Жидкометаллические контакты

Наиболее характерные недостатки твердометаллических контактов следующие:

1. С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше резко увеличиваются габариты и масса аппарата в целом.

2. Эрозия контактов ограничивает износостойкость аппарата.

3. Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ контактные нажатия достигают больших значений, что увеличивает необходимую мощность привода, габариты и массу аппарата.

Рис. 1 Контактор с жидкометаллическим контактом

Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (ЖМК) (рис. 1). Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2. Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса заполнены жидким металлом 4 и соединяются между собой отверстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды 1и 2, контактор включается.

По сравнению с твердометаллическими ЖМК обладают следующими преимуществами:

1. Малое переходное сопротивление и высокие допусти­мые плотности тока на поверхности раздела жидкий ме­талл – электрод (до 120 А/мм), что позволяет резко сократить габаритные размеры контактного узла и контактное нажатие, особенно при больших токах.

2. Отсутствие вибрации, приваривания, залипания и окисления контактов при их коммутации.

3. Высокая механическая и электрическая износостойкость ЖМК. что позволяет создавать аппараты с большим сроком службы.

4. Возможность разработки коммутационных аппаратов на новом принципе (автоматический восстанавли­вающийся предохранитель благодаря свойст­вам текучести жидкого металла).

5. Возможность работы ЖМК при высоких внешних давлениях, высоких температурах, в глубоком вакууме.

К электрическим аппаратам обычно предъявляется тре­бование сохранять работоспособность в интервале темпе­ратур
± 40 °С. Очевидно, что жидкий металл должен со­хранять свое состояние в указанном интервале. Из извест­ных материалов только ртуть находится в жидком виде при температуре ниже 0 °С и может быть в чистом виде пригодна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути суще­ственно осложняет технологию ее применения.

В ЖМК перспективно применение диэлектрического или металлокерамического твердого каркаса, пропитанного жидким металлом. В этом случае жидкий металл удержи­вается в капиллярах каркаса и образует на его поверхности пленку, с которой происходит контактирование. Такие ЖМК могут занимать любое положение в пространстве.

На рис. 2 показан выключатель с ЖМК на номиналь­ный ток 40 кА и номинальное напряжение 100 В. В выключателе используется двухступенчатая контактная система. Главные жидкометаллические контакты состоят из двенадцати мостиковых контактов, включенных парал­лельно. Дугогасительные имеют четыре параллельных мостиковых контакта и снабжены металлокерамическими пла­стинами. На вводе 1 главного мостикового контакта сверху располагается углубление 2 с жидким контактным мате­риалом. В этом углублении находятся сетчатые прокладки 3 пропитанные жидким металлом. Подвижный твердометаллический контакт 4 укреплен на мостике 5. Внизу рас­положена вторая траверса 6, в которой также имеется углубление с жидким металлом и сетчатой прокладкой 7. Твердометаллический контакт 8 расположен на вводе 1.

Рис. 2. Выключатель с жидкометаллическим контактом

Аналогичное устройство имеет вторая половина мостикового контакта.

Дугогасительный неподвижный контакт из металлоке­рамики 9 расположен на вводе 10, подвижный 11 – на мо­стике дугогасительных контактов 12. Аналогичное устрой­ство расположено на второй половине выключателя. Вы­ключатель имеет пневматический привод. При включении вначале перемещается верхний мостик 11 вниз, а нижний 13 вверх. Происходит замыкание дугогасительных контак­тов. Затем перемещается верхний мостик 5 главного кон­такта вниз, а нижний 6 вверх. При этом замыкаются глав­ные контакты. При отключении вначале размыкаются (без дуги) главные контакты, а затем дугогасительные. Следует отметить, что из-за большого тока в переходных контактах выделяется мощность около 2 кВт. Для рассеивания этой мощности контактные мосты снабжены радиаторами 14 и 15. Применение ЖМК дает возможность снизить пере­ходное сопротивление контактов, уменьшить мощность при­водного механизма и габаритные размеры всего аппарата в целом.

Весьма перспективным является применение ЖМК в самовосстанавливающихся предохранителях.

Необходимо отметить и недостатки ЖМК:

1. Обычно применяемые контактные материалы галий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева кон­тактов до момента включения, так как температура окру­жающей среды может быть ниже температуры затвердева­ния этих материалов.

2. Большинство аппаратов с ЖМК требуют определен­ного положения в пространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибраций), что затрудняет их применение.

1.2. Аппараты с жидкометаллическими
контактами

Основные виды аппаратов с жидкометаллическими контактами (ЖМК):

1. Разборные контактныесоединения;

2. Предохранитель жидкометаллический самовосстанавливающийся;

3. Реостаты с плавным изменением сопротивления;

4. Разъединители;

5. Контакторы;

6. Магнитогидродинамические реле;

7. Коммутационное устройства «режущего» типа;

8. Коммутационное устройства «пережимного» типа.

Разборные контактные соединения

Переходная пластина (прокладка), располагаемая между контактирующими элементами, представляет собой легкодеформирующуюся по объёму металлическую (медную) фольгу, покрытую с каждой стороны легкоплавким составом (температура плавления 50-75 °С). При сборке контактного соединения фольга за счёт сжатия деформируется. При прохождении тока покрытие пластины вследствие нагрева плавится. В результате деформации и расплавления покрытия происходит полная или частичная заполнение зазоров между микронеровностями контактирующих поверхностей. Физическая площадь контактирования существенно увеличивается (в пределе до 100 % рабочей поверхности контакта). Тем самым уменьшается переходное сопротивление и значительно повышается его стабильность.

