Особенности работы контактов при жидкостном охлаждении

При водяном охлаждении повышение токовой нагрузки на контакты при­водит к соответствующему возрастанию падения напряжения на контактном переходе и резкому возрастанию превышения температуры площадки контакти­рования. Так, при увеличении нагрузки в 5 — 6 раз (а для водоохлаждаемых проводников допустимо еще большее увеличение нагрузки) падение напряжения в том же контакте может составить 80—100 мВ и превышение температуры площадки контактирования над средней температурой контакт-деталей уже будет 140— 180°С (см. рис. 4-5), тогда как средняя температура детали будет невысокой.

Казалось, что для улучшения охлаждения площадку контактирования следует располагать возможно ближе к поверхности, охлаждаемой водой. И действитель­но, по мере приближения площадки контактирования к охлаждаемой водой поверх­ности превышение температуры площадки над максимальной температурой ©отах охлаждаемой поверхности в районе контакта несколько уменьшается. Однако при этом сокращается поверхность наиболее интенсивной теплоотдачи (если hn> /i,, то и sn>su рис. 4-4, а). Последнее приводит к весьма интенсивному повышению температуры наиболее нагреваемой точки О0тах на охлаждаемой поверхности (рис. 4-4, б и в). В итоге температура площадки контактирования возрастает (рис. 4-4, в). Приближение площадки контактирования к охлаждаемой водой по­верхности за некоторой i раницей не улучшает, а, наоборот, ухудшает условия охлаждения. Увеличение расхода воды в таком случае не может заметно понизить температуру.

Таким образом, при повышении нагрузки и интенсивном охлаждении кон­тактов водой можно создать такие условия, при которых контакты будут усиленно окисляться вблизи контактных точек или даже свариваться. Поэтому до­пустимую нагрузку на водоохлаждаемые аппараты следует определять не из усло­вий нагревания контакта, а из условий допустимой температуры физической пло­щадки контактирования. Средняя температура контакт-деталей не может служить критерием для определения допустимой нагрузки на них.

В настоящее время еще не выработаны допустимые нормы нагревания водоохлаждаемых контактов и нагрузок на них. Однако имеющиеся опытные данные позволяют утверждать, что для серебряных контактов можно допустить нагрузки, при которых температура площадки контактирования 0К не превосходит 200 °С. Превышение температуры водоохлаждаемых контактов следует определять не по отношению к температуре окружающего воздуха, а по отношению к средней температуре охлаждающей воды. Что же касается медных контактов, то их, по-видимому, не следует применять при водяном охлаждении по указанной выше причине.

4-5. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ КОНТАКТОВ

Разборное контактное соединение. Такое устройство применяется для жесткого соединения между собой отдельных токоведущих частей. Конструкция должна обеспечивать надежное, не ослабеваемое при эксплуатации прижатие рабочих по­верхностей контакт-деталей и минимальное переходное сопротивление.

Характерные виды соединения плоских проводников (шин) приведены на рис. 4-6. Шины выгоднее скреплять несколькими меньшими болтами (рис. 4-6, Э), чем одним большим (рис. 4-6, а). В первом случае обеспечивается большее число точек соприкосновения, чем во втором. Соединение по рис, 4-6, в обеспечивает большее число точек соприкосновения, чем соединение по рис. 4-6,6. При стягива­нии накладками (рис. 4-6, г) переходное сопротивление ниже, чем при стягивании сквозными болтами. Соединение пакетов шин рекомендуется выполнять по рис. 4-6, д, где число точек соприкосновения примерно в три раза больше и условия охлаждения лучше, чем при соединении по рис. 4-6, е.

Круглые проводники могут соединяться между собой и с плоскими провод­никами следующими способами. Концы проводников расплющиваются или снаб­жаются наконечниками, которые могут напаиваться, привариваться или плотно обжиматься. При токах до нескольких десятков ампер конец проводника может быть свернут в виде кольца (петли) и зажат болтом. Соединение может быть

осуществлено при помощи концентрического зажима. Последнее соединение слож­ное, дорогое и применяется редко.

Коммутирующие контакты. Такие контакты являются основным элементом коммутационных аппаратов. В контактах на малые токи (до нескольких ампер) стремятся независимо от конструктивного исполнения иметь одноточечное контак­тирование, чтобы при малых нажатиях получить относительно высокое удельное давление в контактной точке. При сколько-нибудь значительных токах конструкция должна обеспечивать многоточечное контактирование.

Конструкции контактов чрезвычайно многообразны. Однако по взаимному перемещению контакт-деталей во время соприкосновения контакты могут быть подразделены на соприкасающиеся с перекатом и проскальзыванием — рычажные, соприкасающиеся встык — торцевые, мостиковые и соприкасающиеся с внедрением деталей одного контакта между деталями другого контакта — врубные, розеточ-ные, роликовые.

Для осуществления своих функций контакты могут выполняться одноступен­чатыми и многоступенчатыми.

В одноступенчатом контакте контактная пара служит как для продолжитель­ного проведения тока во включенном положении, так и для разрыва дуги при размыкании.

В многоступенчатых контактных системах (рис. 4-7) с двумя или тремя парал­лельными контактами, между которыми основные функции разделены, достигается лучшее удовлетворение противоречивых требований, предъявляемых к ним. Так, в автоматических выключателях контакты главной цепи (главные) должны обеспе­чивать продолжительное протекание номинальных токов во включенном положе­нии, с одной стороны, и отключение без повреждения выключателя больших токов короткого замыкания — с другой. В связи с этим главные контакты выпол­няются многоступенчатыми. Для удовлетворения первого требования контакты

должны иметь возможно меньшее переходное сопротивление, не изменяющееся при окислении поверхности (основные контакты). Для удовлетворения второго требова­ния следует применять дугостойкие контактные материалы, которые имеют, как правило, высокие переходные сопротивления и непригодны ввиду окисления для длительного проведения тока (дугогасительные контакты). Основные контакты / выполняются из серебра и служат для продолжительного проведения тока, дугогасительные 2 выполняются из дугостойких материалов и играют основную роль при включении и отключении аппарата. Замыкаются контакты в следующей очередности: сначала дугогасительные, а затем основные. При размыкании очеред­ность обратная: сначала размыкаются основные контакты, разрыва цепи не происходит, так как весь ток переходит в дугогасительные контакты, а затем размыкаются дугогасительные, на которых и возникает электрическая дуга.

