2. если поверхность электродов и, в частности, анода, находящаяся под воздействием столба электрической дуги, является достаточной для прохождения тока, то плотность энергии и, соответственно, нагрев остаются ограниченными. Испарение материала контакта достаточно мало, для того чтобы природа плазмы не изменилась в результате ионизации нейтральных частиц. Необходимы два основных условия, чтобы дуга осталась в режиме столба рассеивания, благоприятном для отключения:
3. Поле Ba должно быть достаточно сильным. Критическая напряженность аксиального поля, необходимая для предотвращения образования анодного пятна, вычисляется по экспериментально полученной формуле:

Bacrit = 3,9 (Ip - 10)
(Ва в мТ, где Ip - пиковое значение тока в кА);

1. поверхность электрода должна быть достаточной для заданного значения тока: предельная плотность тока составляет порядка 17 А/мм2 (формула Рентца). Фактически, этот предел плотности потока действителен только в первом приближении, и отключающая способность выключателей с аксиальным полем не изменяется прямо пропорционально поверхности контактов. В действительности, следует учитывать первоначальную сфокусированную дугу, образованную при размыкании контактов, и время, необходимое на то, чтобы дуга заняла всю свободную поверхность электродов: отключающая способность в зависимости от диаметра контактов изменяется примерно по d1,4.

Дуга в выключателе с аксиальным полем значительно менее подвижна, чем в выключателе с радиальным полем. Даже если плотность тока достаточно высокая,
чтобы вызвать плавление материала анода, выбросы остаются ограниченными. Как следствие, эрозия контактов меньше, чем при радиальном поле, но при этом расплавленный материал остается на месте и замедляет охлаждение поверхности электрода. В связи с этим, несмотря на то, что в принципе использование свободной поверхности контакта представляется более эффективным в аксиальном поле, чем в радиальном, это не всегда подтверждается и, в частности, для тока большой силы и при слабом напряжении можно добиться в радиальном поле более высокой отключающей способности для данной поверхности, хотя и за счет создания значительной эрозии. Существуют различные способы создания аксиального поля между контактами, используя ток отключения:

1. витки обмотки, расположенные за контактами (см. рис. 11);
2. магнитопровод для прохождения азимутального поля, созданного подводами тока и для выпрямления в аксиальное поле в зоне между контактами;
3. витки обмотки с внешней стороны колбы выключателя, охватывающий зону между контактами (см. рис. 12).

В целом, путь, который проходит ток для создания аксиального поля достаточной силы в пространстве между контактами, длиннее пути, необходимого, чтобы создать локальное радиальное поле. Таким образом, для заданного объема сопротивление контактов меньше в случае создания радиального поля, что является преимуществом при использовании выключателей большого номинала.
Напротив, части контактов в радиальном поле более подвержены воздействию, чем контакты в аксиальном поле и, следовательно, их использование представляется менее предпочтительным с точки зрения учета диэлектрических свойств; то есть аксиальное поле дает больше преимуществ, в случае применения при высоких напряжениях.

Рис. 11 : Пример контактов в аксиальном магнитном поле

1. герметичный корпус с изолятором, обеспечивающим электрическую изоляцию между подвижным и неподвижным контактами;
2. экран, защищающий внутреннюю поверхность изолятора от конденсации паров металла, создаваемых электрической дугой;
3. металлический сильфон, обеспечивающий движение подвижного контакта без нарушения герметичности корпуса.

Речь идет об основных компонентах любого выключателя. Кроме того, в корпусе автоматических выключателей устанавливаются устройства, создающие магнитное поле (радиальное или аксиальное), необходимое для отключения мощной дуги.
Поэтому выбор конструкции выключателя касается, в основном, выбора экрана и устройств создания магнитного поля.
Конструкция экрана
При выборе экрана, главным образом, учитывается:

1. способ крепления, который определяет потенциал экрана: потенциал является неподвижным (при неподвижном электроде), если экран подсоединен к этому выводу выключателя, или плавающим, если экран закреплен в промежуточной точке изолятора без электрического соединения с одним или с другим контактом.

