1.2 Режимы работы контактов

а) Включение цепи. При включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы:

1) вибрация контактов;

2) эрозия на поверхности контактов в результате образования

электрического разряда между ними.

Рассмотрим контактную систему контактора (рисунок 1.6). Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 и контактной пружиной 3. Неподвижный кон такт 4 жестко закреплен на опоре. При включении контактора его электромагнит воздействует на рычаг 2, перемещение которого приводит к соприкосновению контактов 1 и 4.

В момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и под воздействием приложенного к ним напряжения загорается электрическая дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта.

Рисунок 1.6 − Контактная система контактора

в процессе включения

Проследим за процессом вибрации по осциллограмме (рисунок 1.7, а). На этом рисунке − напряжение на контактах, I − ток цепи, − перемещение подвижного контакта после соприкосновения. Пусть контакты соприкоснулись в точке А. Напряжение на контактах стало равным нулю, ток стал равным I. Для упрощения примем, что индуктивность цепи равна нулю. После касания подвижный контакт продолжает двигаться влево (рисунок 1.6) за счет инерции подвижных частей и деформации материала контактов. В точке В контакт останавливается 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, I = 0, контакт не останавливается, а продолжает движение по инерции до положения . После этого подвижный контакт под действием пружины снова стремится замкнуться, и ток появляется в точке . Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контактов равен , а за счет сил инерции − . В момент времени контакты расходятся на расстояние, равное .

Если , то вибрация контактов не приводит к их размыканию (после точки ).

а − процесс вибрации контактов при включении на чисто активную нагрузку; б – зависимость контактного нажатия Р от перемещения подвижного контакта х; в – изменение тока в цепи и напряжения

Рисунок 1.7 − Вибрация контактов при замыкании цепи

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к их сильному износу из-за оплавления и распыления материала контактов. В связи с износом контактов 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. Для уменьшения вибрации создается предварительная деформация (натяг) контактной пружины при разомкнутых контактах . В момент касания контактов усилие нажатия возрастает не с нули, а с предварительно установленной начальной величины (рисунок 1.7, б).

Расстояние , на которое переместится подвижный контакт, если убрать неподвижный, называется провалом контакта. Усилие создается за счет выбора провала подвижного контакта. При включенном положении на контакты действует конечное нажатие . С ростом начального усилия нажатия 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 уменьшение вибрации. Однако это влияние слабее влияния предварительного натяга. Иногда между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из пористого материала, например в виде губчатой резины. Этот материал способствует затуханию колебаний контакта и уменьшению его вибрации. С увеличением тягового усилия электромагнита или тягового момента привода контактора отброс контактов сначала уменьшается, а затем возрастает. В первой области, очевидно, для данной начальной силы нажатия контактов тяговый момент недостаточен и отброс уменьшается с ростом момента. При дальнейшем возрастании тягового момента увеличиваются разгон подвижного контакта и его скорость в момент удара, что ведет к росту амплитуды отброса. В связи с этим большое превышение тяговой характеристики над противодействующей недопустимо. Вибрация контактов усиливается с ростом их момента инерции. Из-за этого масса контактов должна быть минимальной. На рисунке 1.7, в показано изменение тока при включении цепи постоянного (кривая 1) и переменного тока (кривая 2). Кривая 3 иллюстрирует изменение напряжения на контактах при их включении. Время вибрации контактов от удара между собой равно . Удар якоря электромагнита, перемещающего контакт, о неподвижный сердечник вновь вызывает вибрацию подвижного контакта, которая длится в течение времени . К этому времени ток через контакты близок к номинальному, и их вибрация особенно опасна. Для снижения силы удара якоря о сердечник тяговая характеристика электромагнита не должна значительно превышать противодействующую. С целью снижения вибраций от удара якоря магнитопровод электромагнита крепится на пружинах-амортизаторах. Как показали исследования, в низковольтных аппаратах время вибрации контактов не превышает 0,5 −1 мс.

