книги / Электрические аппараты

переходов увеличивается с ростом нажатия по весьма слож­ ному закону. Переходное сопротивление многоточечного

где т = 0,7-М; k — постоянная, зависящая от конструкции контакта.

Экспериментальные формулы для определения Rcт кон­ тактов, применяемых в аппаратах высокого напряжения, приведены в [3.1].

Сопротивление Rcт зависит и от обработки поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивле­ ние шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Переходное сопротивление контактов обусловлено не только явле­ нием стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контак­ ты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в химичес­ кую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверх­ ности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением (до 104 Ом-м). Таким образом, результирующее переходное сопротив-

ление контактов Л*опт может быть представлено как сумма сопротивле­ ния Лет и сопротивления пленок Лил:

R КОНТ— Rст ; Лпл.

Влияние пленок в значительной степени зависит от радиуса пло­ щадки а. При а>10~3 см влиянием пленок можно пренебречь. При а= КМ см сопротивление пленок в 10 раз может превышать сопротив­ ление Лет. При а=10-4-И0~3 см величины Лет и Лпл соизмеримы. По­ этому пленки особенно опасны для контактов на малые токи, когда силы нажатия и размер пятна а малы. Процесс образования пленки на­ чинается сразу после соприкосновения зачищенной поверхности контак­ тов с окружающим их воздухом. Переходное сопротивление при этом может возрасти в десятки тысяч раз. В связи с этим контакты на малые токи (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). Обычно эксперимен­ тальные исследования и расчет переходного сопротивления ведутся для свежезачнщенных контактов.

В сильноточных контактах пленка разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контакта от­ носительно другого.

В процессе работы переходное сопротивление контактов не оста­ ется постоянным. Под воздействием кислорода, других агрессивных га­ зов, повышенной температуры интенсивность образования пленки рас­ тет. При этом переходное сопротивление контакта, падение напряжения на нем н его температура возрастают. При определенных значениях на­ пряжений и температуры происходит электрический пробой пленки, после чего сопротивление контакта падает. Это явление называется фриттингом.

Для защиты контактов от воздействия окружающей среды они могут быть размещены в герметичном баллоне с инертным газом. Эти контакты получили название герконов (гл. 11).

При прохождении тока через область стягивания его линий контакт нагревается. Согласно [3.1] превышение тем­ пературы в области стягивания ДтКонТ может быть найдено приближенно

(3.5)

где Нконт — падение напряжения на переходном сопротив­ лении, В, равное IRCт; А — коэффициент теплопроводности, Вт/(м -°С); р — удельное электрическое сопротивление ма­ териала контактов, Ом-м.

Наибольшую температуру имеет площадка касания. По

шемся режиме тепло, которое входит в элемент толщиной dx, равно теплу, которое из него выходит:

dPx, Рк+dx, выраженные через ток и определяющие их па­ раметры. После преобразования получим

где Тт — превышение температуры тела контакта относи­ тельно окружающей среды; Дт— превышение температуры контакта в начале области стягивания;

Ат = ± / * # тит: 1

равной температуре на границе области стягивания 0 = 0 о + 4-Тт+Дт; ад — температурный коэффициент сопротивления материала контактов, 1/°С.

При увеличении тока через контакт увеличивается па­

ное сопротивление резко уменьшается при неизменном на­ жатии. Это состояние имеет место при Ul<0Hr— Up, где Up — напряжение рекристаллизации или размягчения материала. Если температура продолжает расти, то площадка касания может расплавиться, чему соответствует напряжение плав­ ления (/конт=Нпл. Температура контакта не должна дости­ гать температуры размягчения материала.

Пусть контакты соприкоснулись в точке А. Напряжение на контак­ тах стало равным нулю, ток стал равным I. Для упрощения примем, что индуктивность цепи равна нулю. После касания подвижный кон­ такт продолжает двигаться влево (рис. 3.6) за счет инерции подвижных частей и деформации материала контактов. В точке В контакт останав­ ливается и начинается движение подвижного контакта вправо за счет упругих сил, возникающих из-за деформации контактов. Этот процесс идет до точки С. В точке С цепь разрывается, 1=0, контакт не оста­ навливается, а продолжает движение по инерции до положения хковт. После этого подвижный контакт под действием пружины снова стре­ мится замкнуться, и ток появляется в точке D. Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контактов равен хв, а за

Рис. 3.7. Вибрация контактов при замыкании цепи:

тока в цепи и напряжения на контак­ тах при включении

счет сил инерции хконг. В момент времени fm контакты расходятся на расстояние, равное хконт—хц. Если Хц»Хконт, то вибрация контактов не приводит к их размыканию (после точки G).

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к их сильному износу из-за оп­ лавления и распыления материала контактов. В связи с износом кон­ тактов уменьшается усилие их нажатия во включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход контактов из строя. Более подробно вибрация контактов рассмотрена в [4.2].

Для уменьшения вибрации создается предварительная деформация (натяг) контактной пружины при разомкнутых контактах Ршач. В мо­ мент касания контактов усилие нажатия возрастает не с нуля, а с пред­ варительно установленной начальной величины Рнач (рис. 3.7,6). Рас­ стояние хКОн—Д'нач на которое переместится подвижный контакт, если убрать неподвижный, называется провалом контакта. Усилие Рпр созда­ ется за счет выбора провала подвижного контакта. При включенном положении на контакты действует конечное нажатие Ркот. С ростом

начального усилия нажатия ЯИач вибрация контактов резко сокращается. Однако при чрезмерно большом начальном усилии вибрация может возрасти из-за недостаточной мощности включающего электромагнита. Увеличение жесткости контактной пружины также влияет на уменьше­ ние вибрации. Однако это влияние слабее влияния предварительного натяга.