Рис. 12 : Выключатель с аксиальным магнитным полем, имеющий внешнюю обмотку

1. положение экрана внутри или снаружи корпуса выключателя (в последнем случае экран является частью корпуса и должен быть герметичным).

Таким образом, разработчик выбирает одну или другую технологию в зависимости от преимуществ для конкретного вида применения (см. рис. 13).
Выбор конструкции
Конструкция вакуумного выключателя
Вакуумный выключатель состоит из следующих компонентов
(см. рис. 14).

Рис. 14 : Конструкция вакуумного выключателя
На данном рисунке представлены: два узла торцевых электрических контактов (так как в вакууме скользящие контакты приварились бы друг к другу); один контакт неподвижный, другой подвижный. В каждом контактном узле есть цилиндрический электрод, проводящий ток к контактным пластинам;
Рис. 13

Усл. обозначения: +++ = очень хорошо, ++ = хорошо, + = посредственно

Сочетание этих различных компонентов конструкции позволяет получить четыре возможных варианта конфигурации, которые все могут быть использованы в соответствии с выбранными характеристиками. Обычно используются:

1. экран с неподвижным потенциалом, если нужен недорогой выключатель, и экран с плавающим потенциалом, когда необходимо обеспечить высокие рабочие характеристики;
2. внешний экран, если требуется компактный выключатель с небольшим диаметром, и внутренний экран - для простоты исполнения.

Устройства создания радиального или аксиального поля
Устройства, создающие радиальное поле, необходимое для вращения дуги, должны располагаться как можно ближе к дуге: поэтому эти устройства интегрируются непосредственно в конструкцию контактов внутри корпуса выключателя. В предыдущем разделе были описаны два наиболее распространенных варианта конструкции: это контакты типа «спираль» и типа «колпачок» или «контрейт». Выбор одного или другого варианта не изменяет конструкцию выключателя в целом. Что касается выключателей с использованием аксиального поля, то здесь есть выбор между двумя типами архитектуры.
В действительности, устройство, создающее аксиальное поле (чаще всего это кольцевые витки обмотки вокруг оси, параллельной оси выключателя), может интегрироваться в конструкцию внутренних контактов, как в выключателях с радиальным полем, либо располагаться снаружи выключателя. В последнем случае речь идет об обмотке вокруг зоны размыкания контактов. Витки обмотки соединены последовательно с неподвижным контактом, и по ним проходит ток цепи. На рисунке 15 представлена подобная конфигурация: следует отметить, что для уменьшения мощности, рассеиваемой в устройстве, обмотка состоит из трех соединенных параллельно элементов. Одним из недостатков этой конструкции является длина пути прохождения тока, чтобы создать аксиальное поле достаточной силы в большом объеме. В результате возникают значительные потери, которые, впрочем, не вызывают в обязательном порядке больший нагрев, поскольку витки обмотки в воздухе охлаждаются лучше (путем конвекции), чем витки, встроенные в контакты выключателей.
Однако, наличие обмотки с потенциалом неподвижного контакта вокруг контактов выключателя, практически, ограничивает выбор для этого типа выключателей вариантом, имеющим экран с неподвижным потенциалом.
Можно было бы предположить, что наличие внешней обмотки является недостатком в смысле увеличения размеров выключателя за счет внешнего диаметра. В действительности, возможность использовать всю поверхность контактов, на которую действует относительно однородное аксиальное поле, создаваемое внешней обмоткой (а такой вариант не используется для контактов, имеющих встроенные витки) компенсирует этот недостаток, и размеры этих типов выключателей сходные.