При включения на существующее КЗ вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания. Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их соприкосновения, усилие предварительного натяга контактной пружины, должно компенсировать электродинамические силы отброса и создавать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению точки касания (1.5). Напряжение на контакте в этом режиме

.

Этому напряжению соответствует перепад температуры на контактах . Этот перепад должен быть меньше, чем температура плавления материала . В аппаратах на большие токи КЗ электродинамические усилия в торцевых контактах (см. рисунок 1.2) очень велики и усилия контактных пружин должны достигать нескольких тысяч ньютон. В подобных случаях необходимо переходить к конструкции контактов с меньшей электродинамической силой отброса. В процессе включения по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между ними. При определенном расстоянии между контактами произойдет пробой между контактным зазором. 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 двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом − анод, и его материал переходит на катод, откладываясь на нем в виде тонких игл. Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией. Эрозия при замыкании контактов невелика, но при малых нажатиях и малых междуконтактных зазорах она может привести к их привариванию.

В аппаратах высокого напряжения при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникающая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов, особенно при включении на существующее К3. За счет применения большого числа последовательно соединенных разрывов уменьшается напряжение, приходящееся на разрыв, что дает возможность снизить время предварительного пробоя до 0,005 с, которое признано безопасным для масляных выключателей.

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 таблице 1.2 приведены температуры и падения напряжения в контакте для двух характерных точек − точки размягчения материала , и точки плавления материала ,

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на переходном сопротивлении было меньше :

, (1.9)

Для расчета контактов на малые токи используется формула (1.9). По заданному току падению напряжения определяется переходное сопротивление для данного материала. После этого находится необходимое контактное нажатие с помощью (1.3).

Таблица 1.2 −Температура и падение напряжения в контакте для точки размягчения и точки плавления материала

Материал	, оC	, B	, оC	, B
Алюминий	150	0.1	658	0.3
Сталь	500	0.21	1530	06
Никель	520	0.22	1455	0.65
Медь	190	0.12	1083	0.43
Серебро	150	0.09	960	0.35
Кадмий	-	-	321	0.15
Вольфрам	1000	0.4	3370	1.0
Олово	100	0.07	232	0.13
Платина	540	0.25	1773	0.7
Графит	-	-	4700	5

Для одноточечных контактов на большие токи в:

, (1.10)

где − контактное нажатие, Н; − действующее значение номинального тока, А; − число Лоренца; − твердость по Виккерсу, Н/м; − удельная теплопроводность, Вт/ (м °С); − температура точки касания, К; − температура тела контакта, К.

Для наиболее распространенных металлических материалов при температуре 100 °С число Лоренца меняется в довольно узком пределе В²/^оС². Твердость по Виккерсу близка к твердости по Бринеллю.

Использовав (1.16), можно получить:

, (1.11)

где − действующее значение тока, А; − удельное сопротивление материала контактов, Ом-м; − удельный коэффициент теплоотдачи, Вт/( ·C); − периметр сечения контакта, м; − сечение контакта, м²; − температура окружающей среды, °С, обычно = 40^оС.

Результаты расчета по (1.10) достаточно близки к опытным данным.

Формула (1.10) позволяет по заданному току сразу найти необходимое контактное нажатие по известному отношению Температура тела контакта может быть легко найдена по (1.11). Температуру можно определить, воспользовавшись тем, что в большинстве случаев ^оС.

В аппаратах на большие токи применяются многоламельные (пальцевые) контакты (рисунки 1.16, 1.18). Учитывая неравенство сопротивлений отдельных ветвей, получаем ток через каждую ламель

,

где − коэффициент неравномерности, обычно = 1,3;

− число ламелей.

Нажатие в каждой контактной площадке рассчитывается по току с помощью (1.10).

