книги / Электрические аппараты. Общий курс

Если напряжение замыкаемой цепи очень мало или на* жатие на контакты недостаточно, то иногда контакты вообще не пропускают тока.

Как только свежезачищенная поверхность контактов соприкасается с воздухом, сейчас же начинается процесс образования пленки и переходное сопротивление мо­ жет возрасти в десятки тысяч раз [Л .1-3].

Всвязи с этим контакты на малые точки (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).

Всильноточных контактах пленка окислов разруша­ ется либо благодаря большим нажатиям, либо путем самозачистки при включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.

При прохождении тока через область стягивания линий тока контакт нагревается.

Согласно [Л .3-1] превышение температуры в области стягивания Атк может быть найдено приближенно с по­ мощью формулы

Наибольшую температуру имеет площадка касания. По мере удаления от нее температура быстро падает. Протяженность области стягивания невелика и состав­ ляет (5—6) а.

Тепло, выделяющееся в области стягивания (I2Rnl2), распространяется по телу контакта и отдается в окру­ жающую среду через боковую поверхность тела контак­ та. При этом возникает дополнительный перепад темпе­ ратуры Дт, который может быть рассчитан по формуле из [Л. 1-9]

При прохождении тока само тело контакта нагрева­ ется, и превышение температуры поверхности над окру­ жающей средой тт определяется в простейшем случае

уравнением (2-17). Температура площадки касания равна:

С ростом температуры сопротивление стягивания из­ меняется из-за роста удельного сопротивления материа­

где R (0)— сопротивление стягивания при температуре, равной температуре тела контакта 0о+тт.

При увеличении тока через контакт увеличивается падение напряжения UK=IR u- Согласно уравнению (3-5) возрастает превышение температуры контактной точки Лтк. Это в свою очередь вызывает увеличение со­ противления Ru согласно (3-7). Зависимость сопротивле­ ния Ru от напряжения UK называется R— ^-характери­ стикой контакта и показана на рис. 3-3.

Рис. 3-3. R—^-характеристика контакта.

Рис. 3-4. Токоведущая цепь контак­ тора в процессе включения.

При выводе (3-7) изменение прочности материала не учитывалось, поэтому оно дает хороший результат при температурах, не превосходящих температуру размягче­ ния материала. При температуре размягчения площадка касания увеличивается, а переходное сопротивление рез­ ко уменьшается при неизменном нажатии. Это состоя­ ние имеет место при t/K= .f/p, где Uv — напряжение ре­

Рассмотрим этот вопрос более детально. Пусть контакты сопри­ коснулись в точке А (рис. 3-5, а). Напряжение на контактах стало равным нулю, ток достиг значения /. Считаем, что индуктивность Цепи равна нулю. После этого контакт продолжает двигаться вперед за счет инерции подвижных частей и деформации материала кон­ тактов/ В точке В контакт останавливается и начинается движение назад. Упругое восстановление деформации материала контакта прекращается в точке С, но контакт по инерции продолжает движе­ ние, пока не достигнет положения хк. После этого подвижный кон­ такт под действием пружины снова идет на замыкание и ток появ­ ляется в точке D. Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контактов равен xDi а за счет сил инерции хк. В точ­ ке tm контакты расходятся на расстояние, равное хк—Xd. Если Хв^ ^ х к, то, хотя вибрация и есть, она считается неопасной, так как размыкание контактов не происходит (рис. 3-5, а) после точки G.

Вибрация контактов — явление весьма вредное, поскольку при этом имеет место многократное обоазование короткой дуги, которая ведет. К сильному оплавлению, и .распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается их взаимное нажатие в полностью включенном положении, что приводит к повышению переходного со­ противления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход из строя контактов. Расчет вибрации контактов рассмотрен в [Л. 3-3].

Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предва­ рительную деформацию (натяг) при .разомкнутых контактах. В мо­ мент касания контактов сила нажатия возрастает не с нуля, а с ве­ личины предварительного начального нажатия контактов.

С ростом начальной силы нажатия контактов Вибрация их резко сокращается. Однако при чрезмерно большой начальной силе вибра­ ция может возрасти, так как при недостаточной мощности включаю­ щего электромагнита (привода) возможен отброс контактного рычага.

