книги / Электрические аппараты

пружина Р должна создавать усилие 2Р\, рассчитываемое по (3.12), и усилие Р2, создаваемое вертикальными токо­ ведущими деталями.

При кинематической схеме по рис. 3.8, б электродина­ мическое усилие Р2, действующее на перемычку, позволяет выбрать контактную пружину с меньшим усилием нажатия.

в) Отключение цепи. В процессе размыкания контактов контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивле­ ние возрастает, и за счет этого растет температура точек касания. В момент разъединения контакты нагреваются до температуры плавления и между ними возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отклю­ чаемой цепи возникает дуговой (табл. 3.3) либо тлеющий разряд.

пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой из­ нос контактов. Износ, связанный с окислением и образо­ ванием на электродах пленок химических соединений мате­ риала контактов со средой, называется химическим изно­ сом или коррозией.

Перенос материала с одного электрода на другой наи­ более вреден при постоянном токе. Направление переноса в этом случае постоянно, что ведет к быстрому выходу из строя контактов. Перенос материала с анода на катод на­ зывается положительной эрозией, перенос в обратную сто­ рону — отрицательной. Мерой эрозии является потеря мас­ сы или объема контакта. Направление эрозии и форма из­

При больших токах (2—50 кА) объемный износ за од­ но отключение определяется формулой hVsp= k^q . Коэф­ фициент объемной эрозии ksp характеризует объем мате­

Для борьбы с эрозией контактов на токи от 1 до 600 А: а) сокращается длительность горения дуги с помощью ду­ гогасительных устройств; б) устраняются вибрации контак­ тов при включении; в) применяются дугостойкие материа­ лы контактов.

Для контактов на токи от долей ампера до нескольких ампер при­

гия L1„I2 переходит в тепловую, выделяемую в сопротивлении нагрузки Яи и резисторе Яш- В зависимо­ сти от сопротивления резистора Яш разряд между контактами может

что является недостатком схемы. От этого недостатка свободна схема на рис. 3.9,6. В этой схеме контакты нагружаются только током U/RH и обратным током диода VD. При включении цепи через диод VD про­ текает только небольшой обратный ток. При отключении поток в маг-

Рис. 3.10. К расчету конденсатора и резистора, шунтирующих контакты

нитной цепи нагрузки начинает спадать и на ней появляется ЭДС само-

rfO>

индукции е=—w ^"с полярностью, обозначенной в скобках. Для этой

полярности диод VD открыт и закорачивает нагрузку. Вся электромаг­

(§ 4.6). В этой схеме для полного отключения цепи необходим допол­ нительный контакт К2, который разрывает цепь после отключения кон­ такта К1. Чем меньше сопротивление резистора Яш тем быстрее гаснет дуга. Однако при этом контакт К2 нагружается большим током.

В схеме рис. 3.9, г контакт шунтирован цепочкой ЯШС. Положим вначале, что Ят=0, Наличие конденсатора С уменьшает ток, текущий через контактный промежуток. Ток в конденсаторе ic=Cdu/dt, где напряжение на контактах. Наличие конденсатора также снижает ско­ рость нарастания напряжения на контактах. Все это облегчает процесс отключения.

При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии раз­ ряда конденсатора. Для ограничения тока разряда служит резистор Ящ. Облегчение режима работы контактов осуществляется их шунти­ рованием цепочкой ЯС. Выбор параметров цепочки производится с по­ мощью номограммы на рис. 3.10. По току и напряжению на нагрузке / и UB находим емкость шунтирующего конденсатора С проведя пря­ мую через точки с координатами I и £/н. Эта же прямая на оси Я ука­ зывает сопротивление резистора.

Пример расчета: U —200 В, / = 2 А; находим Я —6,5 Ом, С ■= =3,5 мкФ.

3.3.МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ

Кматериалам контактов современных электрических аппаратов предъявляются следующие требования:

1)высокие электрическая проводимость и теплопровод­

ность;

2)высокая коррозионная стойкость в воздушной и дру­ гих средах;

3)стойкость против образования пленок с высоким электрическим сопротивлением;

4)малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

5)высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях;

6)малая эрозия;

7)высокая дугостойкость (температура плавления);

8)высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9)простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмотре­

ны ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволя­ ет применять при частых включениях и отключениях довольно высокие значения £/0 и /о, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при рабо­ те на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитичес­ ким способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. В контактах на большие токи иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включаемых относительно редко). Применяется как материал для плос­ ких и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, кон­ такторов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель­ но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

В контактах, не имеющих взаимного скольжения, из-за пленки ок­ сидов применение меди не рекомендуется.