Иногда применяют систему из трех параллельных контактов: основных, про­межуточных и дугогасительных. Промежуточные контакты служат для облегчения перехода тока из дугогасительных в основные (при замыкании) и обратно (при размыкании).

Рычажные контакты (рис. 4-8) применяются в аппаратах с поворотной по­движной системой. Как правило, оси вращения контакта Oi и подвижной системы 02 не совпадают. Кроме того, контакты касаются раньше, чем подвижная система достигает конечного положения. Вследствие этого при замыкании и размыкании происходит перекатывание и проскальзывание подвижной контакт-детали по не­подвижной, в результате начальная точка касания 1 при замыкании, она же последняя точка касания и точка возникновения дуги при размыкании, оказыва­ется смещенной по отношению к точке 2 конечного касания контактов.

Таким образом, поверхности, обеспечивающие продолжительное проведение тока и определяющие переходное сопротивление контакта, отдалены от места возникновения дуги. Проскальзывание контактов при достаточном контактном

нажатии приводит к стиранию оксидной пленки и грязи с поверхности контакта, т. е. к самоочистке контактов, и это позволяет применять медь в качестве контактного материала.

Проскальзывание при той шероховатости, которую обычно имеют поверхности контактов (в особенности, работавших), вызывает дополнительный дребезг контак­тов при их замыкании, а следовательно, и их повышенный износ. Ввиду этого появилась тенденция исключать или сводить к минимуму проскальзывание, сохра­няя перекатывание.

Для того чтобы подвижная контакт-деталь могла перекатываться по неподвиж­ной, центр вращения первой при перемещении по контактной поверхности второй должен описать развертку круга. Радиус кривизны неподвижной контакт-детали (рис. 4-8,г) может быть вычислен из следующего приближенного уравнения:

г«с(2а-с)/(2Ь), (4-8)

где с — длина дуги АВ от начальной точки контакта А до конечной В; а — рас­стояние от центра вращения подвижной контакт-детали до точки А; Ь — расстоя­ние перемещения точки вращения подвижной контакт-детали; а, Ь, с задаются конструктивно.

Отказ от проскальзывания требует повышения контактного нажатия для обеспечения работы аппарата в продолжительном и прерывисто-продолжитель­ном режимах. При полном отсутствии проскальзывания и недостаточно высоком нажатии следует ожидать высокого перегрева медных контактов за счет постепен­ного окисления конечной контактной точки.

Рабочие поверхности контакт-деталей рычажных контактов выполняются глав­ным образом в виде плоскость — цилиндр, цилиндр — цилиндр.

Рычажные контакты требуют гибкой связи для присоединения к токоподводу, но гибкая связь в ряде случаев является слабым местом контактной системы. Ее трудно осуществить на большие токи, механическая износостойкость ее оказыва­ется ниже, чем других деталей.

Мостиковые контакты (рис. 4-9, а) применяются главным образом в аппара­тах с прямоходовой подвижной системой. Гибкая связь отсутствует, что является достоинством конструкции, но зато требуется удвоенное контактное нажатие сравнительно с рычажными контактами, так как число переходных контактов удваивается. У мостиковых контактов теоретически перекатывание и проскальзы­вание отсутствуют. Поэтому медные контактирующие детали здесь применяться не могут, а используются детали из серебра или металлокерамики на базе се­ребра. Рабочие поверхности выполняются в виде плоскость — плоскость, плос­кость — цилиндр, цилиндр — цилиндр, плоскость — сфера, сфера — сфера (при малых

токах).

На рис. 4-9, а показан мостиковый самоустанавливающийся контакт. Самоуста­новка достигается за счет разных радиусов сферических поверхностей обоймы, мостика и упора и в достаточной степени обеспечивает одновременное касание обоих контактов и снижение (исключение) дребезга при включении.

Торцевые контакты (рис. 4-9,6) выполняются в виде сплошных металлических стержней или полых труб. Контактные поверхности могут быть плоскими, сфери­ческими или одна — плоской, другая — сферической. Контакты имеют большое пере­ходное сопротивление и требуют большого нажатия, поэтому применение их на большие номинальные токи затруднено. Они используются преимущественно как дугогасительные. Торцевые контакты требуют гибкой связи, роликового или дру­гого токоподвода.

Многоточечные торцевые контакты применяются на большие номинальные токи (до 4000 А) при требовании малого переходного сопротивления, в частности в вакуумных выключателях. Пример конструкции многоточечного торцевого контакта приведен на рис. 4-9, в. По существу, это розетка, которая имеет большое число торцевых контактов. В замкнутом состоянии ток проходит как по контактам а, так и по контактам б. При отключении вначале размыкаются контакты б, а затем контакты а. Токоведущие элементы контакта образуют контур, который создает магнитное поле, направленное по касательной окружности. Это поле вызывает радиальную электромагнитную силу, перемещающую дугу с контакта а на контакт б. Таким образом, контакты а могут выполняться из материала с меньшим переходным сопротивлением и меньшей дугостойкостью (медь, компози­ции серебра), а контакты б — из материала с большей дугостойкостью и большим переходным сопротивлением (вольфрам). Общая температура контакта снижается из-за малого переходного сопротивления контактов в замкнутом положении и малого времени горения дуги при отключении. Износ контактов уменьшается.

В многоточечном контакте снижаются пропорционально числу точек электро­динамические силы отброса контактов (см. § 4-10), следовательно, такой контакт имеет большую электродинамическую стойкость и требует меньшего контакт­ного нажатия.

Врубные контакты показаны на рис. 4-10. Простейшие из них на небольшие токи состоят из неподвижной контактной стойки 1, в которую входит подвижный контактный нож 2, направление его движения v показано стрелками. Нажатие осуществляется за счет упругих свойств материала стоек, которым придается соот­ветствующая форма. При перегреве, а также при частых включениях пружинящие свойства губок ослабляются и контакт нарушается. Для устранения указанного недостатка во врубных контактах на большие токи для получения более высоких и устойчивых нажатий применяют стальные пружины 3.