При КЗ через контакты проходят токи, в 10-20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной 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 цепи. При больших токах (2 кА и выше) идут по пути повышения температуры контактной точки до 200°С (при серебряных контактах) и применения жидкостного охлаждения. В этом случае удается значительно облегчить контактную систему, уменьшить габаритные размеры аппарата и получить высокое быстродействие.

Аналитический расчет плавящего тока при КЗ затруднен, так как существующие формулы не учитывают размягчения материала при высокой температуре. Поэтому при расчетах целесообразно пользоваться опытными данными, непосредственно связывающими ток сваривания и контактное нажатие. При расчетах электродинамической стойкости контактов достаточно точна экспериментальная формула (1.1).

, (1.12)

где − ток электродинамической стойкости (амплитуда ударного тока), А; − контактное нажатие, Н.

Значения коэффициента приведены в таблице 1.3

Вероятность приваривания контактов зависит от их конструкции и от всей токоведущей цепи аппарата. Электродинамические силы, действующие между токоведущими деталями, необходимо использовать для повышения электродинамической стойкости контактов. Так, например, при кинематической схеме аппарата по рисунку 1.8, а контактная пружина должна создавать усилие , рассчитываемое по (1.12), и усилие P₂, создаваемое вертикальными токоведущими деталями.

При кинематической схеме по рисунку 1.8, б электродинамическое усилие , действующее на перемычку, позволяет выбрать контактную пружину с меньшим усилием нажатия.

Рисунок 1.8 -Использование ЭДУ контура для повышения динамической стойкости контактов

Таблица 1.3 − Коэффициент для расчета динамической

стойкости

Тип контакта	Материал	,
Щеточный	Медь-латунь	950-1270
Пальцевой несамоустанавливающийся	Медь - медь	1300
Пальцевой несамоустанавливающийся	Латунь - медь	1200
Пальцевой несамоустанавливающийся	Латунь -сталь	1520
Пальцевой несамоустанавливающийся	Латунь-атунь	1600
Пальцевой самоустанавливающийся	Медь- латунь	1820
Розеточный (на один элемент розетки)	Медь- латунь	1740
Розеточный (на один элемент розетки)	Медь - медь	1900

в) Отключение цепи. В процессе размыкания контактов контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление 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 отключаемой цепи, возникает дуговой (таблица 1.4) либо тлеющий разряд.

Высокая температура приводит к интенсивному окислению и распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов.

Таблица 1.4 − Минимальные значения напряжения и тока,

необходимые для поддержания дугового разряда

Материал контактов	, B	, A	Материал контактов	, B	, A
Платина	17	0,9	Вольфрам	17,0	0,9
Золото	15	0,38	Медь	12,3	0,43
Серебро	12	0,4	Уголь	18-22	0,03

Износ, связанный с окислением и образованием на 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. Направление переноса в этом случае постоянно, что ведет к быстрому выходу из строя контактов. Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией, перенос в обратную сторону − отрицательной. Мерой эрозии является потеря массы или объема контакта. Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависит от вида разряда и значения тока.

Для существования дугового разряда необходимо, чтобы значения напряжения и тока превышали минимальные значения и приведенные в таблице 1.4. Если (таблица 1.4), то при напряжении цепи 270 − 330 В возникает тлеющий разряд или искра. При А срок службы контактов ,

где − число допустимых отключений, которое

может выдержать контакт;

− объем контакта, предназначенный на износ, ;

− плотность материала, кг/м;

− эмпирический коэффициент износа, кг/Кл;

− количество электричества, протекающего через межконтактный промежуток за одно отключение, Кл. Значения коэффициента , 10⁻⁹ кг/Кл, представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 −Значения коэффициента , кг/Кл

Серебро	3,6-10	Медь	6
Золото	15	Серебро-никель	20
Вольфрам	1,5	Серебро-золото	15
Платина	5,5	Платина-иридий	9

Количество электричества, протекающего через дугу, находится экспериментально по осциллограмме тока при отключении.

