Режимы работы контактов

При коммутации электрической цепи работу контактов можно разделить на следующие режимы: режим замыкания, режим замкнуто го состояния и режим размыкания.

Режим замыкания. В этом режиме возможны следующие процессы: 1) вибрация контактов, 2) эрозия контактов.

При замыкании подвижный контакт приближается к неподвижному контакту с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов

Рис. 9. Процесс вибрации контактов Это приводит к отбросу подвижного контакта, и он отскакивает от неподвижного на десятые или сотые доли миллиметра. Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой (рис. 9). При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая износ контактов в виде оплавления и распыления материала контактов. Для уменьшения вибрации контактная пружина должна иметь предварительное сжатие при разомкнутых контактах. В момент кассания контактов сила нажатия возрастает не из нуля, а от величины предварительного нажатия.

Увеличение жесткости контактной пружины способствует уменьшению вибрации. На вибрацию контактов влияет момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается.

При протекании больших токов через контакты вибрация усиливается из-за возникновения электродинамических усилий (ЭДУ), отбрасывающих контакты. Поэтому, для компенсации действия ЭДУ, необходимо увеличивать нажатие контактных пружин.

В режиме замыкания контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии происходит пробой межконтактного промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии и в дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и замыкает контакт.

Однако пробой промежутка вызывает перенос металла с одного контакта на другой (с анода на катод). Происходит физический износ или эрозия. В аппаратах высокого напряжения, при сближении контактов, пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов. Для устранения пробоя применяют несколько разрывов, последовательно соединенных между собой.

Режим замкнутого состояния. В этом режиме возможны два случая: 1) через контакты проходит длительное время номинальный ток; 2) через контакты проходит ток короткого замыкания.

При длительном номинальном токе на переходном сопротивлении контакта выделяется мощность, которая вызывает нагрев контакта. Это приводит к размягчению и плавлению материала контактов. Поэтому, контакт характеризуется двумя точками (рис. 10): точкой размягчения (рекристаллизации) с параметрами U_к1 и θ_к1 (U_к1 – падение напряжения, θ_к1 – температура) и точка плавления с параметрами U_к2 и θ _к2, значение которых приведено в таблице 1.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номи-

нальном токе I_н падение напряжения на переходном сопротивле- нии было меньше допустимого

I_нR_п< U_кдоп = (0.5 - 0.8) U_к1. (6)

При коротком замыкании через контакты проходят токи в 10…20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки практически мгновенно повыша-

Рис. 10. Зависимость падения напряжения ется и может достигнуть темпера-

на контакте от температуры туры плавления. Это может привести к свариванию контактов.

Таблица 1. Параметры точек рекристаллизации и плавления

контактов из различных материалов

Материал	U_к1,В	θ_к1,°C	U_к2,В	θ_к2,°C
медь	0.12		0.43
серебро	0.09		0.35
алюминий	0.10		0.30
вольфрам	0.40		1.00

Режим размыкания контактов. При размыкании сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает (рис. 5) и растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик взрывается и, в зависимости от параметров отключаемой цепи, возникает либо дуговой разряд, либо тлеющий. При возникновении дугового разряда температура катодного и анодного пятен дуги достигает точки плавления материалов. Высокая температура контактов приводит к их интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов.

Перенос материала с одного электрода на другой наиболее вреден при постоянном токе, так как направление переноса не меняется. Это ведет к быстрому выходу из строя контактов. Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависит от вида разряда и величины тока. Если величина тока и напряжения не превышают некоторых пограничных значений I_о и U_о, то тлеющий разряд не переходит в дуговой (таблица 2).

Таблица 2. Пограничные значения I₀и U₀различных материалов

контактов

Материал	U_o, В	I_o, A
серебро	12.0	0.40
золото	15.0	0.38
медь	12.3	0.43
вольфрам	17.0	0.90

Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются: 1) сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств; 2) устранение вибрации при включении; 3) применение дугостойких контактных материалов.

Вопросы для самоконтроля

1.5.1. Перечислите наиболее распространенные материалы, применяемые для изготовления размыкаемых контактов, укажите их достоинства и недостатки.

1.5.2. Что такое раствор и провал коммутирующих контактов, как создаются и как влияют на качество контакта силы начального и конечного контактных нажатий?

1.5.3. Приведите графическую и аналитическую зависимости переходного сопротивления контакта от силы нажатия и объясните их.

1.5.4. Что такое напряжение размягчения и напряжение плавления? Каким образом обеспечивается допустимое падение напряжения на контакте?

1.5.5. Опишите три основных режима работы контактов и укажите факторы, отрицательно влияющие на работу контактов в этих режимах.

1.5.6. Какие факторы могут вызвать сваривание контактов?

1.5.7. Что такое электрическая эрозия и дуговой износ контактов и от чего они зависят?

1.5.8. Как возникает вибрация (дребезг) при замыкании контактов и к каким последствиям это приводит? Укажите способы снижения вибрации.

1.5.9. Какие процессы происходят в межконтактном промежутке в режиме замыкания контактов?

1.5.10. Приведите классификацию контактов.

1.5.11. Какие процессы происходят в контакте в режиме замкнутого состояния при длительном номинальном токе?

1.5.12. Охарактеризуйте способы уменьшения переходного сопротивления контакта.

1.5.13. Что такое переходное сопротивление контакта и чем оно обусловлено?

1.5.14. Какими процессами и в какой последовательности сопровождается режим размыкания контактов?

1.5.15. Опишите конструкции наиболее распространенных контактов.

1.6. Примеры расчета [6]

1.6.1. Определить сопротивление стягивания R_ст в месте контакта сферических торцевых поверхностей двух круглых медных стержней (рис. 11).