В контактах по рис. 4-10, а соприкосновение происходит по линии. При том же нажатии здесь достигается большее удельное давление, чем при поверхностном контакте, и меньшее переходное сопротивление. Но и эта конструкция чувствитель­на к перекосам контактного ножа. Более совершенной является контактная систе­ма, изображенная на рис. 4-10,6. Здесь неподвижная контакт-деталь 1 охватывается

Рассмотренные конструкции находят широкое применение в рубильниках, пере­ключателях, плавких предохранителях.

В высоковольтных выключателях применяются контакты ламельные врубные (рис. 4-10, в). Подвижная контакт-деталь здесь выполняется из отдельных ламелей 2 (их может быть несколько пар), неподвижная 1 — клинообразной. Подвижная система прямоходовая. Ламели могут быть несамоустанавливающиеся или само­устанавливающиеся. В самоустанавливающейся конструкции ламель может всегда принять положение, обеспечивающее не менее двух контактных точек. Такая кон­струкция более совершенна и дает при равных нажатиях меньшее переходное сопротивление. Рассмотренные контакты могут выполняться на очень большие токи путем параллельного присоединения любого числа пар ламелей.

Розеточные контакты (рис. 4-10,г) состоят из контактного стержня 2 (подвиж­ная контакт-деталь) и ряда сегментов / (ламелей) с пружинами 3, образующих неподвижную контакт-деталь. Розеточные контакты применяются преимущественно в качестве основных.

Роликовые контакты (рис. 4-10, д) служат для токосъема с неподвижных контакт-деталей (стержней) 1, перемыкаемых роликами 2, на подвижную контакт-деталь 3. Ролики как бы заменяют гибкую связь и широко применяются при больших ходах подвижной контакт-детали и больших номинальных токах.

Врубные, роликовые и розеточные конструкции не могут отключать значитель­ные токи. Возникающая при этом дуга нарушает контактные поверхности. На них появляются оплавления, контакт нарушается. Кроме того, резко возрастает усилие, необходимое для включения и выключения. Для отключения значительных токов применяют параллельное включение дугогасительных контактов.

Герметичные контакты. Контакты обычных реле работают в среде атмо­сферного воздуха. Они загрязняются пылью, парами металлов, покрываются оксидами, возникающими при химических реакциях под воздействием электри­ческой дуги (искры), подвергаются влиянию различных атмосферных агрессивных

Рис. 4-11. Герметичный контакт — геркон

газов, водяных паров. Все эти факторы понижают надежность их работы и изно­состойкость, особенно при малых токах и напряжениях, когда окисление рабочих поверхностей может привести к прекращению проводимости контактов. Указанные явления можно ослабить или практически исключить, если поместить контакты в инертный газ или вакуум.

Одним из наиболее перспективных направлений усовершенствования контакт­ных устройств (особенно на малые токи и напряжения) является разработка гер­метичных магнитоуправляемых контактов (МК) — герконов.

Простейшая конструкция МК (рис. 4-11, а) представляет собой стеклянный баллон 1 с заключенными в нем двумя электродами 2 и 4. Баллон заполнен инертным газом (азот, аргон, водород и т. п.) либо вакуумирован до остаточного давления 0,13 — 0,0013 Па. Электроды выполнены из магнитного материала (обычно пермаллоя) и являются одновременно и магнитопроводом. Концы электродов покрываются слоем какого-либо благородного металла (золото, палладий, радий, либо их сплавы), образующим рабочую поверхность F для контактирования.

Управление МК осуществляется магнитным полем, которое может создаваться либо катушкой, либо постоянным магнитом 3. Магнитный поток Ф, проходящий через электроды и воздушный зазор 8 (зазор контактов), при некотором его значении приводит к замыканию рабочих поверхностей электродов и образованию замкнутой электрической цепи. При ослаблении (исчезновении) магнитного потока электроды за счет своих упругих свойств размыкаются, разрывая электрическую цепь. Таким образом, электроды выполняют функции контакта, магнитопровода и контактных пружин.

МК могут выполняться с замыкающими, размыкающими, переключающими, поляризованными, «запоминающими» контактами. По конструкции они могут быть язычковыми, плунжерными, мембранными, шариковыми, ленточными и др. По своим техническим характеристикам МК приближаются к статическим устройствам, обладая в то же время и всеми достоинствами контактных. Они имеют высокое быстродействие (допускают частоту включений до 100 Гц), большой ресурс (107 —109 срабатываний), высокую надежность, обеспечивают коммутацию весьма малых токов при малых напряжениях (единицы микроампер при напряже­нии несколько милливольт), могут применяться во взрывоопасной аппаратуре, до­пускают эксплуатацию при любом положении в пространстве и при большом диапазоне изменения температуры (от -60 до +125°С).

Основными недостатками МК являются их сравнительно малая коммута­ционная и перегрузочная способность, а также низкая электрическая прочность межконтактного промежутка. Коммутационная способность первых отечественных герконов составляла 15-60 Вт, максимальное напряжение 220 В. Выполняется большой объем работ по совершенствованию их конструкций, повышению ком­мутационной способности.

На рис. 4-11,6 приведена конструкция геркона, обеспечивающая:

в поминальных режимах работы коммутацию токов 1 мА -4 А напряже­нием соответственно 200 — 6 В при по­стоянном токе и 6-380 В при перемен­ном токе частотой 50 Гц при мощности нагрузки до 250 В-А;

в редко встречающихся режимах коммутацию токов до 34 — 65 А напря­жением до 418 В, частотой 50 Гц при мощности нагрузки до 3300 В ■ А.

Геркон состоит из подвижной и неподвижной контактных систем, впаянных в стеклянный баллон 1. Неподвижная контактная система представляет собой магнитопровод 2, содержащий участок уменьшенного сечения 7 и два вывода 6, подвижная система включает в себя вывод 5, контактную пластину 3 и якорь 4, установленный против участка магнитопровода уменьшенного сечения.

Системы образуют основные и дугогасительные контакты. Основные контакты образуются полюсными поверхностями якоря и магнитопровода, покрытыми ма­териалом с высокой электропроводимостью. Дугогасительные контакты 8 состоят из напаек, выполненных из тугоплавкого материала, установленных на магнитопро-воде и конце упругого элемента.

