Используемая вакуумная система должна быть очень чистой и снабженной ловушками, поскольку необходимо, чтобы примеси не могли диффундировать обратно из системы в выключатель, где они могут отрицательно повлиять на его диэлектрические свойства. Отпайка производится на горячем выключателе после продолжительного прогрева. Цель такого прогрева — удаление газа с поверхностей различных частей выключателя, расположенных внутри вакуумного объема. Прогрев производят при температуре 400°С или выше в течение нескольких часов. Перед сборкой отдельные части (такие, как экраны) подвергаются более высокотемпературному прогреву для удаления газа из объема металла. Это предотвращает и последующую диффузию газа, нарушающую вакуум.
Изготовление самих контактов требует особого внимания. Обычно металлы содержат большое количество растворенного (а чаще поглощённого) газа. Если этот газ не удалить, то при взаимодействии дуги с поверхностью контакта он высвобождается и портит вакуум. В этом состояла основная проблема, с которой прежде сталкивались разработчики вакуумных выключателей. Перед изготовлением контактов из них удаляют газ, причем его остаточное содержание не должно превышать 10-6. В случае применения материалов со сравнительно низкой температурой кипения, при изготовлении контактов современных вакуумных выключателей, газ удаляется путем зонной очистки или многократной переплавки в вакууме.
При соблюдении таких мер высокий вакуум сохраняется. На практике установлено, что в действующем коммутаторе вакуум со временем даже улучшается. Это происходит вследствие того, что образующиеся во время горения душ металлические пары действуют на оставшийся газ как геттер. Газ уносится паром на экраны и остается на них. Какие-либо геттерные устройства используются редко. Иногда большие экспериментальные вакуумные выключатели присоединяются к ионному насосу для того, чтобы в случае необходимости (при повышении давления по какой-либо причине) контролировать и восстанавливать вакуум. В течении долгих периодов бездействия выключателя (замкнутое состояние в течении нескольких месяцев) происходит диффузия газа из металлических частей расположенных внутри вакуумного объёма, и через саму оболочку выключателя из окружающей среды.
Сохранение начального вакуума в выключателе представляет собой существенную проблему. Контакты большую часть времени замкнуты, и через них идет ток. При этом их чистые неокисленные поверхности склонны к холодной сварке. Это благоприятно при пропускании тока прибором, но представляет недостаток в случае размыкания контактов. Ещё хуже ситуация в случае возникновения разряда при замыкании. Это явление, происходящее при сближении двух контактов в цепи с источником тока. При приближении движущегося контакта к неподвижному, достигается положение, в котором промежуток уже не выдерживает напряжения, приложенного к контактам, и происходит искровой пробой. Искра быстро переходит в дугу, и на обоих контактах возникают (в зависимости от тока) участки расплавленного металла. Через небольшой промежуток времени, когда контакты замыкаются, эти участки остывают и сплавляются, что благоприятствует описанному выше процессу сварки. В большинстве контактных материалов происходит очень сильная сварка, которая гораздо сильнее допустимой.
Эта проблема была решена путем введения небольшого количества примесей в материал контактов. Было установлено что при использовании в качестве основного материала меди удовлетворительные результаты дает добавление висмута, но можно использовать и другие элементы. Примесь накапливается на границах зерен и тем самым уменьшает механическую прочность материала. Сварка происходит, как и раньше, но теперь при работе коммутатора или выключателя контакты легко размыкаются приводом. Приведенные выше замечания относительно сварки контактов еще раз подтверждают важность выбора их материала.
1.4. ОТКЛЮЧЕНИЕ ТОКА В ВАКУУМЕ
Промышленный выпуск вакуумных коммутаторов, пригодных для использования в мощных цепях, начался с 50-х годов 20 века, а вакуумные выключатели для сильноточных цепей появились в 60-х. При размыкании двух токонесущих контактов в вакууме возникает дуга. В отсутствие газовой атмосферы дуга должна гореть в парах металла, из которого изготовлены контакты (т. е. возникает дуга в парах металла). Такая дуга во многом отличается от дуги в газе высокого давления. Она характеризуется наличием диффузной моды горения, а наиболее яркими частями разряда являются быстро движущиеся пятна на катоде. Она характеризуется относительно небольшим (по сравнению с дугой в воздухе) напряжением горения.
Для поддержания дуги необходима меньшая энергия, следовательно механизмы энергоотвода в этих двух случаях различны. Единственными потерями связанными с теплопроводностью, будут потери через электроды, поскольку газовая среда, приводящая к конвективному теплообмену, отсутствует. До тех пор пока ток не достигнет такой величины, что произойдет сжатие дуги, излучением можно почти полностью пренебречь, оно не является существенным фактором.
Потери энергии в дуге, горящей в парах металла, обусловлены наличием струй или диффузионных потоков носителей за счет очень большого градиента давления. Материал должен непрерывно испаряться из катодных пятен (а при сильном токе, когда появляются анодные пятна, и из них). Для ионизации металлического пара и образования носителей должна непрерывно поступать энергия. Значительная доля которой теряется за счет потоков носителей, попадающих на стенки, и не принимающее участия в процессе проводимости. Падение напряжения на дуге, имеет положительную характеристику, т. е. напряжение увеличиваете с ростом тока, (хотя и не прямо пропорционально току).
Процессы, происходящие в критический период вблизи нуля тока, отличаются от тех, которые происходят в обычных для коммутаторов средах. При приближении тока к нулю для поддержания тока требуется все меньшее число носителей. Когда ток обращается в нуль, остаточные носители быстро уходят, контактном промежутке устанавливается диэлектрическое состояние.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.