Процессы при размыкании и замыкании при наличии напряжений (токов)

Наиболее сложные электрические и механические процессы в контактных устройствах возникают в динамическом режиме, когда соединение происходит при наличии токов и напряжений. При малых токах и напряжениях (порядка микровольт и микроампер) влиянием электрических процессов на работу контактного устройства можно пренебречь. Однако, когда коммутируемые токи и напряжения достаточно велики, они оказывают существенное влияние на работу контактных устройств.

Процесс замыкания происходит сравнительно просто. По мере сближения контакт-деталей воздушные промежутки пробиваются напряжением, действующим в цепи. Этот пробой существенно не влияет на работу контактного устройства, кроме случаев коммутации высоких напряжений, так как контакты продолжают сближаться до соприкосновения.

Более сложные процессы происходят при размыкании контакт-деталей, и надежность контактов при частом размыкании ухудшается. При определенном соотношении между током и напряжением при размыкании возникает дуга, сопровождающаяся переносом металла с одной поверхности контакт-детали на другую и его потерей, появлением неровностей на поверхностях контактов и образованием пленок из-за высокой температуры. Это так называемая дуговая эрозия контактов.

Возникновение дуги определяется тем, что при разведении контакт-деталей возникает значительная напряженность электрического поля. В результате происходит образование дуги, которая не исчезает и при дальнейшем раздвижении контактов в результате сильной ионизации. Условия образования дуги зависят от многих факторов: металла контакт-деталей, значений напряжений и токов, состава окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей, наличия емкостей и индуктивностей в электрической цепи. Загрязнение окружающей среды и наличие индуктивностей в цепи облегчают возникновение дуги и ухудшают работу контактного устройства.

Характеристики дугообразования для незагрязненной окружающей среды, чистых поверхностей и при отсутствии индуктивностей и емкостей в цепи известны. В первом приближении справедливо выражение для условия дугообразования:

где U_Д и I_Д - минимальные значения напряжения и тока дуги;

U и I - напряжение и ток в цепи;

- коэффициент, зависящий от скрытой теплоты испарения контактов.

На рис. 6.10 показаны области образования дуги для некоторых металлов. Обычно U_Д =8...25 В, I_Д =0,5...1,3 А. Так, например, для серебра U_Д =8 В, I_Д =0,9 А; для золота U_Д =25 В, I_Д =0,5 А; для меди U_Д =25 В, I_Д =1,3 А. Эти значения указывают границы, в пределах которых следует учитывать явление дуговой эрозии.

Если ток и напряжение в цепи меньше U_Д и I_Д, то дуга не образуется, когда в цепи нет индуктивности. Если в цепи есть индуктивность, то после резкого изменения тока, связанного с размыканием, на ней создается большое напряжение U_К.РАЗМ, которое практически оказывается приложенным к размыкаемому промежутку. Поскольку U_К.РАЗМ > U_P, то происходит пробой воздушного промежутка между контакт-деталями. Чем больше коммутируемый ток и индуктивность, тем легче возникает дуга. Очевидно, что этот эффект не наблюдается в соединителях, которые сочленяются и расчленяются в нерабочем состоянии аппаратуры.

При малых токах и напряжениях при размыкании не образуется дуги, но происходит мостиковая эрозия. Из-за шероховатости поверхности при размыкании контактов все больше и больше контактных точек перестает контактировать. При этом возрастает переходное сопротивление и падение напряжения на нем, а плотность тока в точках контактирования достигает 1000 А/см². Мощность, выделяемая в контакте, резко увеличивается и рассеивается в нескольких точках, где металл начинает плавиться. Контактирующие поверхности продолжают расходиться, металл «тянется» до тех пор, пока механически не разрушается. На поверхности остаются «столбики», которые из-за повышенной температуры окисляются. Постепенно поверхность разрушается. Для каждого металла характерно определенное напряжение, при котором наблюдается плавление при размыкании. Значения напряжений и температур плавления для некоторых металлов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1