Геркон управляется магнитным полем постоянного магнита или катушки. При определенном значении магнитный поток на участке 7 выпучивается и замыкается через якорь. Якорь притягивается к магнитопроводу, замыкая дугогасительные, а затем основные контакты. Отключение контактов происходит в обратной последовательности.

Герсиконы. В отличие от герконов здесь применены различные детали для контактов и магнитопровода (рис. 4-12). Внутрь герметичной оболочки (плата 1, корпус 14 и крышка 9) введены полюсы 2 й 4 электромагнита. Один полюс обеспечивает жесткое крепление конца ферромагнитной пружины якоря 12, несущей подвижную контакт-деталь 10, а второй образует с этой пружиной рабочий зазор в цепи магнитопровода. Ферромагнитная пружина с наружной стороны шунтиро­вана более тонкими ферромагнитными пружинящими пластинками 13, значительно увеличивающими общее сечение якоря электромагнита, но практически не повы­шающими противодействующее усилие. Это позволяет при относительно неболь­шой магнитодвижущей силе получить необходимое электромагнитное усилие. Магнитодвижущая сила создается катушкой 3, размещенной вне герсикона.

Контакт-детали герсикона выполнены массивными с напайками из тугоплав­кого материала. Подвод тока к подвижной контакт-детали осуществляется по­средством гибкой связи высокой проводимости. Неподвижная контакт-деталь 11 крепится на конце специального регулировочного винта 7, введенного внутрь герметичной оболочки. Такое крепление позволяет регулировать зазор, провал и контактное нажатие. Внешние зажимы 5 и 8 расположены вне герметичного корпуса.

Ниппель 6 служит для обеспечения откачки воздуха из герметичного корпуса и заполнения его защитным газом (смесь азота с водородом), обеспечивающим высокую электрическую прочность (до 3000 В).

Герсикон типа КМГ-12 на номинальный ток 6,3 А предназначен для работы в цепях с напряжением 380 — 440 В при частоте 50 — 60 Гц. Он способен включать ток 180 А и отключать ток 60 А. Коммутационная износостойкость контактов при напряжении 380 В и частоте коммутаций 1200 включений и отключений в час двигателя мощностью 1,1 кВт составляет более 10 млн. циклов срабатыва­ний. Герсиконы обладают большим быстродействием — около 10 мс. Мощность, потребляемая катушкой контактора с герсиконом типа КМГ-12, не превышает 2 Вт, что позволяет применять контактор в качестве выходного элемента логических устройств вместо более сложного тиристорного усилителя.

Скользящие контакты. Эти конструкции осуществляют передачу тока без обрыва цепи с неподвижной контакт-детали на подвижную. Они могут выпол­няться с рычажными, мостиковыми, роликовыми и другими контактами.

Разновидностью скользящего контакта является шарнирный контакт. Он одно­временно обеспечивает и механическую связь между деталями. В аппаратах низкого напряжения скользящие соединения широко применяются в реостатах и контроллерах.

Разъемное контактное соединение. Это контактное соединение, которое может быть разомкнуто (замкнуто) без разборки (сборки). Размыкание (замыкание) осуществляют при обесточенной электрической цепи. Конструкции контактов многообразны; главным образом применяются контакты, где детали одного контакта внедряются между деталями другого (врубные, розеточные и т. п.).

4-6. ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Зазор контактов представляет собой кратчайшее расстояние между разомк­нутыми рабочими поверхностями подвижной и неподвижной контакт-деталей (см. рис. 4-8 и 4-9). Зазор контактов обычно выбирается из условия гашения малых токов.

При работе контакты изнашиваются. Чтобы обеспечить надежное их сопри­косновение на длительный срок, кинематика аппарата выполняется таким образом, что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная система (система переме­щения подвижных контакт-деталей) доходит до упора. Контакт крепится к по­движной системе через пружину. Благодаря этому после соприкосновения с не­подвижным контактом подвижный контакт останавливается, а подвижная система продвигается еще вперед до упора, сжимая дополнительно при этом контактную пружину. Таким образом, если при замкнутом положении подвижной системы убрать неподвижную, то подвижный контакт сместится на некоторое расстояние, называемое провалом.

В прямоходовых контактных конструкциях (см. рис. 4-9) провал измеряется непосредственно, а в аппаратах с поворотной системой (см. рис. 4-8) его опреде­ляют величиной зазора 8, контролирующего провал. Провал определяет запас на износ контактов при заданном числе срабатываний. При прочих равных условиях больший провал обеспечивает более высокую износостойкость, т. е. больший срок службы. Но больший провал, как правило, требует и более мощной магнитной системы.

Контактное нажатие — сила, сжимающая контакты в месте их соприкоснове­ния. Различают начальное нажатие Ро в момент начала замыкания контакт-деталей, когда провал равен нулю, и конечное нажатие Р„ при полном провале:

Р0 = сА1х~, Рк = Р0 + сМ2, (4-9)

где с — жесткость контактной пружины, т. е. значение силы в ньютонах, необхо­димой для сжатия пружины на 1 см; A/j — первоначальное сжатие пружины; А'г — дополнительное сжатие пружины при выборе провала.

По мере износа контактов уменьшается провал, а следовательно, и дополни­тельное сжатие пружины. Конечное нажатие приближается к начальному. Таким образом, начальное нажатие является одним из основных параметров, при котором контакт должен сохранять работоспособность.

4-7. ПРОЦЕСС РАЗМЫКАНИЯ КОНТАКТОВ. ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ РАЗМЫКАНИИ

Работоспособность коммутирующих контактов характеризуется процессами при их замыкании (включении) и размыкании (отключении). Рассмотрим сперва процессы при размыкании и износ контактов при отключении цепи. Под износом контактов понимают разрушение рабочих поверхностей контакт-деталей, приводя­щее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала. Происхо­дящий под действием электрических факторов износ будем называть коммута­ционным износом — электрической эрозией. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше коммутационного.

При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрас­тают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней пло­щадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возник­нуть различные формы электрического разряда. При токе и напряжении, больших минимально необходимых (например, для меди при / = 0,5 А и (7 = 15 В), возни­кнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.

Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факто­ров (см. ниже) часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызги­вается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой.

Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот.

Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги).

Износ контактов при малых токах. Эрозия контактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие распыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается только анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.

Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогаситель-ными (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившиеся, но еще не замкнутые контакты и как следствие этого — сваривание контактов.

Износ контактов прн больших токах. Износ происходит от действия многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, получен­ные опытным путем [5].

Зависимость износа от числа размыканий. Износ контактов при данной напря­женности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий. Если износ при одном размыкании равен с, то за п размыкании он будет

Зависимость износа от напряженности магнит­ного поля. Эта зависимость характеризуется кривой на рис. 4-13. При малых напряженностях дуга длитель­ное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит к увеличен­ному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опор­ных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается.

Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса.

Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует наличие перешейка из расплавленного металла. С ростом напряженности возрас­тают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.

Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разой­тись на 1—2 см; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.

Зависимость износа от тока. Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппара­тах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательно включенной дугогасительнои катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока.

Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплав­ляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет измене­ния ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, изме­ряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.

Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам контур тока создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьше­нием скорости их расхождения.

4-8. ПРОЦЕСС ЗАМЫКАНИЯ КОНТАКТОВ. ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ЗАМЫКАНИИ

В процессе замыкания расстояние между контактными поверхностями посте­пенно уменьшается. При некотором расстоянии между ними происходит пробой, возникает дуга, которая гаснет при замыкании контактов. Износ от этого явления

Рис. 4-14. Дребезг контактов при замыкании

следует учитывать в аппаратах на высокое напряжение. В низковольтных аппаратах это явление можно не учитывать.

В коммутационных аппаратах при замыкании происходит коммутационный износ, вызываемый явлением дребезга контактов. В ряде случаев он превосходит износ при размыкании. Подвижная контакт-деталь подходит к неподвижной с опре­деленной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов (имеется в виду контактирующая часть электрического контакта). Упругая деформация приводит к отбросу подвижной контакт-детали — она отскаки­вает от неподвижной на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1 мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой, как показано на рис. 4-14, а. При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их износ.

Дребезг при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря. При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах (рис. 4-14, б).

Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов.

Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между меха­нической (кривая 7) и тяговыми (кривые 2, 3 и 4) характеристиками (рис. 4-15). Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следо­вательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повыше­нию износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

Зависимость износа от начального нажатия Р„ и жесткости контактной пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения — это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг,

а следовательно, и износ (рис. 4-16). На рисунке показан характер дребезга контактов при пониженном и повы­шенном нажатии. Кривая 1/к изображает напряжение на контактах, кривая /к — ток через контакты. Как видно из графиков, при пониженном нажатии контакты размы­кались несколько раз. При повышенном нажатии раз-_». мыкания не было.

Повышение начального нажатия ограничено тяговой

характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение,.при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформации тугой пружины и происходит отброс всей подвижной системы, износ контактов начинает возрастать (штриховая часть кривой на рис. 4-16).

При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим, а следо­вательно, износ несколько снизится.

Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следую­щим образом (см. рис. 4-14). В момент t = 0 произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвиж­ная контакт-деталь остановилась. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижной контакт-детали. Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижная контакт-деталь по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт-деталь отходит на расстояние хк, и под действием контактной пружины контакты снова замыкаются (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так — несколько раз с затухающей амплитудой. На рис. 4-14 обозначено: хк — амплитуда колебаний контакт-детали; ха — величина упругой деформации; хо — остаточная деформация.

Если хк > хп, то произойдет разрыв цепи со всеми вытекающими последст­виями. Такой дребезг является опасным.

Если же хк < хд, то, несмотря на наличие дребезга контактов, разрыва цепи не произойдет, износа контактов не будет. Такой дребезг является неопасным.

Применяемые контактные материалы обладают достаточной упругостью, по­этому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невоз­можно. В таком случае необходимо конструировать аппараты и их коммутирую­щие контакты так, чтобы дребезг контактов был неопасным. Амплитуду хк необ­ходимо всемерно снижать. Время дребезга не должно превосходить 0,5—1 мс.

Максимальное значение амплитуды колебаний контакт-детали для поворотной системы с рычажным контактом определяется формулой Рис. 4-16. Зависимость износа контактов от начального нажатия

пружины; к — коэффициент восстановления, характеризующий упругие свойства материала; J — момент инерции подвижной контакт-детали; со — угловая скорость подвижной контакт-детали в момент удара; с — жесткость пружины. Коэффициент восстановления для некоторых материалов:

Медь.................. 0,95

,. Латунь................................... 0,87

,,.. Железо................................... 0,75

Поделочная сталь.... 0,5

Увеличение начального сжатия пружины или, что то же самое, увеличение начального нажатия Р„, а также увеличение жесткости с контактной пружины

ведут к снижению амплитуды дребезга. При этом большее влияние на амплитуду дребезга оказывает начальное нажатие. Увеличение тя­гового момента М, так же как и увеличение угловой скорости со, ведет к повышению амплитуды дребезга.

Таким образом, снижение дребезга контактов при замыкании и их замыкание без дребезга могут достигаться за счет увеличения начального нажатия и жест­кости пружины, уменьшения массы подвижных контакт-деталей и скорости их замыкания.

Для снижения дребезга при замыкании применяют также искусственные меры, основанные главным образом на компенсации отбрасывающих усилий, возникаю­щих при соударении контактов.

Компенсация отбрасывающих усилий может быть осуществлена за счет исполь­зования части кинетической энергии всей подвижной системы аппарата, как это показано на рис. 4-17. В момент касания контактов происходит остановка мостикового контакта. Все другие детали подвижной системы стремятся про­должить свое движение и через амортизационную пружину временно создают дополнительное нажатие на мостиковый контакт, препятствуя тем самым его отбросу. При соответствующем подборе параметров системы (масса, жесткость пружин, скорость) можно достигнуть существенного снижения времени дребезга контактов и замыкания без дребезга.

Пример другого способа компенсации отбрасывающих усилий при соударе­нии контактов приведен на рис. 4-18. Здесь между мостиковым контактом и ведущей траверсой помещается вкладыш из специального пористого материала. При ударном сжатии в момент касания контактов противодействующие усилия вкладыша весьма велики. Они препятствуют отбросу контактов. Дребезг сни­жается.