При ориентировочных расчетах можно принять, что ток в процессе гашения дуги спадает по линейному закону. Тогда

,

где − ток в момент размыкания; − время гашения.

При А хорошие результаты дает формула

Р.С. Кузнецова

,

где − износ контакта, г; − число операций, включение-

отключение; − ток отключения, А; − эмпирический коэффициент, г/А². Значение коэффициента износа приведены в таблице 1.6.

При больших токах (2 − 50 кА) объемный износ за одно отключение определяется формулой Коэффициент объемной эрозии характеризует объем материала, мм³, испаряемого при протекании 1 Кл электричества. Этот коэффициент найден экспериментально.

Для борьбы с эрозией контактов на токи от 1 до 600 А:

а) сокращается длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

б) устраняются вибрации контактов при включении;

в) применяются дугостойкие материалы контактов.

Таблица 1.6 −Значения коэффициента износа

Материал	Время вибрации, мс
Серебро	0,3
Серебро-окись кадмия	0,3
Серебро-окись кадмия	1-5
Серебро - никель	1-5
Серебро	1-5
Медь	1-5

Для контактов, на токи от долей ампера до нескольких ампер применяются схемные методы уменьшения эрозии, примеры которых приведены на рисунке 1.7. Почти вся электромагнитная энергия, направленная в цепи, при отключении контактов выделяется в дуге. Чем меньше эта энергия, тем меньше эрозия контактов. В схеме рисунка 1.9, а нагрузка шунтирована резистором . Пусть отключение произошло мгновенно и ток в нагрузке не изменился после отключения. Тогда этот ток протекает через резистор и вся электромагнитная энергия , переходит в тепловую, выделяемую в сопротивлении нагрузки и резисторе .

В зависимости от сопротивления резистора, разряд между контактами может быть тлеющим или дуговым. Тлеющий разряд отсутствует при

.

Рисунок 1.9 − Схема для уменьшения износа контактов

Дуга отсутствует при условии

,

где и берутся по таблице 1.3.

Наличие резистора увеличивает токовую нагрузку контактов, что является недостатком схемы, От этого недостатка свободна схема на рисунке 1.9, б. В этой схеме контакты нагружаются только током и обратным током диода . При включении цепи через диод протекает только небольшой обратный ток. При отключении поток в магнитной цепи нагрузки начинает спадать и на ней появляется ЭДС самоиндукции с полярностью, обозначенной в скобках. Для этой полярности диод открыт и закорачивает нагрузку. Вся электромагнитная энергия нагрузки выделяется в сопротивлении и прямом сопротивлении диода.

В схеме рисунка 1.9, в контактный промежуток шунтируется резистором , что облегчает гашение дуги и уменьшает износ контактов. В этой схеме для полного отключения цепи необходим

дополнительный контакт К2, который разрывает цепь после отключения контакта К1.

Рисунок 1.10 −К расчету конденсатора и резистора,

шунтирующих контакты

Чем меньше сопротивление резистора , тем быстрее гаснет дуга. Однако при этом контакт К2 нагружается большим током. В схеме рисунка 1.9, г контакт шунтирован цепочкой . Положим вначале, что = 0. Наличие конденсатора С уменьшает ток, текущий через контактный промежуток.

Ток в конденсаторе , где − напряжение на контактах. Наличие конденсатора также снижает скорость нарастания напряжений на контактах. Все это облегчает процесс отключения. При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии разряда конденсатора, для ограничения тока разряда служит резистор . Облегчение режима работы контактов осуществляется их шунтированием цепочкой RС. Выбор параметров цепочки производится с помощью номограммы на рисунке 1.10. По току и напряжению на нагрузке и находим емкость шунтирующего конденсатора С, проведя прямую через точки с координатами и . Эта же прямая на оси указывает сопротивление резистора.

Пример расчета: = 200 В, = 2 А; = 6,5 Ом,

= 3,5 мкФ.