Jedna článek k pochopení fáz odpojení kontaktu vakuového vypínače

Fáze oddělení kontaktů vakuového vypínače: Založení oblouku, uhašení oblouku a kmitání

Fáze 1: Počáteční otevření (fáze založení oblouku, 0–3 mm)
Současná teorie potvrzuje, že počáteční fáze oddělení kontaktů (0–3 mm) je klíčová pro vypínací výkon vakuových vypínačů. V okamžiku začátku oddělování kontaktů proud oblouku vždy přechází z koncentrovaného režimu do difuzního režimu – čím rychlejší tento přechod, tím lepší vypínací výkon.

Tři opatření mohou urychlit přechod od koncentrovaného k difuznímu oblouku:

• Snížení hmotnosti pohyblivých částí: Během vývoje vakuových vypínačů snížení hmotnosti vedoucí klece pomáhá snížit inertii pohyblivých částí. Srovnávací testy ukazují, že tento přístup zlepšuje počáteční rychlost otevírání v různém rozsahu.

• Zvýšení síly pružiny otevírání, aby byla efektivní již v rané fázi otevírání (0–3 mm).

• Minimalizace cesty stlačení kontaktů (ideálně 2–3 mm), což umožňuje, aby se pružina otevírání zapojila do procesu oddělování co nejdříve.

Tradiční vypínače obvykle používají spojovací kontakty. Při krátkém spojení elektrické síti elektromagnetické síly způsobují, že kontakty prstů pevně obejmou vodič, což vede k nulové složce síly ve směru pohybu. Naopak, vakuové vypínače používají rovinové kontaktní rozhraní. Když dojde k krátkému spojení, silná elektromagnetická síla působí jako odpuzující síla na kontakty.

To znamená, že oddělení kontaktů nemusí čekat na úplné uvolnění pružiny stlačení kontaktů – oddělení probíhá téměř současně s pohybem hlavního hřídele (s negliberním nebo minimálním zpožděním). Proto, s minimální cestou stlačení, může pružina otevírání působit dříve, což zlepšuje počáteční rychlost otevírání. Jelikož počáteční pohonnou silou v této fázi je elektromagnetická odpuzující síla, musí být minimalizována hmotnost všech pohyblivých částí. Tedy, strukturální návrhy, jako jsou dělené nebo montované mechanismy – často s dlouhými a mnoha spojkami – nejsou vhodné pro vakuové vypínače, protože brání dosažení vysoké počáteční rychlosti otevírání.

Fáze 2: Uhašení oblouku (3–8 mm)
Když se kontakty oddělí na 3–4 mm, přechod oblouku do difuzního režimu je obvykle dokončen – toto je optimální okno pro uhašení oblouku. Rozsáhlé testy potvrdily, že ideální mezera pro uhašení oblouku je 3–4 mm. Pokud dojde k nulovému proudu v tomto okamžiku, hustota kovové páry rychle klesá a dielektrická síla mezi mezerou se rychle obnovuje, což vede ke šťastnému uhašení. Pohonnou silou v této druhé fázi je pružina otevírání.

V trojfázovém systému, pokud dojde k uhašení oblouku v prvním nulovém proudu, doba trvání oblouku je přibližně 3 ms (pokud se kontakty oddělí uprostřed dvou nulových proudů, kdy mezera je dostatečně velká). Aby bylo dosaženo uhašení v mezeře 3–4 mm, průměrná rychlost otevírání v této fázi by měla být 0,8–1,1 m/s. Přepočteno na běžně používanou hodnotu 6 mm, ekvivalentní průměrná rychlost otevírání je přibližně 1,1–1,3 m/s – rozsah, který je široce používán vakuovými vypínači po celém světě. Nicméně, tato data pocházejí z mechanických operačních testů bez zatěžování. Při vypínání vysokých proudů je skutečná rychlost otevírání výrazně vyšší díky dodatečné elektromagnetické odpuzující síle, která přispívá k pohybu kontaktů. V důsledku toho se v daném časovém rámci pohyblivý kontakt může posunout 6–8 mm.

Aby byla minimalizována doba trvání oblouku, by měla být v druhé fázi použita speciální tlumičská opatření, která rychle sníží rychlost vodiče. Čas zapnutí olejového tlumiče musí být pečlivě řízen. První fáze vyžaduje rychlé oddělení, ale pružina otevírání ještě není plně zapojena. Ve druhé fázi by měla být rychlost snížena – pružina otevírání nesmí být příliš silná, jinak nedovolí snížení rychlosti, prodlouží dobu trvání oblouku a komplikuje třetí fázi.

Fáze 3: Kmitání (8–11 mm)
V důsledku malé kontaktní mezery a krátké doby otevírání vakuových vypínačů musí rychle pohybující se kontakty být zastaveny v extrémně krátké době. Bez ohledu na použité tlumičské metody zůstává změna rychlosti vysoká, což dělá silný mechanický šok nezbytným. Zbývající kmitání obvykle trvá přibližně 30 ms. V současné době domácí i zahraniční vakuové vypínače trvají přibližně 10–12 ms, než se pohyblivý kontakt oddělí a vstoupí do kmitací zóny, zatímco doba trvání oblouku je obvykle 12–15 ms. Je zřejmé, že lokálně roztavená povrchová vrstva kontaktu začne chladit a tuhnout až po vstupu do kmitací zóny. Toto intenzivní kmitání nevyhnutelně rozpráší roztavený kov, vytváří ostré výstupky na povrchu kontaktu a zanechává visící kovové částice mezi kontakty – klíčové vnější faktory přispívající k znovuvznícení. Takové konstrukční nedostatky jsou často plně odhaleny až po omezených typových testech, což vede k nedostatečnému uvědomování této problému po dlouhou dobu.

Závěr
Návrháři vakuových vypínačů musí pečlivě sledovat celý proces oddělení kontaktů. Klíčové strategie zahrnují: snížení hmotnosti pohyblivých částí, zvýšení počáteční rychlosti otevírání, rychlé snížení rychlosti ve druhé fázi a minimalizaci doby trvání oblouku, aby se oblouk uhasil před vstupem kontaktů do kmitací zóny. To poskytuje dostatečný čas na ochlazení povrchu kontaktu a snižuje intenzitu kmitání. Dobře navržený profil oddělování, který je v souladu s těmito mechanickými a elektrickými principy, významně zlepšuje jak mechanickou, tak elektrickou životnost, což zlepšuje celkovou spolehlivost a výkon.