Снижение износа при замыкании может быть достигнуто за счет применения параллельных контактов (рис. 4-19). Здесь каждым из контактов включается часть тока. Вследствие разновременного размыкания контактов при их дребезге на отбрасываемом контакте не возникает дуги, что также приводит к снижению износа.

Для снижения и устранения дребезга, вызываемого ударом в магнитной системе, последнюю амортизируют.

Повышению коммутационной износостойкости мостиковых контактов способ­ствует одновременность касания обоих контактов мостика. Достигнуть этого можно при самоустанавливающемся мостиковом контакте. Пример выполнения такого крепления мостика приведен на рис. 4-9, а. Будучи зажат между двумя сферическими поверхностями, мостиковый контакт после некоторого числа вклю­чений принимает положение, при котором достигается одновременное касание контактов.

4-9. РАБОТА КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ

В УСЛОВИЯХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для разборных контактных соединений, так и для коммутирующих контактов.

В разборных контактах слабым местом оказывается болтовое соединение. Болт, стягивающий детали, практически не проводит тока, и вследствие кратковре­менности процесса короткого замыкания можно считать, что температура болта не изменяется. Тепловое расширение токоведущих деталей вызовет дополнитель­ное напряжение, которое, складываясь с напряжением затяжки болта, может при­вести к остаточным деформациям и ослаблению контактного соединения после его остывания. Поэтому болтовые контактные соединения должны проверяться на дополнительные механические напряжения, возникающие в болтовом соедине­нии при коротком замыкании.

Для коммутирующих контактов характерны: а) момент замыкания; б) замкну­тое положение; в) момент размыкания.

При коротких замыканиях возникает опасность сваривания контактов при нахождении их в замкнутом положении (при сквозном токе короткого замыкания) и тем более в момент замыкания (включение на короткое замыкание).

При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного нажатия, вызываемого электродинамическими силами. Тепловая энергия, выделя-

'к

емая в месте контакта и равная §i2Rnepdt, резко возрастает и может вызвать

о

расплавление и сваривание контактов. На практике вследствие кратковремен­ности коротких замыканий такое явление наблюдается редко. Сваривание замк­нутых контактов происходит, как правило, за счет электродинамического отброса, когда электродинамические силы равны контактному нажатию или превосходят его. Возникающая при отбросе контакта дуга вызывает большое оплавление рабочих поверхностей и их сваривание при замыкании.

Для определения минимального тока, при котором происходит сваривание кон­тактов, можно пользоваться следующей опытной формулой (по данным Г. В. Буткевича [21]):

I^K]/WP,....... (4-12)

где I — допускаемая амплитуда ударного тока, А; Р — контактное нажатие, Н; К — коэффициент, зависящий от материала контактов и числа точек соприкоснове­ния (приведен в табл. 4-1).

Таблица 4-1

При включении на короткое замыкание вероятность сваривания контактов возрастает как за счет возможного дребезга, так и за счет меньшего нажатия (в момент соприкосновения контактное нажатие равно начальному Рн).

При отключении токов короткого замыкания происходит сильное выгорание и оплавление контактов. Снижение износа дугогасительных контактов достигается применением дугостойких материалов и быстрым перемещением дуги по кон­тактам.

4-10. СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ В КОНТАКТАХ

Контакт (рис. 4-20, а) может быть представлен как проводник переменного сечения. Согласно выражению (3-49) в месте сужения линий тока возникают продольные электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для одноточечных контактов значение этих сил определяется выражением где s — сечение контакта в месте, где нет искривлений линий тока; s0 — дейст­вительная площадь контактирования; п — число мест контактирования.

В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях, стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или осла­бить действие электродинамических сил.

Например, в мостиковой системе (рис. 4-20, б) электродинамическая сила F2 контакта abed, действующая на мостик и равная

направлена навстречу электродинамическим силам F1 в контактном переходе. Можно подобрать размеры h и а так, чтобы F2 ^ 2F\.

В контактной системе по рис. 4-20, в электродинамическая сила F2 практи­чески отсутствует, а в системе по рис. 4-20, г сила F2 складывается с силами F1. С точки зрения электродинамической устойчивости последняя система является наименее устойчивой.

На рис. 4-20, д показан пример электродинамической компенсации для ры­чажных контактов. Неподвижный контакт состоит из двух частей (1 и 2), соединенных посредством шарнира. Подвижная часть этого контакта удерживается в нейтральном положении двумя пружинами, действующими навстречу друг другу. Электродинамическая сила F2 стремится раздвинуть параллельные части 1 и 2 контакта. Сила F2 направлена навстречу силе F^ Можно подобрать длину тштли / так, чтобы F2h > f i'i- Тогда при коротком замыкании часть 2 кон­такта будет всегда прижиматься к подвижной контакт-детали, и контактное нажатие будет при этом возрастать.

Схема электромагнитного компенсатора приведена на рис. 4-20, е. Магнитное поле токопровода подвижного контакта стремится притянуть якорь 3 магнито-провода компенсатора к неподвижной части 4 последнего. Через рычаг 2 сила F 2 передается на подвижную контакт-деталь 1, препятствуя ее отбросу, вызываемому электродинамической силой F^

В контактах (врубных) по типу рис. 4-10,6 и в компенсация электродинами­ческих сил достигается за счет одинакового направления токов 7/2 в деталях 2.

4-11. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надеж­ность работы. К этим материалам предъявляются следующие основные требова­ния: они должны обладать высокой электрической проводимостью и тепло­проводностью, быть устойчивыми против коррозии и иметь токопроводящую оксидную пленку, быть дугостойкими, т. е. иметь высокую температуру плавления и испарения, быть твердыми, механически прочными и легко поддаваться механи­ческой обработке, иметь невысокую стоимость. Перечисленные требования проти­воречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям.

Для контактных соединений применяются следующие материалы.

Медь. Удовлетворяет почти всем перечисленным выше требованиям, за исключением коррозионной стойкости. Оксиды меди имеют низкую проводимость. Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для раз­борных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях при­меняют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей (см. § 4-2).

