Физические процессы в дугогасительных устройствах вакуумных выключателей

Гашение электрической дуги в вакуумных выключателях происходит в глубоком вакууме (1,3-102 — 1,3-105 Па), обладающем весьма высокой электрической прочностью, вследствие чего значительно уменьшаются межконтактный промежуток и габариты дугогасительного устройства по сравнению с масляными и воздушными выключателями. Вакуумная дугогасительная камера (ВДК) состоит из следующих основных элементов (рис. 1): изоляционного корпуса, токоведущих стержней с коммутирующими контактами, системы металлических экранов, фланцев и сильфона.

Рис. 1. Дугогасительная камера вакуумного выключателя: 1 — изоляционная камера; 2 — токоведущий стержень с контактами: 3 — экран; 4 — фланец; 5 — сильфон

Изоляционный корпус обеспечивает электрическую прочность. По внутренней поверхности (вакуум внутри камеры на уровне 1*102 — 105 Па поддерживается за счет применения вакуумплотной изоляционной керамики и герметичного сварного соединения фланцев с корпусом).

Токоведущая система с коммутирующими контактами обеспечивают длительное протекание номинального тока, кратковременное (до 3 с) протекание тока КЗ и гашение дуги в процессе отключения.

Система экранов обеспечивает защиту внутренней поверхности изоляционного корпуса от попадания испарившихся частиц материала контактов, выравнивание распределения напряженности поля внутри камеры.

Сильфон обеспечивает свободное перемещение подвижного контакта без нарушения герметичности камеры.

Рис. 2. Зависимость разрядных напряжений в однородном поле от расстояния между контактами для различных изоляционных сред:

1 — вакуум; 2 — масло; 3 — элегаз; 4 — воздух

Электрическая прочность изоляционного промежутка в вакууме чрезвычайно высока, поскольку практически исключено лавинообразное нарастание количества заряженных частиц при их ударной ионизации из-за весьма низкой плотности газа (рис. 2). Как видно, в однородном поле уже при длине промежутка /к = 10 мм разрядное напряжение превышает 200 кВ. Поэтому длина корпуса дугогасительной камеры (или изоляционной ее части) определяется необходимой электрической прочностью воздушного промежутка между фланцами корпуса и поверхности корпуса при увлажнениях. Для вакуумных выключателей наружной установки необходимая электрическая прочность при увлажнениях загрязненных поверхностей обеспечивается выбором длины пути тока утечки.

При этом следует иметь в виду, что изоляционный корпус разомкнутого выключателя может оказаться под воздействием двойного рабочего напряжения (если напряжения на контактах оказываются в противофазе).

Длина воздушного промежутка между фланцами (без учета длины металлической части корпуса при его наличии) определяется исходя из требований надежной работы при расчетных воздействиях перенапряжений на один из контактов и рабочего напряжения — на другой контакт.

При известном разрядном напряжении необходимая длина воздушного промежутка определяется по экспериментальным зависимостям разрядных напряжений от длины изоляционного промежутка или приближенно, исходя из средней разрядной напряженности Ерср = 500 кВ/м (при длине промежутков до 0,5 м).

Следует заметить, что из-за наличия экранов вблизи внутренней поверхности изоляционного корпуса импульсное разрядное напряжение снижается, что приводит к необходимости значительного увеличения длины изоляционного корпуса.

На корпус дугогасительной камеры воздействует атмосферное давление (сжимающие усилия). При увеличении диаметра корпуса давление на него пропорционально нарастает. Для уменьшения толщины стенки корпуса его диаметр принимается минимальным допустимым исходя из условий обеспечения надежной работы аппарата. При этом минимальный диаметр определяется из условия ограничения влияния экранов на электрическую прочность межконтактного промежутка. На основании эксперементальных исследований установлено, что расстояние от контактов до экранов принимается приблизительно равным тройной длине межконтактного промежутка. При этом влияние экранов на электрическую прочность межконтактного промежутка достаточно мало.

Дуга в вакуумных дугогасительных устройствах возникает за счет ионизации электронами испарившихся частиц расплавленного мостика между контактами в начальный момент их размыкания и горит до тех пор, пока на контактах выделяется энергия, достаточная для поддержания в межконтактном промежутке концентрации паров металла, при которой может существовать дуговой разряд.

Весьма интенсивная деионизация межконтактного промежутка в вакуумных дугогасительных устройствах обусловлена высокой скоростью восстановления электрической прочности промежутка по сравнению с другими дугогасящими средами (рис. 3). Так, при расстоянии между контактами, равном 10 мм, эта скорость составляет 15 — 20 кВ/мкс.

Рис. 3 Зависимость восстанавливающейся электрической прочности межконтактного промежутка от времени в различных средах: 1 — вакуум; 2 — элегаз; 3 — азот; 4 — водород

При подходе тока к нулевому значению выделяющаяся на электродах энергия (следовательно, и концентрация паров металла) резко уменьшается, и дуга гаснет до достижения током в коммутируемой цепи значения, равного нулю. В результате происходит срез тока, вызывающий перенапряжения в коммутируемой цепи, для предотвращения которого применяются специальные меры.

В межконтактном промежутке вакуумного выключателя в зависимости от тока и принятых конструктивных мер дуга может поддерживаться в диффузной или сжатой (каналообразной) форме. Граничный ток, при котором дуга переходит из одной формы в другую (около 10 кА), зависит от конструкции, размеров и материала контактов, а также от скорости изменения тока.

Падение напряжения на дуге диффузной формы не зависит от тока и составляет десятки вольт (для медных электродов — 20 В). Оно пропорционально произведению значений теплопроводности и температуры точки кипения материала катода.

Для сжатой формы дуги падение напряжения увеличивается при увеличении тока. При этом возрастают плотность тока и выделяемая на электродах энергия, что приводит к значительному увеличению постоянной времени распада дуги (до нескольких миллисекунд против микросекунд для диффузной формы дуги). В связи с этим необходимо, чтобы в процессе отключения при подходе тока к нулевому значению дуга сохраняла диффузную форму.

Дуга, возникающая при размыкании контактов, горит в парах металла, генерируемых самими контактами. Носители зарядов генерируются в основаниях дуги, образующихся на поверхности контакта, являющегося катодом. Первоначально (при малых токах) их число пропорционально мгновенному значению тока, и дуга имеет диффузную форму, т.е. ток более или менее равномерно распределен внутри межконтактного промежутка. Непрерывная генерация пара компенсируется его уносом и осаждением на поверхностях контактов и экранов. При уменьшении тока и подходе его к нулевому значению уменьшается генерация пара и снижается количество носителей заряда в промежутке.

При большом токе такая форма дуги становится неустойчивой, она стягивается в шнуровидную (контрагированную) форму, близкую к классической форме дуги в воздухе. Увеличение плотности тока приводит к усиленному нагреву анода и его оплавлению в анодном основании дуги. В этой фазе вакуумная дуга горит в металлическом паре высокого давления и по своим характеристикам приближается к дугам в газовых средах. Однако при подходе тока к нулевому значению дуга снова переходит в диффузную форму, давление паров снижается и процесс ее гашения облегчается.

Снижение давления пара в межконтактном промежутке и увеличение за счет этого отключаемого тока осуществляется быстрым движением контрагированной дуги и снижением тем самым нагрева анода. Это движение создается с помощью магнитного поля, имеющего радиальное (поперечное) либо продольное направление в межконтактном зазоре по отношению к дуге.