Дано: F_к = 100, Н – контактное нажатие; r = 40, мм – радиус стержня; ρ₀ = 1,62∙10^–8,Ом.м – удельное сопротивление меди при температуре 0 ^оС; σ_см = 38,3∙10⁷, Н/м² – предел прочности материала на смятие; Е = 10,8∙10¹⁰, Н/м – модуль упругости меди.

Решение: Предполагая упругую деформацию, радиус

площадки касания определим по формуле (2)

Рис. 11. Контакт

м.

Механическое напряжение в контактной площадке

Н/м².(7)

Для мягкой меди это напряжение больше, чем напряжение смятия σ_см и, следовательно, будет иметь место пластическая деформация.

Радиус площадки касания при пластической деформации определяется по формуле (3)

м.

Сопротивление стягивания по (1) будет равно

Ом.

Ответ: R_ст =0,283∙10^-4 Ом.

1.6.2. Определить величину контактного нажатия мостикового контакта вспомогательной цепи контактора (рис. 12). Контакты подвижные и неподвижные изготовлены из серебряных накладок полусферической формы.

Дано: ток контактов i = 5 А; радиус контакта r = 1,0 см; напряжение рекристаллизации серебра U_к1 = 0,09 В; падение напряжения на контакте U_конт = 0,1∙ U_к1, В; модуль упругости серебра E = 7,35∙10¹⁰

Н/м; удельное сопротивление серебра ρ₀ = 1,5∙10^-6 Ом∙см.

Решение. Максимально допустимое

сопротивление контактов

. (8)

Рис. 12. Мостиковый контакт Для слаботочных контактов по формуле (1) имеем

. (9)

Приравнивая правые части выражений (8) и (9) получим

откуда имеем . (10)

Подставляя полученное значение а,в формулу (2), и решая относительно F_к, найдем искомое контактное нажатие

, Н. (11)

Так как мостиковый контакт состоит из двух контактов, то суммарное контактное нажатие будет равно

, Н.

Ответ: F_к =1,66∙10^-3, Н.

Рис. 13. Контактное соединение

1.6.3. Рассчитать контатное сопротивление болтового соединения двух токоведущих шин прямоугольного сечения (рис. 13). Дано: размер сечения шин a х b =25 х 4,5 мм; номинальный ток I_н = 400 А; расчетная температура контактного соединения θ_к = 100 ^оС; размеры кажущейся площади соприкосновения l = a = 25 мм; число болтов n_б = 1; материал шин медь.

Таблица 3. Болтовые соединения

Марка болта	I_н, А	Ширина площадки а, мм	Сила нажатия на 1 болт
Не контролир. затяжка, Р₁, Н	Норм. контролир. затяжка, Р₂, Н
М4	10…20	8…10
М5	20…50	10…13
М6	50…100	12…18
М8	100…160	16…24
М10	160…250	20…30
М12	250…400	25…40
М16	400…630	35…50

Таблица 4. Рекомендуемые значения удельных давлений

Материал	р, МПа
Медь	> 5…10
Латунь	> 6…12
Алюминий	> 20…25

Таблица 5. Коэффициент переходного сопротивления

Материал	К_пх
Медь - медь	0,24∙10^-3
Латунь – латунь	0,67∙10^-3
Алюминий - алюминий	0,3∙10^-3

Таблица 6. Удельное сопротивление

Материал	ρ₀, Ом∙м
Медь	1,62∙10^-8
Латунь	7,2∙10^-8
Алюминий	2,62∙10^-8

Таблица 7. Температурный коэффициент сопротивления

Материал	α при 0 ^оС	α при 20 ^оС
Медь	0,0043	0,004
Латунь	0,0015	0,00146
Алюминий	0,0042	0,0039

Решение. Выбираем болт М12 и не контролируемую затяжку F = 10000 Н по таблице 3.

Удельное давление на площадку

Па или р = 16 МПа. (12)

Расчетное значение удельного давления удовлетворяет рекомендуемым значениям (таблица 4).

Переходное сопротивление (сопротивление стягивания) расчитываем по (5).

Здесь K_пх = 0,24∙10⁴ из таблицы 5; α = 0,004 из таблицы 7; n =0,7 для поверхностного контакта.

Сопротивление сплошного проводника длиной l ,

где , Ом∙м.

Тогда , Ом.

Коэффициент сопротивления концов соединяемых проводников

. (13)

Сопротивление концов соединяемых проводников

, Ом.

Общее сопротивление контактного соединения

, Ом.

Сравнивая R_к с R_ш0, видим, что R_к > R_ш0. Это недопустимо, так как при длительном протекании номинального тока контактное соединение будет нагреваться выше расчетной температуры, вследствие повышенных потерь мощности на сопротивлении контактного соединения.

Устранить это нежелательное явление можно путем увеличения контактного нажатия. Для этого можно использовать один из следующих способов. Во-первых, применить нормально контролируемую затяжку болта. При этом может оказаться недостаточной прочность на растяжение материала болта выполненного, например, из стали Ст.3. Тогда рекомендуется заменить на Ст.4, что увеличит прочность болта в 1,5 раза.

Во-вторых, можно взять следующий больший диаметр болта, например, М14 или М16, если это позволяет сделать ширина контактной площадки а, которая должна быть не менее 2 D_б.

В-третьих, можно применить два болта. При этом в формуле R_пх, принять n_б = 2, F – сила на один болт и l = 2 a. Тогда R_пх уменьшится в два раза, R_ш несколько уменьшится за счет К_ш, R_ш0 возрастет в два раза. Это позволит даже применить болты меньшего диаметра, если а будет не меньше 3 D_б.