Одна статья для понимания стадий размыкания контактов вакуумного выключателя

Этапы размыкания контактов вакуумного выключателя: инициирование дуги, гашение дуги и колебания

Этап 1: Начальное открытие (фаза инициирования дуги, 0–3 мм)
Современная теория подтверждает, что начальная фаза размыкания контактов (0–3 мм) является критической для прерывания вакуумных выключателей. В начале размыкания ток дуги всегда переходит от сжатого режима к рассеянному — чем быстрее происходит этот переход, тем лучше характеристики прерывания.

Три меры могут ускорить переход от сжатой к рассеянной дуге:

• Уменьшение массы движущихся компонентов: в процессе разработки вакуумных выключателей уменьшение массы проводящего зажима помогает уменьшить инертность движущихся частей. Сравнительные испытания показывают, что этот подход улучшает начальную скорость открытия в различной степени.

• Увеличение силы пружины открытия, обеспечивая ее эффективность на ранней стадии открытия (0–3 мм).

• Минимизация хода сжатия контактов (оптимально 2–3 мм), позволяющая пружине открытия вступать в процесс разъединения как можно раньше.

Традиционные выключатели обычно используют конструкцию с вставными контактами. При коротком замыкании электромагнитные силы заставляют пальцевые контакты плотно обхватывать проводящий стержень, что приводит к нулевому компоненту силы в направлении движения. В отличие от этого, вакуумные выключатели используют плоский контактный интерфейс. При коротком замыкании сильная электромагнитная сила действует как отталкивающая сила на контакты.

Это означает, что размыкание контактов не нужно ждать полного освобождения пружины сжатия контакта — размыкание происходит почти одновременно с движением основного вала (с незначительной или минимальной задержкой). Поэтому при минимальном ходе сжатия пружина открытия может действовать раньше, увеличивая начальную скорость открытия. Поскольку начальная движущая сила в этой фазе — это электромагнитное отталкивание, масса, которую необходимо минимизировать, включает все движущиеся компоненты. Таким образом, конструктивные решения, такие как разделенные или сборные механизмы, часто включающие длинные и многочисленные связи, непригодны для вакуумных выключателей, так как они препятствуют достижению высоких начальных скоростей открытия.

Этап 2: Гашение дуги (3–8 мм)
Когда контакты разомкнуты на 3–4 мм, переход дуги в рассеянный режим обычно завершен — это оптимальное окно для гашения дуги. Обширные испытания подтвердили, что оптимальный промежуток для прерывания составляет 3–4 мм. Если нуль тока происходит в этот момент, плотность металлического пара быстро уменьшается, и диэлектрическая прочность через промежуток восстанавливается быстро, что приводит к успешному прерыванию. Движущая сила на этом втором этапе — пружина открытия.

В трехфазной системе, если гашение дуги происходит на первом нуле тока, время горения дуги составляет примерно 3 мс (предполагая, что контакты разомкнуты примерно посередине между двумя нулями тока, когда промежуток уже достаточно велик). Для того чтобы достичь гашения при промежутке 3–4 мм, средняя скорость открытия в этой фазе должна быть 0,8–1,1 м/с. Переведя это на общепринятую меру 6 мм, эквивалентная средняя скорость открытия составляет около 1,1–1,3 м/с — диапазон, широко принятый вакуумными выключателями во всем мире. Однако эти данные получены из механических испытаний без нагрузки. Во время прерывания больших токов фактическая скорость открытия значительно выше из-за дополнительной электромагнитной отталкивающей силы, способствующей движению контактов. В результате в течение того же времени движущийся контакт может пройти 6–8 мм.

Для минимизации времени горения дуги на втором этапе должны применяться специальные демпфирующие меры, чтобы быстро уменьшить скорость движения проводящего стержня. Время включения масляного буфера должно быть тщательно контролировано. На первом этапе требуется быстрое размыкание, но пружина открытия еще полностью не вступила в действие. На втором этапе скорость должна быть снижена — пружина открытия не должна быть слишком сильной, иначе она будет препятствовать снижению скорости, продлевая время горения дуги и усложняя третий этап.

Этап 3: Колебания (8–11 мм)
Из-за малого промежутка между контактами и короткого времени открытия в вакуумных выключателях быстро движущиеся контакты должны быть остановлены в очень короткое время. Независимо от используемого метода демпфирования, скорость изменения остается высокой, что делает сильный механический удар неизбежным. Остаточные колебания обычно продолжаются около 30 мс. В настоящее время, как отечественные, так и зарубежные вакуумные выключатели требуют примерно 10–12 мс для того, чтобы движущийся контакт разомкнулся и вошел в зону колебаний, в то время как длительность горения дуги обычно составляет 12–15 мс. Очевидно, что локально расплавленная поверхность контакта начинает охлаждаться и затвердевать только после входа в зону колебаний. Эти интенсивные колебания неизбежно разбрызгивают расплавленный металл, образуя острые выступы на поверхности контакта и оставляя подвешенные металлические частицы между контактами — ключевые внешние факторы, способствующие повторным пробоям. Такие недостатки конструкции часто не полностью выявляются в ограниченных типовых испытаниях, что приводит к недостаточному осознанию этой проблемы в течение длительного времени.

Заключение
Проектировщики вакуумных выключателей должны внимательно следить за всем процессом размыкания контактов. Ключевые стратегии включают: уменьшение массы движущихся частей, увеличение начальной скорости открытия, своевременное снижение скорости на втором этапе и минимизацию времени горения дуги, чтобы дуга погасла до того, как контакты войдут в зону колебаний. Это обеспечивает достаточное время для охлаждения поверхности контакта и снижает интенсивность колебаний. Хорошо спроектированный профиль размыкания, соответствующий этим механическим и электрическим принципам, значительно повышает как механический, так и электрический срок службы, улучшая общую надежность и производительность.