В коммутирующих контактах медь применяется при нажатиях свыше 3 Н для всех режимов работы, кроме продолжительного. Для продолжительного режима медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по борьбе с окислением рабочих поверхностей (см. § 4-2). Медь может использо­ваться и для дугогасительных контактов.

При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение медных контактов не Рекомендуется.

Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требо­ваниям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Оксиды серебра имеют почти такую же про­водимость, как и чистое серебро. Серебро используется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима Работы, в контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей). Серебро обычно применяется в виде накладок — вся деталь выполняется из меди или другого материала, на который привари­вается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность.

Алюминий. По сравнению с медью обладает значительно меньшими прово­димостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую оксидную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может исполь­зоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью. Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алю­миния, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нару­шится (не следует завышать контактное нажатие).

Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют оксидных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопро­тивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с иридием.

Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой темпе­ратуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и сплавы вольфрам — молибден, вольфрам — платина, вольфрам — платина — ири­дий и другие применяются при малых токах для контактов с большой часто­той размыкания. При средних и больших токах они используются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.

Металлокерамика — механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую прово­димость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплав­ким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дуго-стойкость с относительно хорошей проводимостью. Наиболее распространенными композициями металлокерамики являются: серебро — вольфрам, серебро — мо­либден, серебро — никель, серебро — оксид кадмия, серебро — графит, серебро — графит — никель, медь — вольфрам, медь — молибден и др. Применяется металло­керамика для дугогасительных контактов (композиции с серебром в основном для ■переменного тока) на средние и большие отключаемые токи, а также для глав­ных контактов на номинальные токи до 600 А.

4-12. ЖИДКОМЕТЛЛЛИЧЕСКИН КОНТАКТЫ

Исследования и разработки в области твердометаллических контактов направ­лены на получение наиболее оптимального контактного материала с точки зре­ния экономичности и удовлетворительных электрофизических свойств. Продолжа­ются интенсивные поиски таких контактных материалов, в которых была бы значительно снижена доля благородных металлов, и прежде всего серебра.

В ряде случаев наиболее предпочтительными являются жидкометаллические контакты (ЖМК), которые в последнее время получают все большее применение.

Исторически ЖМК появились одновременно с первыми электротехническими устройствами, в которых требовалась коммутация электрического тока или пере­дача электрической энергии с неподвижных частей электрических аппаратов и машин на их подвижные части. Например, до 90-х годов XIX века для всех выключателей характерно было использование ртути в качестве элемента размы­кающего контакта. По мере развития электротехники и электропромышлен­ности устройства с ЖМК из-за сложности и большого неудобства в эксплуата­ции были заменены устройствами с твердометаллическими контактами.

В последнее время ЖМК вновь начали привлекать внимание электротехни­ков. Объясняется это рядом причин, в частности проблемой коммутации больших постоянных токов (сотни килоампер) в установках электролиза, сверхпро­водящих системах, мощных электромагнитах при токосъеме в униполярных машинах и т. п. [16].

Основными достоинствами ЖМК являются малое переходное сопротивление, отсутствие необходимости в контактном нажатии, отсутствие отбрасывающих электродинамических сил в переходном контакте, отсутствие дребезга, сваривания и залипания контактов, возможность работы при больших внешних давлениях, высоком вакууме, высоких температурах, высокая механическая и коммутацион­ная износостойкость. Свойства текучести жидкого металла позволяют создавать коммутационные устройства на новых принципах действия. Имеются пути мини­атюризации контактных аппаратов как в направлении уменьшения габаритов приводных механизмов, так и в направлении повышения уровня допустимых температур в месте контактирования.

ЖМК обладают и недостатками, которые в ряде случаев препятствуют широкому их применению. К основным недостаткам ЖМК следует отнести довольно высокую температуру плавления и относительно высокую стоимость жидких металлов и сплавов, необходимость герметизации контактного узла, зави­симость работоспособности аппарата от положения в пространстве, токсичность ряда материалов.

Из указанных наиболее существенным недостатком является высокая темпера­тура плавления жидких металлов. Если учесть, что от современных аппаратов требуется надежная работа при температуре от — 60 °С, то устранение этого недостатка является наиболее трудным. Однако появившиеся в последнее время в литературе сведения об амальгамах ртути и сплавах на основе щелочных ме­таллов, имеющих температуру плавления от — 56 до — 58 °С, позволяют ожидать, что после соответствующих исследований найденные легкоплавкие металлы избавят ЖМК от их основного недостатка. Герметизация контактов применяется и в аппаратах с твердометаллическими контактами как способ обеспечения принципа работы аппарата (вакуумные выключатели) и как способ повышения коммутационной износостойкости (герконы, герметизированные реле), а также как защита от агрессивных сред (элегазовые выключатели). Следует считать, что развитие соответствующих технологий будет способствовать более широкому при­менению МЖК.

В настоящее время признаны перспективными разработки, направленные на создание контактов, состоящих из твердометаллического каркаса, пропитанного жидким металлом. Например, жидкий металл удерживается в порах каркаса за счет капиллярных сил. Такой контакт (названный проф. О. Б. Броном компо­зиционным) обладает вибростойкостью, его работа не зависит от положения аппарата в пространстве. При правильной конструкции ему присущи достоинства твердометаллического и жидкометаллического контактов при минимуме их не­достатков. Освоение технологий и рост выпуска приведет и к снижению стои­мости.

Схемы конструкций некоторых аппаратов с жидкометаллическими контактами
приведены в главе 19.

ГЛАВА 5

Процесс коммутации электрических цепей

5-1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Под коммутацией электрических цепей подразумевается операция замыкания и (или) размыкания электрической цепи, при которой изменение ее сопротивления происходит практически скачкообразно (ГОСТ 18311—80).

В контактном аппарате отключение электрической цепи (размыкание контак­тов) физически представляет собой процесс перехода межконтактного промежутка аппарата из состояния проводника электрического тока в состояние диэлектрика (изолятора). В бесконтактном аппарате коммутирующий (переключающийся) эле­мент под воздействием каких-либо физических величин (электрическое или маг­нитное поле, температура и т. п.) меняет свое сопротивление («запирает» цепь). У первых отношение сопротивлений коммутирующих элементов в разомкнутом и замкнутом положениях составляет 1010 —1014, у вторых отношение сопротивле­ний в «запертом» и «открытом» состояниях имеет значения 104—107.