Жидкометаллический самовосстанавливающийся
предохранитель

Это устройство (рис. 3) которое состоит из электроизоляционной трубки с капиллярным отверстием, заполненным жидким металлом. Капилляр с жидким металлом закрыт герметично и имеет специальное демпфирующее устройство. При протекании через капилляр тока определённого значения металл в нём испаряется, образуется паровая пробка, электрическая цепь размыкается. Через некоторое время пары металла конденсируются и цепь восстанавливается.

Рис. 3. Предохранитель жидкометаллический самовосстанавливающийся: 1, 8 – присоединительные зажимы; 2 – металлический корпус; 3 – керамический слой электрической изоляции;
4 – втулка с капиллярным отверстием; 5 – жидкий металл; 6, 7 – демпфер (поршень и объем сжатого газа)

Такие предохранители включаются последовательно с выключателем, который отключает цепь после того, как предохранитель её разомкнёт. Совместная работа обоих аппаратов строго синхронизирована с учётом того, что восстановление электрической проводимости предохранителя составляет 5-6 мс.

Реостат с плавным изменением сопротивления

На изоляционной оси 3 (рис. 4) закреплены резисторы 2, выполненные в виде разомкнутых колец, которые соединены между собой электрически с помощью перемычки 1. Нижние части колец погружены в ванны 5 и 8 с ртутью, к ваннам присоединены токоподводы 6 и 7. При повороте оси (штурвалом 4) изменяется длина пути тока по кольцам, а, следовательно, изменяется и сопротивление реостата.

Рис. 4. Реостат с плавным изменением сопротивления

Разъединитель многоамперный

Конструкция этого разъединителя разработана в МЭИ и приведена на рис. 5. В качестве жидкого металла в нем используется тройная эвтектика гелия, индия и олова. Аппарат состоит из соосно расположенных токоподводов 1 и 7. Внутри токоподвода 1 имеется полость, в которой расположен подвижный контакт, состоящий из ферромагнитного плунжера 2, на котором закреплены концентрические трубки 4.

В зазорах между трубками и в зазоре между подвижным контактом и токоподводом 1 размещен жидкий металл 33. В токоподводе 7 закреплен неподвижный контакт6, который также выполнен в виде концентрических трубок с жидким металломмежду ними. В качестве изолятора применена стеклянная трубка5. Коммутацияосуществляется воздействием внешнего магнитного поля на ферромагнитный плунжер.

Рис. 5. Разъединитель многоамперный

Разъединитель для подвода тока к деталям, не допускающим какого бы то ни было механического воздействия, состоит из корпуса 2 (рис. 6) внутренней полости 4. Деталь 11, к которой подводится ток, может иметь как цилиндрическую, так и прямоугольную форму. Уплотнение 12 выполнено из эластичного материала с внутренней полостью 13. Шина 3 предназначена для подвода тока. На корпусе закреплены сильфоны 1, 7 и 9. Сильфон 9 соединен через канал 10 с внутренней полостью уплотнения 12. Жидкий металл 6 заливается в сильфон 7 и покрывается защитной жидкостью 5. На сильфоне 7 закреплен регулировочный винт 8, служащий для обеспечения очередности операций – герметизации детали 11 но электрического ее присоединения. Сильфон 1 служит для компенсации давления в полости 4.

Рис. 6. Разъединитель для подвода тока к деталям,
не допускающим какого бы то ни было механического воздействия

После ввода детали 11 через уплотнение 12 в полость 4 сжимается сильфон 7. При этом происходит герметизация детали 11, а затем осуществляется электрический контакт через жидкий металл. Приводное устройство ставится на защелку.

Цепь готова для включения тока, отключение цепи происходит в обратном порядке.

Цепь обесточивается, снимается защелка, сильфоны 7 и 9 приходят в исходное положение, деталь 11 может быть отведена.

Электромагнитный ртутный контактор

В корпус 1 (рис. 7), разделенный изоляционной перегородкой 2, заливается жидкий металл 3, на поверхности которого плавают полые ферромагнитные плунжеры 4. При подаче напряжения на катушку 5 плунжеры 4 погружаются в жидкий металл, который через отверстие 6 замыкает электрическую цепь. Разрыв цепи происходит при снятии напряжения с катушки. Поскольку разрыв происходит по жидкому металлу, то обеспечивается высокая эрозионная стойкость контакта.

Рис. 7. Электромагнитный ртутный контактор

Коммутационное устройство «режущего» типа
изображено на рис. 8.

Электроды 1 и 6 размещены в углублениях изоляционных пластин 3 и 5, между которыми расположена изоляционная пластина 4 с отверстием 2. Жидкий металл заполняет углубления в пластинах 3 и 5 и отверстие 2. Когда отверстие 2 расположено между углублениями пластин 3 и 5, цепь электродов замкнута. При перемещении пластины 4 в крайнее правое (левое) положение отверстие с заполняющим его металлом находится между изоляционными пластинами, электрическая цепь разрывается.

Рис. 8. Коммутационное устройство режущего типа

Жидкометаллический коммутационный аппарат
«пережимного» типа показан на рис. 9.

Он состоит из: 1 и 4 – электроды; 2 – эластичная оболочка; 3 – подвижный пережимной элемент; 5 – упор; 6 – жидкий металл. Коммутация осуществляется путем пережима оболочки с жидким металлом.

Рис. 9. Жидкометаллический коммутационный аппарат
«пережимного» типа