Серебро. Положительные свойства: высокие электрическая проводи­ мость и теплопроводность, пленка оксида серебра имеет малую механи­ ческую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт серебра устойчив благодаря малому напряжению на смятие 0см. Для работы достаточны малые нажатия (применяется при нажати­ ях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротив­ ление являются характерными свойствами серебра.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость пре­ пятствуют использованию его при наличии мощной дуги и частых вклю­ чениях и отключениях.

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

Алюминий. Положительные свойства: достаточно высокие электри­ ческая проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48 % меньшую массу. Это позволя­ ет уменьшить массу аппарата.

Недостатки: 1) образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; 2) низ­

в окружающем воздухе влаги и оксидов медный и алюминиевый кон­ такты образуют своеобразный гальванический элемент. Под действием ЭДС этого элемента происходит электрохимическое разрушение кон­ тактов (электрохимическая коррозия). В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электро­ литическим путем либо оба металла необходимо покрывать серебром.

Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратоз.

Вольфрам. Положительные свойства: высокая дугостойкость, боль­ шая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфра­ ма позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопровод­ ность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с образованием пленок и их высокой механической прочностью вольфра­ мовые контакты требуют большого нажатия.

В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы — золото, платина, палладий и их сплавы.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых ме­ таллов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к материалу контактов.

Основные необходимые свойства контактного материала — высокие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получе­ ны за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольфрам, медь и вольфрам, так как они не образуют сплавов. Материалы, обладаю­ щие необходимыми свойствами, получают методом порошковой метал­ лургии (металлокерамики). Полученные таким методом материалы со­ храняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость металлокерамики обеспечивается такими компонентами, как вольфрам, молибден. Низкое переходное сопротивление контакта достигается ис­ пользованием в качестве второго компонента серебра или меди. Чем больше содержание вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность и меньше возможность приваривания металлокерамических контактов. Но соответственно растет переходное сопротивление кон­ тактов и уменьшается их теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяется для аппаратов за­ щиты на большие токи КЗ.

Композиции из тонко измельченных порошков с диаметром зерна менее 10 мкм имеют мелкодисперсную структуру и обладают большой механической прочностью. Их износостойкость в 1,5—2 раза выше, чем у материалов немелкодисперсного типа.

Свойства и состав наиболее распространенных материалов для ме­ таллокерамических контактов приведены в табл. 3.4.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наиболее распрост­ ранена металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20, КМК-Б21.

В аппаратах низкого напряжения чаще всего применяется металло­ керамика КМК-А10 из серебра и оксида кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кад­ мия и кислород. Выделяющийся газ заставляет дугу быстро перемещать­ ся по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги. Металлокерамика КМК-А20, состоящая из серебра и 10 % оксида меди, обладает большей износо­ стойкостью, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые металлокерамики хорошо обрабатываются, об­ ладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты из этих материалов обеспечивают низкое и устойчивое переходное со­ противление, но более подвержены привариванию, чем контакты КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря вы­ сокой устойчивости против сваривания применяются как дугогаситель­ ные. Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, однако в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения его надежности.

3.4. КОНСТРУКЦИЯ ТВЕРДОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

а) Неподвижные разборные и неразборные контакты. Такие контакты служат для соединения неподвижных токо­ ведущих деталей шин, кабелей и проводов. Эти детали могут находиться как внутри электрического аппарата, так и вне его. В последнем случае они служат для присоедине­ ния аппарата к источнику энергии или к нагрузке. Контак­ ты соединяются с помощью либо болтов (разборные соеди­ нения), либо горячей или холодной сварки.

При болтовом соединении медные шины перед сборкой тщательно зачищаются от оксидов и смазываются техниче­ ским вазелином. После сборки места стыков между шина­ ми покрываются влагостойким лаком или краской. При этом уменьшается переходное сопротивление и повышается его стабильность во времени.

Покрытие соприкасающихся поверхностей контактов оловом (лужение) несколько увеличивает начальное пере­ ходное сопротивление, но благодаря пластичности олова увеличивает количество площадок смятия и переходное сопротивление становится более стабильным. Для токо­ ведущих деталей, от которых требуется повышенная на­ дежность при больших номинальных токах, рекомендуется серебрение соприкасающихся поверхностей. Описанные раз­ борные контактные соединения могут быть разобраны при