Следует отметить, что у контактных аппаратов изменение сопротивления коммутирующего устройства, а следовательно, и тока в цепи происходит скачко­образно, т. е. в ограниченный (доли секунды) промежуток времени. Такой режим применительно к аппаратам на небольшие токи называют также релейным. У бесконтактных аппаратов в зависимости от характера (скорости) изменения управляющей величины изменение сопротивления коммутирующего элемента мо­жет происходить как скачкообразно, так и плавно. В первом случае аппарат работает в коммутационном (релейном) режиме «открыто» — «закрыто», во вто­ром — в режиме регулятора (работа в этом режиме рассматривается в курсах теории автоматического регулирования).

Каждая электрическая цепь обладает определенной индуктивностью L и емкостью С. Переход из одного состояния в другое занимает определенное время, так как каждому установившемуся состоянию цепи соответствует определенный запас энергии электрических W3= CU2/2 и магнитных WM — Ы2/2 полей. Эта энер­гия может изменяться только непрерывно. Отсюда вытекают следующие законы коммутации [24, 30].

В начальный момент ^коммутации ток в индуктивной цепи остается таким же, каким он был непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется.

В начальный момент после коммутации напряжение емкостной цепи остается таким же, каким оно было непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется. Ток через емкостную цепь может изменяться скачком.

5-2. ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ ПРОМЕЖУТКЕ

Размыкание электрической цепи с помощью контактов электрических аппара­тов сопровождается, как правило, возникновением дугового разряда между этими контактами. Дуговой разряд возникает в случаях, когда значения тока и напряже­ния на контактах превосходят некоторые критические значения, которые зависят от материала контактов, параметров цепи, окружающей среды и многих других факторов. Например, на медных контактах при нормальном атмосферном давле

нии дуга возникает при токах, превышающих 0,5 А, и напряжении не ниже 15 В. При меньших значениях тока и напряжения размыкание кон­тактов сопровождается образованием искр.

Возникновение и горение дуги в воздушном промежутке между контактами свидетельству­ют об ионизации этого промежутка. В обыч­ных условиях воздух является хорошим изолято­ром (для пробоя воздушного промежутка в 1 см при атмосферном давлении требуется приложить напряжение не менее 30 кВ). Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц — отрицательных, в основном свободных электронов, и положительных — ионов. Процесс отделения от нейтраль­ной частицы одного или нескольких электронов и образования свободных элект­ронов и положительно заряженных частиц — ионов называется ионизацией.

Физически процесс отключения цепи — электрического ее разрыва — состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в восстановлении его диэлектрических свойств и прекращении вслечствие этого электрического раз­ряда.

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. Вольт-амперная характеристика последовательных его стадий в воздухе при атмосфер­ных условиях приведена на рис. 5-1 [21].

В зоне ОВ ток сперва (участок ОА) растет с ростом напряжения, а затем (участок АВ) практически не меняется — наступает «насыщение» — все заряды, содержащиеся в промежутке, достигают электродов, а дополнительной ионизации не возникает. Зона ОВ представляет собой зону несамостоятельного разряда. Здесь ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, свет, рент­геновские лучи и др.).

За точкой В напряжение становится достаточным для начала самостоятель­ного разряда. Это форма разряда (зона за точкой В), когда носители электри­чества возникают в разрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих самому газоразрядному каналу.

Участок ВС соответствует стадии пробоя, или таунсендовской стадии (по имени Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии). Наиболее харак­терные признаки стадии пробоя — ударная ионизация, незначительные простран­ственные заряды, лавинообразный процесс образования электронов и ионов.

Когда мощность источника способна вызвать в цепи токи порядка милли­ампер, возникает тлеющий разряд (участок CD), для которого характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неоднородного электрического поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода. Тлеющий разряд характеризуется высоким падением напряжения у катода (200-250 В) и малыми токами (до 0,1 А).

Участок DE является переходным от тлеющего разряда к дуговому, где пре­обладающей формой ионизации является термическая ионизация. При атмосфер-ом и более высоком давлении дуговой разряд характеризуется [21]:

ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой;

высокой плотностью тока в стволе дуги (до сотен ампер на квадратный мИллиметр);

высокой плотностью тока на катоде и малым падением напряжения у катода (10-20 В);

высокой температурой внутри ствола ду| и, достигающей 5000—10 000 К и бо­лее и обеспечивающей термическую ионизацию.

Рассмотрим основные физические процессы, приводящие к ионизации и де-ионизации воздушного промежутка.

Ионизация. Ионизация газа может происходить под действием многих фак­торов, таких, как свет, космические лучи, высокая температура, электрическое поле и другие. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значе­ние имеют: из процессов, происходящих у электродов, автоэлектронная и термо­электронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом стволе, термиче­ская ионизация и ионизация толчком.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление выхода электронов из катода под воздействием сильного электрического поля — 105 В/см и выше. Такие напряжен­ности у катода могут создаваться пространственными зарядами, а также в про­цессе расхождения контактов. Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости [26]. Емкость в начальный момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 10s —108 В/см. Ток автоэлектрониой эмиссии весьма мал и может быть достаточным только для начала развития дугового разряда.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500 К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить за счет термических процессов. Такое явление имеет место в электрических аппаратах при расхождении контактов, где последняя площадка контактирования сильно разогревается, часто до расплавления и испарения. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскален­ная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и мате­риала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее го­рения.

Возможно и совместное существование автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холод­ном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и моле­кула) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свобод­ный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется иониза­цией толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен дви­гаться с некоторой определенной скоростью, зависящей от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость дви­жения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необ­ходимо иметь на длине свободного пробега, чтобы электрон к концу пути при­обрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потен­циала ионизации.

Рис 5-2. Зависимость степени ионизации от температуры

WOO 8000 12000 16000 20000 К

Энергия ионизации Ки для газов составляет 13-16 эВ (азот, кислород, водород) и до 24,5 эВ (гелий), для паров металла она примерно в два раза ниже (7 7 эВ для паров меди). Энергия иони­зации газовой смеси определяется самой низкой энергией ионизации одного из компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов,