Гашение дуги в вакуумной среде

В вакуумном дугогасительном устройстве (ДУ) контакты расходятся в среде с давлением 10^-4 Па (10^{-6 мм} рт. ст.), при котором плотность воздуха очень мала. Длина сво­бодного пробега молекулы достигает 50, а длина свобод­ного пролета электрона 300 м. При таких условиях элек­трический пробой между электродами затруднен из-за отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение про­межутка длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ.

Процесс горения и гашения дуги в вакууме при перемен­ном токе происходит следующим образом.

При размыкании контактов контактное нажатие непрерывно уменьшается, а переходное сопротивление контактов увеличивается и при нажатии, равном нулю, стремится к бесконечности. Даже при небольших токах в момент размыкания контактов из-за выделения большого количества тепла материал контак­тов плавится и образуется жидкий металлический мостик, который под действием высокой температуры нагревается и испаряется. При разрыве мостика загорается дуга, кото­рая горит в среде паров металлов электродов. Вакуумная дуга характеризуется малым паде­нием напряжения, составляющим 20—30 В. Прак­тически через 10 мкс после прохождения тока нуля между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Это вызвано очень быстрой диффузией зарядов из-за большой разницы в плотностях частиц в дуге и окружающем ее вакууме.

Боль­шим достоинством этого ДУ является высокая скорость восстановления электрической прочности промежутка.

Ва­куумные выключатели являются в настоящее время наиболее эффек­тивными и долговечными. Их срок службы без ревизии до­стигает 25 лет.

Срок службы контактов вакуумного выключателя в основном обусловлен следующим.

Образующиеся в результате ионизации электроны движутся с огромной скоростью к аноду. В результате бомбардировке анода электронами, образуются положительные ионы. Освободившиеся положительные ионы движутся к катоду и разрушают его.

Следует отметить, что высокие значения напряженности электрического поля при малых расстояниях между кон­тактами также способствуют возникновению дуги в вакууме благодаря автоэлектронной эмиссии.

Для нормальной работы вакуумного выключателя имеет большое значение дегазация контактов, так как адсорбированные ими газы при разогреве выделяются и ухудшают вакуум. С целью удаления газовых включений из контактов их на­гревают в течение нескольких часов до красного каления.

Для вакуумной дуги характерен обрыв (срез) тока при подходе к нулевому значению. Это объясняется тем, что при уменьшении тока пада­ет давление паров металла. В результате дуга становится неустойчивой и гаснет.

Резкое уменьшение тока может вызывать перена­пряжения, опасные для отключаемого оборудования. Ток среза зависит как от параметров отключаемой цепи, так и от свойств материала контактов. Вольфрам обладает ус­тойчивостью к свариванию, высокой температурой плавле­ния и износостойкостью. Однако при вольфрамовых кон­тактах значения тока среза и перенапряжений очень высо­ки, так как пары вольфрама создают низкое давление. Перенапряжения при медных контактах в 2,5 раза ниже, но они более подвержены свариванию и износу. Эти противо­речия устраняются сегодня разработкой и применением специальной металлокерамики.

Среди известных производителей вакуумных выключателей можно выделить следующие фирмы:

в России - «Таврида Электрик» и НПО « Контакт» (г. Саратов).

в Германии - концерн «Сименс».

На Украине – Ровенский завод высоковольтной аппаратуры

Рассмотрим устройство вакуумного выключателя, выпускаемого предприятием « Таврида Электрик», экземпляр которого имеется на кафедре ЭПП.