Увеличение жесткости контактной пружины способствует умень­ шению вибрации. Однако это влияние менее заметно, чем влияние предварительного натяга

В некоторых конструкциях между контактным рычагом и под­ вижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из спе­ циального пористого материала типа губчатой резины [Л. 3-4]. Этот материал увеличивает затухание колебаний контакта и способ­ ствует уменьшению вибрации ►

Увеличение тягового момента привода вначале уменьшает отброс, а затем отброс начинает возрастать. В первой области, очевидно, для данной начальной силы нажатия контактов тяговый момент не­ достаточен и отброс уменьшается с ростом момента. При дальней­ шем возрастании тягового момента увеличиваются разгон подвижно­ го контакта и его скорость в момент удара, что ведет к росту амп­ литуды отброса. В связи с этим недопустимо большое превышение тяговой характеристики над противодействующей характеристикой

(§ 5-71.

fia вибрацию контактов влияет также момент инерции, с рос­ том которого вибрация усиливается. В связи с этим контакты дол­

тока 2. Кривая 3 представляет изменение напряжения на контактах.

Время вибрации от удара контактов равно tu После удара якоря электромагнита, движущего контакт, о неподвижный сердечник снова появляется вибрация подвижного контакта. Вибрация от уда­ ра якоря длится t2. Поскольку к этому моменту времени ток в кон­ тактах достигает большой величины, то вибрация контактов особен­ но опасна [Л. 3-4]. С целью снижения силы удара якоря о сердеч­ ник тяговая характеристика электромагнита не должна значительно подниматься над противодействующей (см. § 5-7).

С целью снижения вибраций, возникающих от удара якоря, магнитопровод с обмоткой крепится не жестко, а на пружинах (§ 10-3).

Как показали исследования [Л. 3-3], допустимое время вибра­ ции не превышает 0,5—1,0 мс.

При включении на существующее короткое замыка­ ние вибрация контактов усиливается из-за возникнове­ ния отбрасывающих сил в точке касания (§ 1-6). Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их соприкосновения, необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электроди­ намические силы отброса и создать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивле­ нии не приводит к плавлению точки касания [уравнение (3-5)].

В аппаратах на большие токи короткого замыкания электродинамические силы в торцевых контактах (рис. 3-2) получаются столь большими, что контактные пружины должны развивать усилия в несколько тысяч ньютонов. Очевидно, что в подобных случаях необходи­ мо переходить к другой конструкции контактов, кото­ рая дает меньшую электродинамическую силу отброса (рис. 3-9, 19-5).

При включении цепи по мере приближения подвиж­ ного контакта к неподвижному возрастает напряжен­ ность электрического поля между контактами и при оп­ ределенном расстоянии произойдет пробой промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами (сотые доли миллиметра).

В дуговую форму разряд не переходит, так как под­ вижный контакт продолжает двигаться и, замыкая про­ межуток, прекращает разрядные процессы. Однако воз­ никающие при пробое электроны бомбардируют анод и вызывает его износ. Металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл.

Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т. е. испарение в окружаю­ щее пространство без изменения состава материала на-

Зывается физическим износом или эрозиейЭрозия при (*замыкании невелика, но при малых нажатиях и малых расстояниях между контактами она может повести к их спеканию [Л. 3-5].

В аппаратах высокого напряжения при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом воз­ можно сваривание контактов, особенно при включении на существующее короткое замыкание. За счет примене­ ния большого числа последовательно соединенных раз­ рывов уменьшается напряжение, приходящееся на раз­ рыв (см. § 19-2), что дает возможность снизить время предварительного пробоя до 0,005 с, которое признано

режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток короткого замыкания.

В табл. 3-1 приведены температуры и падения напря­ жения в контакте для двух характерных точек — точки размягчения материала 0i; t/Ki и точки плавления мате­ риала 02; £/к2. Для надежной работы контактов необхо­ димо, чтобы при номинальном токе /н падение напряже­ ния на сопротивлении Ru было меньше t/Ki [Л. 3-14] :

Температура и падение напряжения в контакте для точки размягчения и точки плавления материала

Д ля расчета контактов на небольшие токи использу­ ется формула (3-8). По заданному току / н и допустимо-, му значению напряжения £/к.доп определяем переходное сопротивление Rn, после чего находим необходимое кон­ тактное нажатие с помощью (3-3).