Рис. 15: Пример обмотки, окружающей зону размыкания контактов, образованной тремя соединенными параллельно элементами
Основным преимуществом устройства для создания аксиального поля в виде внешней обмотки является возможность реализации компактного, простого и, следовательно, экономичного выключателя. Однако, недостатки, существующие в плане нагрева и прочности диэлектрика (в связи с использованием конструкции с неподвижным экраном), заставляют делать выбор в пользу устройств, встроенных в контакты (для создания аксиального или радиального поля) при высоком уровне напряжения (и 24 кВ) или номинальном токе большой силы (и 3150 А).
Выбор материалов и технологии производства

1. Выбор материалов и технологии производства вакуумных выключателей определяется следующими требованиями:
2. обеспечение поддержания высокого вакуума (< 10-3 мбар), необходимого для работы выключателя в течение его срока службы (30 лет);
3. обеспечение устойчивости номинальных характеристик и, в частности, отключающей способности.
4. Выбор устройств, связанный с требованиями к качеству вакуума:

Любая оболочка в вакууме подвергается снижению уровня создаваемого вакуума, что связано с явлениями дегазации, возникающими, когда давление достигает достаточно низких значений. Дегазация проявляется, прежде всего, на поверхности, что соответствует отделению молекул газа, поглощаемых стенками. Этот газ довольно легко и быстро удаляется под воздействием относительно умеренного нагрева (порядка 200 °С) стенок оболочки во время откачки.
Затем происходит объемная дегазация, соответствующая рассеянию в направлении поверхности металла, растворенного газа, например, водорода. Чтобы избежать того, когда при дегазации, вызванном, в основном, массивными деталями, постепенно снижается уровень вакуума в колбе выключателя, важно следующее:

1. использовать материалы с возможно наиболее низким содержанием газа (например, медь Cu-OFE без кислорода);
2. производить высокую дегазацию этих материалов путем длительной откачки из колбы выключателя при достаточно высокой температуре (обычно в течение десяти часов при температуре примерно 500 °С). Газ, связанный с металлом (в виде химических соединений) не чувствителен к дегазации, напротив, может высвобождаться под действием электрической дуги. Следовательно, необходимо, чтобы материалы, используемые для изготовления дугогасительных контактов, вырабатывались в вакууме для обеспечения возможно наиболее низкой концентрации газа. Корпус выключателя должен быть полностью герметичным, чтобы избежать утечек и проницаемости в условиях эксплуатации. Для этого корпус выключателя изготавливается из металлических и керамических материалов: изоляторы из глиноземистой керамики вытеснили стеклянные, так как могут выдерживать более высокую температуру и, таким образом, обеспечивают лучшую дегазацию.

Соединение металлических частей корпуса выполняется с помощью сварки или высокотемпературной пайки. Соединение керамики с металлом также осуществляется путем высокотемпературной пайки либо с помощью реактивной пайки, обеспечивающей непосредственное соединение с керамикой, или путем обычной пайки с предварительной металлизацией керамического материала (Mo-Mn + Ni).
Конечные операции пайки выполняются в печи в условиях вакуума для обеспечения дегазации материала. Все чаще спайка корпуса колбы выполняется также во время операции вакуумной пайки, что позволяет не производить операцию откачки.
С учетом требуемого уровня герметичности, чтобы обеспечить движение подвижного контакта, применяется одна технология - металлический сильфон. Как правило используется сильфон из аустенитной нержавеющей стали малой толщины (обычно 0,1 - 0,2 мм). Методы присоединения сильфона и спаяных соединений к колбе должны быть тщательно изучены, чтобы обеспечить высокую механическую износостойкость, несмотря на неблагоприятное действие температурных циклов при операциях пайки. Наконец, следует указать материалы, которые используются в малых количествах, но играют важную роль для создания и поддержания во времени высокого вакуума. Это газопоглощающие материалы (геттеры) на основе металла (барий, цирконий, титан и т.д.), проявляющие высокую химическую активность в отношении большинства газов, используемых в корпусах вакуумных устройств. Геттеры активируются в высоком вакууме под действием нагрева до температуры, достаточной для того, чтобы вызвать диффузию поверхностного пассивированного слоя в массе и регенерацию активной металлической поверхности, способной поглощать молекулы газа, присутствующие в выключателе. Эта операция активации выполняется при откачке или при спайке корпуса выключателя путем пайки в вакууме; следует отметить, что именно благодаря использованию геттеров удалось разработать этот последний метод, который является более технологичным по сравнению с откачкой, при том, что обеспечивается удовлетворительное качество вакуума.
Выбор контактного материала
Хороший контактный материал для вакуумного выключателя должен соответствовать определенным требованиям:

