Физические основы существования дуги в вакууме

Вакуумные выключатели

В последние годы отмечается интенсивное ис­пользование вакуумных коммутаторов в области напряжений 6—110 кВ для создания вакуумных кон­такторов, выключателей нагрузки, вакуумных вы­ключателей для КРУ. Это объясняется рядом бес­спорных достоинств: высокое быстродействие, полная взрыво- и пожаробезопасность, экологи­ческая чистота, широкий диапазон температуры (от +200 до -70 °С), надежность, минимальные экс­плуатационные затраты, минимальные габаритные размеры, повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов нагрузки, произвольное рабочее положение ваку­умного дугогасительного устройства.

Принцип использования вакуума для гашения дуги при высоких напряжениях известен достаточ­но давно. Но практическая реализация стала воз­можна лишь после появления технических воз­можностей - создания вакуумночистых проводни­ковых и изоляционных материалов больших размеров, проведения вакуумночистых сборок этих материалов и получения высокого вакуума до 1,3(10^-2-10^-5) Па.

Физические основы существования дуги в вакууме

Условия существования и гашения дуги в вакуу­ме имеют свои особенности. При расхождении контактов в вакуумной дугогасительной камере (ВДК) в последний момент между ними образуется жидкометаллический мостик, который затем разру­шается. Происходит ионизация паров металла кон­тактного мостика под воздействием приложенного напряжения сети, приводящая к образованию дуги. Таким образом, дуга в вакууме существует из-за ионизации паров контактного материала внача­ле за счет материала контактного мостика, а затем в результате испарения материала электродов под воздействием энергии дуги. Поэтому, если поступление паров контактного материала будет не­достаточно, вакуумная дуга должна погаснуть. При подходе тока к нулю тепловая энергия, выделяю­щаяся в дуге, тоже уменьшается, количество паров металла соответственно снижается и дуга должна погаснуть на первом переходе тока через нуль. Время горения дуги в ВДК не превосходит 10 мс. Кроме того, для вакуумной дуги характерна очень высокая скорость деионизации столба дуги (диф­фузная деионизация носителей тока электронов и ионов), обеспечивающая быстрое восстановление электрической прочности после погасания дуги.

В вакууме электрическая дуга существует либо в рассеянном „диффузном" виде при токах до 10—15 кА, либо в концентрированном „сжатом" виде при больших значениях тока. Граничный ток перехода дуги из одного состояния в другое зависит в значительной степени от материала, геометричес­кой формы и размеров контактов, а также от ско­рости изменения тока. „Диффузная" — дуга в ва­кууме существует в виде нескольких параллельных дуг одновременно, через каждую из которых может протекать ток от нескольких десятков до несколь­ких сотен ампер. При этом катодные пятна, оттал­киваясь друг от друга, стремятся охватить всю контактную поверхность. При небольших токах и значительной площади контактов силы электро­магнитного взаимодействия этих проводников с то­ком (токи одного направления притягиваются) не могут преодолеть сил отталкивания катодных пятен друг от друга. Так как через каждое катодное пятно протекают небольшие токи, это приводит к не­большим размерам опорных пятен дуги на катоде и соответственно тепловая постоянная их оказыва­ется очень малой τ_дифф< 1 мкс.

По мере увеличения тока силы электромагнит­ного притяжения преодолевают силы отталкивания и происходит слияние отдельных дуг в один канал, что приводит к резкому увеличению размеров ка­тодного опорного пятна и соответственно его теп­ловой постоянной τ_сж >> τ_дифф. Вследствие этого по­являются значительные трудности гашения душ, либо происходит полный отказ камеры. Поэтому задачи, стоящие при разработке ВДК, заключаются в создании условий, при которых дуга существовала бы в диффузном виде, либо время воздействия „сжатой" дуги на электроды было бы минималь­ным. Это достигается созданием радиальных магнитных полей, обеспечивающих перемещение опорных точек дуги с высокой скоростью по электродам.

Для получения радиальных и аксиальных маг­нитных полей разработаны различные конструкции контактных систем. В ВДК на номиналь­ное напряжение 10 кВ и номинальные токи отклю­чения до 31,5 А применяются контактные системы с поперечным (по отношению к дуге) радиальным магнитным полем. Контакты со спи­ральными лепестками имеют вид дисков, у которых периферийные участки разрезаны спиральными пазами на сегменты, соединенные в центральной части. В замкнутом состоянии контакты соприка­саются по кольцевому выступу.

При размыкании контактов дуга под воздействием электродинами­ческих сил, возникающих из-за искривления кон­тура тока, перемещается на периферийные участки. При этом из-за спиралеобразных прорезей воз­никает радиальное магнитное поле, под воздейст­вием которого дуга перемещается по периферийным участкам с высокой скоростью, что не вызы­вает появления больших расплавленных зон на электродах. С увеличением тока до 50 кА при ограниченности геометрических размеров электро­дов скорости движения дуг становятся столь вели­ки, что дуга все-таки успевает образовать значи­тельные оплавления особенно острых кромок лепест­ков. Это и ограничило предел отключающей возможности контактных систем такого типа до 50 кА. Новые разработки контактных систем направле­ны на создание аксиального (продольного по отно­шению к дуге) магнитного поля, образованного током отключения.

Схема контактной системы, представленная на рис. позволяет коммутировать токи 100 кА. Создание магнитного поля аксиального параллель­ным дугам не дает им возможности соединиться, что сохраняет дугу в диффузном виде. Ток от цент­рального токоподвода растекается по четырем радиально расположенным токопроводящим „спи­цам", оканчивающимися на периферии провод­никами кольцевой формы, но ограниченными лишь четвертью окружности каждая. В целом это создает один виток, обтекаемый током отключения.

Оконечности этих кольцевых дуг соединяются не­посредственно с электродом, на котором и про­исходит процесс возникновения и гашения дуги. Непосредственно контактирующая поверхность электродов имеет радиальные прорези, препят­ствующие слиянию дуг.

Как отмечалось выше, дуга возникает и сущест­вует в результате ионизации паров материала кон­тактов. При недостаточном их поступлении она должна гаснуть. Но оказывается, что дуга может погаснуть раньше естественного перехода тока через нуль — явление „среза тока". И тогда могут возникнуть опасные как для аппарата, так и для отключаемой цепи перенапряжения. Исследования показали, что максимальный ток среза наблюдается на контактах из молибдена — 14 А, вольфрама — 9 А, меди - 2 А, висмута - 0,3 А. Поэтому в качестве контактного материала не может быть использован какой-либо один металл, а используется сложная композиция на базе металла с высокой тепло- и электропроводностью Сu, а также небольших включений легколетучих компонентов — висмута, сурьмы, хрома и пр. Таким образом удается умень­шить ток „среза" до минимального значения.