книги / Электрические аппараты. Общий курс

электродах пленок химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом или коррозией.

Перенос материала с одного электрода на другой наиболее вреден при постоянном токе, поскольку направ­ ление переноса не меняется, что ведет к быстрому выхо­ ду из строя контактов. Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией. Перенос в об­ ратную сторону — отрицательной.

Мерой эрозии является потеря массы или объема кон­ такта.

Направление эрозии и форма износа контактных по­ верхностей зависят от вида разряда и величины тока [Л. 3-5].

Для существования дугового разряда необходимо, чтобы величины тока и напряжения превышали мини­ мальные значения, приведенные в табл. 3-3.

Если величина тока меньше /о (табл. 3-3), то при на­ пряжении цепи 270—330 В возникает тлеющий разряд

или искра.

При токе 7^5 А срок службы контактов можно рассчитать с помощью формулы

N== M b s , УкЯо л

где N—число допустимых отключений, которое может выдержать контакт;

Vo— объем контакта, предназначенный на износ, м3; у— плотность материала, кг/м3; Тк— эмпирический коэффициент износа, кг/Кл;

<7о— количество электричества, протекающего через промежу­ ток аа одно отключение, Кл.

Коэффициент ук берется из табл. 3-4.

Коэффициенты износа контактов ук для различных материалов

/0— ток отключения, А; К — эмпирический коэффициент, г/А2.

При малой вибрации контактов коэффициент износа £и равен 0,001—0,003 для серебра, 0,001—0,012 для КМК-А10. При значитель­ ной вибрации km равен 0,2 для меди, 0,05 для серебра, 0,015—0,04 для КМК-АЗО.

Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются:

а) сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств;

б) устранение вибрации при включении; в) применение дугостойких контактных материалов.

Для контактов, управляющих токами от долей ампе­ ра до нескольких ампер, применяются схемные методы уменьшения эрозии.

Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 3-7. Вся электромагнитная энергия цепи при отключении выделяется в дуго-

вом промежутке (§ 4-2). Исследования показали, что чем меньше эта энергия, тем меньше эрозия контактов.

В схеме рис. 3-7, а электромагнитная энергия, накопленная в ин­ дуктивности L, тратится в активных сопротивлениях г и R. Соглас­ но [Л. 3-9] искра отсутствует, если

Дуга отсутствует при условии

Т> Io -U /R ’

Uq и /<, берутся по табл. 3-3.

Рис. 3-7. Схемы для уменьше­ ния износа контактов.

Наличие резистора г увеличивает токовую нагрузку контактов, что является недостатком схемы. В связи с широким выпуском вы­ сококачественных диодов рекомендуется схема рис. 3-7,6. В этой схеме контакты нагружаются только током U/R и обратным током диода Д.

При отключении магнитный поток в системе начинает падать. При этом обмотка будет закорочена на сопротивление диода в про­ водящем направлении.

Для схемы рис. 3-7, в выполнено условие отсутствия искрового разряда, если

Однако с уменьшением г растет ток, который должен отключать­ ся другими контактами для полного обесточивания цепи.

Хорошие результаты дает схема рис. 3-7, г. Наличие конденса­ тора уменьшает ток между контактами, так как в конденсатор от­ ветвляется ток, равный С du/dt, где и — напряжение на контактах. Наличие емкости снижает скорость нарастания напряжения на кон­ тактах, в результате чего разряд может прекратиться.

При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии конденсатора, разряжающегося на промежуток. Для ограничения то­ ка разряда ставится сопротивление г. Ориентировочный выбор. С и

г приведен в [Л. 3-8]. При правильном выборе г и С эрозия должна отсутствовать.

Для обеспечение гашения дуги и уменьшения обгорания контактов сильноточные аппараты (контакторы, ав­ томаты, высоковольтные выключатели) снабжаются дугогасительными камерами (гл. 10, 18, 19).

С этой же целью подвижный контакт должен иметь определенную скорость движения и определенный ход в зависимости от конструкции аппарата и его номиналь­ ного напряжения (гл. 8, 19).