Иногда между контактным рычагом и подвижным контактом вво­ дится противовибрационный вкладыш из пористого материала, напри­ мер в виде губчатой резины [3.2]. Этот материал способствует зату­ ханию колебаний контакта и уменьшению его вибрации.

С увеличением тягового усилия электромагнита или тягового мо­ мента привода контактора отброс контактов сначала уменьшается, а затем возрастает. В первой области, очевидно, для данной начальной силы нажатия контактов тяговый момент недостаточен и отброс умень­ шается с ростом момента. При дальнейшем возрастании тягового мо­ мента увеличиваются разгон подвижного контакта и его скорость в мо­ мент удара, что ведет к росту амплитуды отброса. В связи с этим большое превышение тяговой характеристики над противодействующей недопустимо (§ 5.7).

Вибрация контактов усиливается с ростом их момента инерции. Из-за этого масса контактов должна быть минимальной.

На рис. 3.7, в показано изменение тока при включении цепи посто­ янного (кривая 1) и переменного тока (кривая 2). Кривая 3 иллюстри­ рует изменение напряжения на контактах при их включении. Время виб­ рации контактов от удара между собой равно U. Удар якоря электро­ магнита, перемещающего контакт, о неподвижный сердечник вновь вызывает вибрацию подвижного контакта, которая длится в течение вре­ мени h. К этому времени ток через контакты близок к номинальному, и их вибрация особенно опасна. Для снижения силы удара якоря о сер­ дечник тяговая характеристика электромагнита не должна значительно превышать противодействующую (см. § 5.7). С целью снижения виб­ раций от удара якоря магнитопровод электромагнита крепится на пру­ жинах-амортизаторах. Как показали исследования, в низковольтных ап­ паратах время вибрации контактов не превышает 0,5—1 мс.

При включении на существующее КЗ вибрация контак­

ния контактов в момент их соприкосновения, усилие пред­ варительного натяга контактной пружины должно компен­ сировать электродинамические силы отброса и создавать такое нажатие, при котором падение напряжения на пере­ ходном сопротивлении не приводит к плавлению точки касания [уравнение (3.5)].

Напряжение на контакте в этом режиме Uk0ht = I kRk0ht.

Этому напряжению соответствует перепад температуры на

и усилия контактных пружин должны достигать несколь­ ких тысяч ньютон. В подобных случаях необходимо пере­ ходить к конструкции контактов с меньшей электродина­ мической силой отброса (см. рис. 3.12).

В процессе включения по мере приближения подвижно­ го контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между ними. При определенном рас­ стоянии между контактами произойдет пробой междуконтактного зазора. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами (сотые доли миллиметра). Электрическая дуга при пробое не возникает, так как подвижный контакт продолжает дви­ гаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом — анод, и его ма­ териал переходит на катод, откладываясь на нем в виде тонких игл. Износ контактов в результате переноса мате­ риала с одного контакта на другой, т. е. испарение в окру­ жающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией. Эрозия при

ких привариванию.

Ваппаратах высокого напряжения при сближении кон­ тактов пробой происходит при больших расстояниях. Воз­ никающая дуга горит относительно долго, при этом возмож­ но сваривание контактов, особенно при включении на существующее КЗ. За счет применения большого числа по­ следовательно соединенных разрывов уменьшается напря­ жение, приходящееся на разрыв (см. § 18.5), что дает воз­

можность снизить время предварительного пробоя до 0,005 с, которое признано безопасным для масляных вы­ ключателей.

б) Контакты во включенном состоянии. В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток КЗ.

В табл. 3.1 приведены температуры и падения напря­ жения в контакте для двух характерных точек — точки

Т аблица 3.1. Температура и падение напряжения в контакте для точки размягчения и точки плавления материала

размягчения материала 0 ь t/коиц и точки плавления мате­

Для расчета контактов на малые токи используется фор­ мула (3.9). По заданному току /ном и падению напряжения С/конп определяется переходное сопротивление Rконт ДЛЯ данного материала. После этого находится необходимое контактное нажатие с помощью (3.3).

Для одноточечных контактов на большие токи в [2.1] рекомендуется формула

температура тела контакта, К. Для наиболее распростра­ ненных металлических материалов при температуре 100 °С число Лоренца В меняется в довольно узком пределе 2,33-г- -ь2,49-108В2/°С2. Твердость по Виккерсу в зависимости от температуры для медного контакта приведена в [2.1]. Твер­ дость по Виккерсу близка к твердости по Бринеллю.

где / — действующее значение тока, А; р — удельное сопро­ тивление материала контактов, Ом-м; &т — удельный коэф­

зу найти необходимое контактное нажатие Рконт по извест­ ному отношению То/Тконт. Температура тела контакта Го может быть легко найдена по (3.11). Температуру ГКонт можно определить, воспользовавшись тем, что в большин­ стве случаев Гконт—Г0< 5 -т-10сС.

В аппаратах на большие токи применяются многола-

превышающие номинальные значения. Из-за малой посто­ янной времени нагрева температура контактной площадки поднимается практически мгновенно и может достигнуть температуры плавления.

Следует отметить, что с точки зрения нагрева контакты являются наиболее нагруженным местом токоведущей це­ пи. При больших токах (2 кА и выше) идут по пути повы­ шения температуры контактной точки до 200 °С (при се­ ребряных контактах) и применения жидкостного охлажде­ ния. В этом случае удается значительно облегчить контакт­