1. быть хорошим проводником электричества, чтобы обеспечивать малое переходное сопротивление контакта;
2. иметь хорошую механическую стойкость к повторяющимся ударам, которые испытывают контакты при замыкании;
3. не образовывать твердых сварных соединений в случае включения под нагрузкой или при коротком замыкании, чтобы механизм отключения размыкал контакты, и чтобы разрыв цепи в зоне сварного соединения не вызывал дополнительного повреждения поверхности контактов;
4. выделять малое количество паров металла во время фазы электрической дуги, чтобы обеспечить быстрое восстановление электрической прочности промежутка между контактами после отключения, для чего необходимо:
5. более высокое давление паров;
6. ограниченное выделение капель в фазе плавления материала;
7. представлять хорошие диэлектрические характеристики во время фазы подачи напряжения TVR, для чего необходимо:
8. иметь достаточно гладкую поверхность, без заметных шероховатостей (при низком показателе Р);
9. не иметь точек перегрева, создающих термоэлектронную эмиссию (в случае использования тугоплавких материалов, имеющих пониженную теплопроводность);
10. не иметь свойства образовывать легко отделяемые частицы;
11. обеспечивать поддержание устойчивых катодных пятен до момента, когда ток достигнет малых значений, чтобы минимизировать действие обрыва тока и перенапряжения, связанные с этим явлением, что создает, в частности, достаточно высокое давление пара.

Но порой эти многочисленные нужные качества оказываются противоречивыми. Поэтому необходимо находить приемлемый компромисс для конкретного вида применения в соответствии с выбором приоритетных свойств, а именно:

1. для автоматических выключателей - восстановление электрической прочности диэлектрика после окончания периода горения дуги тока большой силы (хорошая отключающая способность);
2. для контакторов - слабая эрозия и минимальный обрыв тока (электрическая износостойкость и уменьшение перенапряжений);
3. для выключателей нагрузки - стойкость при сварке и электрическая прочность под действием повышенного напряжения (отсутствие повторного пробоя).

В настоящее время наибольший компромисс достигается при использовании композитов, и наиболее широко применяются следующие три группы материалов:

1. для автоматических выключателей - CuCr;
2. для контакторов - AgWC;
3. для выключателей нагрузки и, в частности, для выключателей нагрузки, предназначенных для управления конденсаторами при повышенном напряжении - WCu. Композиты семейства CuCr зарекомендовали себя как лучшие материалы для автоматических выключателей и, похоже, в ближайшее время не будут вытеснены какими- либо другими материалами, несмотря на то, что исследования и разработки в этой области продолжаются. Используемые пропорции составляют 50 - 80 % для меди, остальной процент - для хрома.

Высокое содержание меди благоприятно влияет на удельную электрическую проводимость (низкое переходное сопротивление контакта) и на удельную теплопроводность (хороший отвод энергии дуги). Высокое содержание хрома благоприятно влияет на стойкость при сварке и электрическую прочность под действием повышенного напряжения.
Содержание газа в контактном материале должно быть как можно более низким, так как при плавлении или испарении материала газ выделяется в пространство между контактами и препятствует отключению. Продолжительное действие в вакууме оказывается более благоприятным, чем предполагалось, поскольку хром, который конденсируется на стенках колбы выключателя, играет роль газопоглощающего материала и тем самым поглощает газ.
Наконец, следует отметить, что действие электрической дуги изменяет поверхностный слой материала и повышает его качества за счет:

1. удаления с поверхности газовых включений и окислов;
2. получения очень тонкого гранулометрического состава (оседание расплавленного хрома на матрице меди);
3. гомогенизация материала.

Это действие иногда называют «кондиционированием по току» (по аналогии с «кондиционированием по напряжению» или формированием напряжения пробоя в соответствии с требованиями): в целом работа контактов и отключающая способность улучшаются после нескольких отключений.