3-3. Материалы контактов

К материалу контактов предъявляются следующие требования:

1.Высокие электрическая проводимость и теплопро­ водность.

2.Стойкость против коррозии в воздухе и других

газах.

3.Стойкость против образования пленок с высоким удельным сопротивлением.

4. М алая твердость для уменьшения необходимой си­ лы нажатия.

5.Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

6.М алая эрозия.

7.Высокая дугостойкость (температура плавления).

8.Высокие значения тока и напряжения, необходи­ мых для дугообразования.

9.Простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмот­ рены ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие электрическая прово­ димость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволяет применять при частых включениях и отключениях довольно высокие значения UQи /0, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: низкая температура плавления, при работе на воз­ духе покрывается слоем прочных окислов, имеющих высокое сопро­ тивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. На главных контак­ тах иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включае­ мых относительно редко). Применяется как материал для плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контак­ торов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель­ но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

Серебро. Положительные свойства: высокие электро- и тепло­ проводность, пленка окисла серебра имеет малую механическую проч­ ность и быстро разрушается при нагреве контактной точки [Л. 2-6]. Контакт серебра устойчив, благодаря малой механической прочно­ сти достаточны малые нажатия (применяется при нажатиях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.

Отрицательные свойства: малая дугостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и при частых включениях и отключениях.

Применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. При боль­ ших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокие электри­ ческую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плот­ ности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток; как и медный проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.

Недостатки алюминия: 1) образование на воздухе и в актив­ ных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; 2) низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); 3) малая механическая прочность; 4) при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электро­ литическим путем либо оба металла необходимо покрывать се­ ребром.

Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются глав­ ным образом как материал для шин и конструкционных деталей ап­ паратов.

Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сварива­ ния. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатками вольфрама являются высокое удельное сопротив­ ление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большого на­ жатия.

В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стой­ кие против коррозии материалы — золото, платина, палладий и их сплавы [Л. 3-5].

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полно­ стью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.

Основные необходимые свойства контактного материала — высо­ кие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получены за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольф­ рам, медь и вольфрам, так как эти металлы не образуют сплавов. Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии (металлокерамики) [Л. 3-9]. Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контак­ тов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими ме­ таллами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переход­ ного сопротивления контакта в качестве второго компонента ис­

пользуют серебро или медь. Чем больше в материале вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность, сопротивление свариванию. Но соответственно растет сопротивление контактов, уменьшается теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержа­ нием вольфрама выше 50% применяется для тяжело нагруженных аппаратов, отключающих большие токи короткого замыкания.

Свойства и состав наиболее распространенной металлокерамики приведены в табл. 3-5.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наибольшее рас­ пространение получила металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20, КМК-Б21.

В аппаратах низкого напряжения наибольшее распространение получила металлокерамика КМК-А10 из серебра и окиси кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является дис­ социация CdO на пары кадмия "и кислород. Выделяющийся газ за­ ставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деиони­ зации дуги.

Металлокерамика, состоящая из серебра и 10% окиси меди, КМК-А20 еще более стойка к износу, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые контакты хорошо обрабатываются, обла­ дают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты дают низкое и устойчивое в эксплуатации переходное сопротивление. Однако они легче свариваются, чем контакты из материала КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря высокой устойчивости против сваривания применяются как дугога­ сительные контакты.

В заключение следует отметить, что хотя применение металлоке­ рамики увеличивает стоимость аппаратуры в эксплуатации, эти «лишние» затраты быстро окупаются, так как возрастает срок служ­ бы аппарата, увеличивается время между ревизиями и значительно

динения токоведущих деталей. Сюда относятся шинные соединения, соединения кабелей, места присоединения аппаратов к цепи.

В процессе эксплуатации оба контакта связываются либо с помощью болтов, либо с помощью горячей или холодной сварки [Л. 3-11].

При болтовом соединении медных шин перед сборкой шины тщательно зачищаются от окислов, смазываются техническим вазелином. После сборки весь контакт в це­ лом и особенно швы должны быть окрашены влагостой­ ким лаком или краской. Такое приготовление контактов уменьшает переходное сопротивление и делает его ста­ бильным во времени.

