Сильноточная вакуумная дуга. Основные применения, определяющие направление исследований

Сильноточная вакуумная дуга. Основные применения, определяющие направление исследований. Основное применение сильноточной вакуумной дуги (СВД) – коммутация тока под высоким напряжением. В настоящее время разработаны и широко используются различные аппараты: вакуумные разрядники, контакторы и выключатели. Кратко опишем задачи, для решения которых предназначены выключатели и контакторы, и их конструкцию. Эти аппараты обычно предназначены для работы в сетях переменного тока промышленной частоты. Аппараты должны пропускать и прерывать номинальные токи ~ кА. Они должны обеспечить возможность прерывания номинального тока десятки и сотни тысяч раз. Но они также должны обеспечить, по крайней мере, несколько раз прерывание тока короткого замыкания, который может превосходить номинальный ток в десятки раз. То есть, должна быть обеспечена возможность прерывания тока ~ 10 – 100 кА. В настоящее время в сетях среднего класса напряжений (до 35 кВ) вакуумные выключатели (ВВ) практически полностью вытеснили другие виды выключателей (воздушные и масляные). Ведётся интенсивная работа по созданию ВВ для сетей с напряжением 70 кВ и выше. Это связано с огромными экономическими и экологическими выгодами от использования ВВ. Задачи контакторов и выключателей схожи, как схожа и их конструкция. Основное отличие в том, что контактор рассчитан на большее число срабатываний

ВВ для промышленных энергосетей переменного тока объединяет в себе вакуумную дугогасительную камеру (ВДК), электрический привод и устройство управления. В ВДК находятся два контакта– неподвижный и подвижный, вводимый с помощью сильфонного соединения. Во включённом состоянии контактные поверхности электродов поджаты друг к другу с помощью сильной пружины (усилие поджатия ~ 50 кг и более), что обеспечивает хороший электрический контакт. Для отключения тока электрический привод, работа которого контролируется устройством управления, отрывает подвижный контакт от неподвижного. При этом поджигается электрическая дуга, которая погасает при проходе тока в цепи через ноль. Задача вакуумного выключателя будет решена, если на обратном полупериоде и далее протекание тока через ВДК окажется невозможным. Это произойдёт при выполнении двух основных условий: 1) к нулю тока привод разведёт электроды на достаточное расстояние; 2) в межэлектродном промежутке быстро восстановится вакуум, который был нарушен при поджиге и горении дуги. Конструкция ВДК должна обеспечить в течение всего времени эксплуатации (а это - десятки лет) сохранение внутри камеры высокого вакуума и высоковольтной изоляции контактов в разомкнутом состоянии. Как видно, ВВ для сетей переменного тока не прерывает ток, а лишь обеспечивает условия, при которых протекание тока после его самопроизвольного погасания становится невозможным. В настоящее время исследуются возможности использования ВВ в сетях постоянного тока. Такие ВВ должны, в полном соответствии со своим названием, обеспечивать прерывание тока. Однако в настоящее время рассматривается возможность прерывания токов лишь ~10 кА и менее.

Вакуумная дугогасительная камера в разрезе. 1. – контакты; 2. – токоведущий штырь неподвижного контакта; 3. – токоведущий штырь подвижного контакта; 4. – металлический экран; 5. – керамический изолятор; 6. – сварной сильфон.

Разработка надёжных и дешёвых ВВ для работы в промышленных сетях столь масштабная задача, что она на долгие годы определила основное направление физических исследований сильноточной вакуумной дуги (СВД). В основном, исследуются СВД в геометрии и с параметрами, характерными для дуги в ВДК. То есть, СВД с плоскопараллельными электродами при h / D << 1 (h ≤ 1 см; h –длина дуги, D – диаметр электродов) при питании их полуволной тока промышленной частоты (50 Гц) амплитудой до 100 кА. Дуга поджигается размыканием электродов. Скорость движения подвижного электрода ~ 1 м/с.

Сильноточная вакуумная дуга.

Контактные системы (КС) первых ВВ, которые производились более 40 лет назад и в которых использовалась свободногорящая дуга, изготавливались из медного цилиндра, к торцу которого припаивались круглые плоские рабочие накладки (или электроды). Такие КС назывались торцевыми. КС изготавливалась из высококачественной меди (безкислородная медь – отечественное название, OFHC copper – зарубежный аналог, безкислородная медь высокой проводимости). К материалу накладки предъявляется целый ряд требований, часть из которых взаимно противоречивы. Материал должен обладать достаточно высокой проводимостью, низкой эрозией в дуге, низким током среза и низкой свариваемостью. Кроме того, он должен удовлетворять жёстким требованиям по электропрочности. Возможности совмещения этих требований искали путем создания различных сплавов. При мерно такие же КС долгое время использовались и для исследований свободногорящих СВД. В современных ВДК используется не свободногорящая дуга, а дуга стабилизированная магнитным полем. Это значительно усложнило конструкцию КС и изменило требования к материалам контактов. В качестве материала для электродов (контактных накладок) в настоящее время используются так называемые композиционные материалы. Это не сплавы, а смеси гранулированных металлов, которые прессуются и спекаются. На конструкции современных КС и используемых в них материалах мы остановимся позднее .