Для одноточечных контактов на большие токи Г. А. Кукековым [Л. 2-1] аналитически получена формула

р — периметр сечения контакта, м; q — сечение тела контактов, м2;

0о—температура окружающей среды, °С; обычно 0о=4О°С.

Результаты расчета силы FKпо этой формуле хорошо совпада­ ют с опытными данными.

Формула (3-9) позволяет по заданному току /н сразу найти не­ обходимое контактное нажатие FK, если известно отношение Т0/Тк. Температура тела контакта Г0 может быть легко найдена по (3-9а). Температуру контактной точки можно определить, воспользовавшись тем, что для надежно работающих контактов разность Тк—То не должна превышать 5—10° С.

Если имеется п контактных точек, то расчет проводится для од­ ной контактной точки (ток U/ri). Полная сила нажатия

FК.полн — Fкп•

При коротком замыкании через контакты проходят токи, в 10— 20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоян­ ной времени нагрева температура контактной площадки практиче­ ски мгновенно поднимается и может достигнуть температуры плав­ ления.

Аналитический расчет плавящего тока при коротком замыкании затруднен, так как существующие формулы не учитывают размягче­ ния материала при высокой температуре. Поэтому при практических расчетах контактов рекомендуется пользоваться опытными данными,

непосредственно связывающими сваривающий ток и силу нажатия. При расчетах электродинамической стойкости контактов хорошие результаты дает экспериментальная формула, полученная F. В. Бут­ кевичем [Л. 3-6]:

Значения коэффициента k приведены в табл. 3-2.

Сваривание контактов зависит от конструкции самих контактов и токоведущей цепи аппарата. Электродинамические силы, возника­ ющие в токоведущих частях, необходимо использовать для повыше­ ния устойчивости контактов. Так, например, при кинематической схеме рис. 3-6, а контактная пружина F должна создать силу 2Fb полученную расчетом с помощью (3-10), и силу F2, действующую на перемычку от вертикальных токоведущих частей.

Рис. 3-6. Использование э. д. у. контура для повышения динамиче* кой стойкости контактов.

При схеме рис. 3-6, б электродинамическое усилие F2, действую­ щее на перемычку, позволяет выбрать меньшую силу нажатия кон­ тактной пружины F.

В болтовом шинном соединении при коротком замыкании токо­ ведущий проводник нагревается до температуры 200—300°С.

Стягивающие стальные болты нагреваются в основном за счет теплопроводности, так как ток через болты практически не проходит. Температура болтов обычно не превосходит 20% температуры шин. Температурный коэффициент расширения у меди и алюминия значи­ тельно выше, чем. у стали, поэтому шины, увеличиваясь по толщине больше, чем удлиняются болты, растягивают их. При этом дефор­ мация болтов может перейти за пределы упругости. Тогда после от­ ключения цепи и остывания контакта из-за вытягивания болтов на­ жатие в контактах уменьшится, что приведет к увеличению его со­ противления, сильному нагреву и последующему разрушению.

Для того чтобы избежать пластической деформации шин, ста­ вятся соответствующие шайбы. Вследствие малой прочности алюми­ ниевых шин может произойти пластическая их деформация, что при­ ведет к порче контакта. Поэтому для стабильности .алюминиевого контакта необходимо либо производить предварительный обжим,

Коэффициент k для расчета динамической стойкости контактов

уплотнение шин, либо ставить под гайки пружинящие шайбы или специальные пружины, которые ограничивают деформации элемен­ тов контактов. Расчет шинного болтового соединения при коротком замыкании приведен в [Л. 1-5].

в] Отключение цепи. При размыкании контактов сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление воз­ растает, и поэтому растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достига­ ет температуры плавления и между контактами возни­ кает мостик из жидкого металла. При дальнейшем дви­ жении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает либо дуго­ вой разряд (табл. 3-3), либо тлеющий.

При возникновении дугового разряда температура катодного и анодного пятен дуги достигает точки плав­ ления материалов. Высокая температура контактов при­ водит к их интенсивному окислению, распылению мате­ риала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образова­ нию пленок. Все это влечет за собою износ контактов.

Износ, связанный с окислением, образованием на