Особенности контактной коммутации

Когда контакт в электрической цепи замыкается, его контактные детали сближаются, возрастает напряженность электрического поля между ними и происходит электрический пробой воздушного промежутка между контактными деталями при расстояниях, измеряемых долями миллиметра. Возникшая искра и другие формы газового разряда не развиваются, но во время действия электронной эмиссии, когда электроны бьют по аноду, металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл.

Когда контакт размыкается, контактное нажатие уменьшается, возрастает переходное сопротивление. При силе тока менее 0,1 А и напряжении на контакте 250…300 В возникает тлеющий разряд. Такой разряд характерен для маломощных реле. В более мощных аппаратах он является переходным этапом к разряду в виде электрической дуги. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Для металлических контактных деталей минимальный ток дуги составляет примерно 0,5 А. Температура центральной части дуги может достигать 6000…25000 ^оК. Большая концентрация заряженных частиц (электронов и положительно заряженных ионов) в пламени дуги способствует повышению электропроводности пламени до уровня электропроводности проводников. При этом дуга имеет практически активное сопротивление.

На контакте падает напряжение, причем, падение напряжения U по длине дуги l распределяется неравномерно. Оно может быть представлено с помощью графика, как показано на рис. 2.7.

В непосредственной близости к контактным деталям у катода и анода падение напряжения U и градиент напряжения Е=dU/dl изменяются наиболее интенсивно. Соответствующие области катодного U_К и анодного U_A падений напряжения имеют длину порядка 10^-3 мм каждая. Вне этих областей падение напряжения изменяется с гораздо меньшей интенсивностью, а градиент Е сохраняет практически постоянное значение Е=Е_Д. Эту часть электрической дуги называют стволом дуги. На стволе дуги падает напряжение U_С.

Падение напряжения на дуге представляют в виде:

, (2.1)

где U_Э= U_К + U_A - околоэлектродное падение напряжения, которое составляет 15…30 В и практически не зависит от длины l_Д дуги;

Е_Д - продольный градиент напряжения в стволе дуги, величина которого зависит от силы тока I_Д дуги и составляет примерно 12,5 В/см при I_Д >30 А для дуги, свободно горящей в воздухе при атмосферном давлении. При меньших токах и тех же условиях горения дуги Е_Д обратно пропорционален корню квадратному из I_Д.

На рис. 2.8 показаны типичные для коммутирующих контактов в цепи постоянного тока зависимости падения напряжения на дуге U_Д от тока I дуги, т.е. вольтамперные характеристики (ВАХ) дуги.

Статическая ВАХ 1 отражает зависимость U_Д от установившегося значения силы тока I. Каждой точке статической ВАХ соответствует стационарный режим горения дуги, когда одинаковы интенсивности процессов ионизации и деионизации воздушного промежутка между контактными деталями. Напряжение U_З, соответствующее началу дугового разряда, называют напряжением зажигания дуги. С увеличением тока I падение напряжения U_Д на дуге и сопротивление R_Д дуги уменьшаются.

Положение динамической ВАХ 2 дуги зависит от скорости гашения дуги - скорости уменьшения силы тока от установившегося значения I₀ до нуля. Чем больше эта скорость, тем ниже расположена динамическая ВАХ относительно статической ВАХ. В пределе, с увеличением скорости гашения дуги динамическая ВАХ становится горизонтальной линией (показана на графике пунктирной линией). Напряжение, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения дуги U_Г.

Можно заключить, что коммутирующий контакт, разомкнувшись, при определенных условиях может не отключить электрический ток в цепи из-за возникновения электрической дуги. Нужно учитывать, что вносимое им в цепь сопротивление

зависит не только от управляющего воздействия ρ (см. рис.2.3), которое изменяет величины зазора δ и контактного нажатия F_К, но и от возмущающих воздействий, к которым относятся отключаемый ток I₀ в цепи и напряжение U_сети источника энергии (электрической сети). Влияние внешних возмущений на R_К отражено в структурной схеме контактного узла на рис. 2.3а.