Конструкции вакуумных выключателей

Основным элементом вакуумных выключателей является вакуумная дугогасительная камера. На напряжения 6,10 и 35 кВ выключатель компонуется с одним разрывом на полюс, на напряжение свыше 110 кВ используется большее количество дугогасительных камер.

Некоторые фирмы разработали вакуумные камеры с одним разрывом на 84 кВ. Принципиально это возможно, поскольку электрическая прочность вакуумного промежутка весьма высока. Однако конструкции таких вакуумных дугогасительных камер весьма громоздки, технология их изготовления сложна и требует больших затрат. Механический ресурс таких выключателей резко снижается, поэтому они не получили широкого применения.

В существующих конструкциях вакуумных выключателей дугогасительные камеры могут быть произвольно ориентированы в пространстве. Дугогасительная камера может быть закреплена либо за конец токоведущего стержня ее неподвижного контакта, либо посредством шпилек или иных крепежных элементов на фланце подвижного контакта. Если камера закреплена за конец стержня неподвижного контакта, то при включении ударные нагрузки через неподвижный контакт передаются непосредственно несущим опорным конструкциям аппарата. Механические нагрузки на изоляционный корпус в этом случае будут относительно небольшими, главным образом вибрационного характера. В виде упругих колебаний они распространяются от зафиксированного контактного стержня по сопряженному с ним фланцу камеры и передаются от последнего на корпус. Если же камера закреплена посредством монтажных элементов, связанных с фланцем подвижного контакта, то ударные воздействия при включении аппарата передаются его несущим опорным конструкциям через изоляционный корпус, который, равно как и места его спая с армирующими фланцами, должен быть рассчитан на многократные ударные нагрузки.

Не допускается жесткое крепление камеры с обоих концов, так как при этом из-за любой неточности монтажа либо вследствие изгиба опорной конструкции выключателя в корпусе могут возникать чрезмерно высокие механические напряжения, опасные для данного изоляционного материала. Если камера крепится за стержень неподвижного контакта и вместе с тем на ней предусмотрены монтажные шпильки или иные элементы у противоположного фланца, они могут быть использованы для установки боковых распорок, помогающих выдерживать резкие боковые нагрузки механического или электродинамического происхождения на неподвижный контакт.

Для вакуумных выключателей на напряжения 6, 10 и 35 кВ, на которых достаточно применить одну дугогасительную камеру на полюс, может быть предусмотрена простая связь приводного механизма с контактным устройством посредством изоляционной тяги, на конце которой монтируются специальные развязывающие устройства, обеспечивающие необходимый провал контактов.

В вакуумных выключателях с двумя разрывами на полюс камеры зачастую устанавливают горизонтально, располагая симметрично по разные стороны центральной колонки с механизмом управления. Внешне полюс такого выключателя принимает Т-образную форму, причем камеры в этом случае устанавливаются подвижными контактами навстречу один другому, а оперирование ими осуществляется посредством проходящей внутри колонки изоляционной тяги, сочлененной наверху с контактами промежуточной рычажной передачей.

В тех случаях, когда необходимо иметь на выключателе три и более камер на полюс, их, как правило, располагают в ряд, одну за другой. Оперирование подвижными контактами здесь производится обычно с помощью специальной пространственной конструкции, посредством которой эта система сочленяется с подвижными контактами отдельных камер. В качестве приводного механизма для вакуумного выключателя иногда применяется гидравлическая система управления, особая привлекательность которой заключается в малом ходе подвижных контактов в таком аппарате.

Конструкция камер и способ их подключения в цепь должны быть таковы, чтобы при сборке выключателя в заводских условиях, монтаже либо замене отдельных камер в процессе эксплуатации подвижные контакты не оказались подверженными воздействию чрезмерных скручивающих или изгибающих усилий, которые могут привести к повреждению сильфона.

Контактное нажатие в вакуумной дугогасительной камере должно быть достаточным для того, чтобы создать низкое переходное сопротивление, обеспечить надежное включение на ток КЗ и удерживать контакты замкнутыми при токах КЗ.

Вследствие исключительно высокой электрической прочности вакуумных промежутков ход подвижных контактов камеры обычно очень мал. Так, у вакуумных камер на 10 кВ он составляет 8—12 мм, а у камер вакуумных контакторов на 3,3 кВ — около 2 мм.

Скорость включения контактов должна удовлетворять одновременно двум противоположным требованиям.

С одной стороны, скорость в момент соприкосновения контактов должна быть достаточно мала, чтобы не вызывать чрезмерных механических напряжений в момент соударения. Это обусловлено тем, что отдельные детали камер в процессе производства подвергаются пайке и дегазации при довольно высоких температурах и имеют невысокую механическую прочность. Кроме того, низкая скорость включения также позволяет снизить упругие колебания сильфона и тем самым повысить его механический ресурс. Наконец, низкая скорость движения контактов в момент их соударения способствует более мягкому включению выключателя и исключает вибрацию его контактов.

С другой стороны, повышение скорости включения контактов уменьшает длительность дугового разряда в камере, вызванного предварительным пробоем межконтактного промежутка. Это уменьшает эрозию контактов, их сваривание и вероятность возникновения в цепи повторяющихся пульсаций напряжения, вызванных нестабильностью разрядных характеристик промежутков между сближающимися контактами в период, непосредственно предшествующий предварительному пробою. В современных вакуумных выключателях скорости включения контактов в момент их встречи составляют 0,5 — 0,8 м/с.

Оптимальная скорость размыкания контактов должна быть такова, чтобы они за один полупериод промышленной частоты успевали пройти расстояние, равное примерно 50 — 80% полного раствора контактов в отключенном положении. У большинства вакуумных выключателей скорость размыкания контактов составляет 1,6 — 2 м/с.

При конструировании вакуумных выключателей свариванию контактов уделяется особое внимание. В большинстве случаев принято контакты изготавливать из материалов, плохо поддающихся свариванию и образующих сравнительно слабые в механическом отношении сварные соединения, достаточно хрупкие, чтобы их можно было легко разрушить при оперировании выключателем, не повреждая при этом каких-либо его элементов, для обеспечения надежной работы вакуумного выключателя в различных режимах эксплуатации. Для демпфирования ударных нагрузок предусматривают эластичные прокладки, либо сочленяемые узлы содержат металлические элементы, способные упруго деформироваться при соударении (воздушные демпферы).

Основной причиной износа коммутирующих контактов вакуумного выключателя является электрическая эрозия их рабочей поверхности под воздействием дугового разряда; износ контактов из-за чисто механического многократного оперирования выключателя без тока незначителен. Допустимый износ контактов вакуумных дугогасительных камер составляет 3 мм, что вполне соответствует гарантируемому коммутационному ресурсу — до 50 000 отключений номинального тока и до 200 отключений номинального тока отключения.