Покрытие соприкасающихся поверхностей оловом (лужение) немного увеличивает начальное сопротивле­ ние, но благодаря пластичности олова увеличивается ко­ личество площадок смятия. Контакт получается более плотным, сопротивление контакта более стабильным.

Для ответственных деталей, особенно при больших номинальных токах, рекомендуется серебрение соприка­ сающихся поверхностей. Алюминий на воздухе подверга­ ется сильной коррозии, зачистка соприкасающихся по­ верхностей производится под вазелином. После зачистки грязный вазелин меняется на чистый и контакты соеди­ няются с помощью болтов. Болтовые соединения ведут себя недостаточно надежно, особенно при алюминиевых контактах. Поэтому в настоящее время алюминиевые контакты соединяются с помощью холодной или термит­ ной сварки [Л. 3-12].

Рекомендуемые давления при болтовом соединении

Величина момента при затяжке болтов контакта кон­ тролируется специальным моментным ключом [Л. 3-13].

б) Неразмыкающиеся контактные соединения под вижных элементов. Такие соединения используются либо для того, чтобы передать ток с подвижного контакта на неподвижный, либо для того, чтобы дать возможность элементу неподвижного контакта иметь небольшое пере­ мещение под действием подвижного контакта.

Наиболее простым соединением такого типа является

при перемещениях под­ вижного элемента не более 0,25 м.

При больших ходах и больших номинальных токах применяются скользящие и роликовые токосъемы. Прин­ цип действия токосъема ясен из рис. 3-9, 3-10. Недостат­ ком скользящего токосъема является большая сила тре­ ния, которая требует значительных усилий от приводно­ го механизма.

Меньшую силу трения дает роликовый контакт (рис. 3-10).

Число роликов .берется в зависимости от номинально­ го тока и тока короткого замыкания. Этот контакт для своего перемещения требует небольших усилий и нашел широкое применение в современной аппаратуре высокого напряжения.

Для надежного гашения дуги, образующейся при от­ ключении, между неподвижным и подвижным контакта­ ми необходимо создавать определенное расстояние (§ 10-2, 10-3). В реальных аппаратах это расстояние вы­ бирается с запасом.

Расстояние между неподвижным и подвижным кон­ тактами в полностью отключенном положении аппарата называется раствором контактов (рис. 3-11, 3-12). Кон­ струкция разрывных контактов зависит от номинального тока, тока короткого замыкания цепи, режима работы, назначения аппарата и рассмотрена в разделах, посвя­ щенных устройству различных аппаратов. Здесь же мы рассмотрим только некоторые общие вопросы.

В зависимости от конструкции крепления контактов изменяются число контактных точек соприкосновения' и стабильность контакта.

Контакт, имеющий возможность свободно устанавли­ ваться на поверхности, имеет максимальное число то­ чек касания. Такой контакт называется самоустанавливающимся. Пример такого контакта дан на рис. 3-11. Неподвижные контакты 1 и подвижный мостиковый кон­ такт 2 в месте касания имеют сферические (или цилин­ дрические) " напайки 3, выполненные из серебра или ме­ таллокерамики. Нажатие контактов создается пружи­ ной 4. После касания контактов скоба 5, связанная с

мом) контакта называется расстояние, на которое пере­ местится подвижный контакт, если убрать неподвижный контакт.

В контактах рис. 3-11 пленка окисла не стирается, по­ этому в этой конструкции не рекомендуется использовать медь как контактный материал.

На рис. 3-12 показана пальцевая система с перекаты­ ванием, широко применяемая в контакторах с медными контактами. Контактный рычаг 4 связывается с якорем электромагнита. При включении центр 0 \ перемещается по дуге с радиусом 0 20 i( /) . Касание пальцев 1 и 2 "про­

контакта 2 по контакту 1 происходит с небольшим про­ скальзыванием. При этом пленка окисла на контактах стирается. При включении контактов, отключавших ду­