21. Коммутационный износ контактов. Мероприятия по его снижению.

Способы борьбы с дребезгом контактов.

ПРОЦЕСС РАЗМЫКАНИЯ КОНТАКТОВ. ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ РАЗМЫКАНИИ

Работоспособность коммутирующих контактов характеризуется процессами при их замыкании (включении) и размыкании (отключении). Рассмотрим сперва процессы при размыкании и износ контактов при отключении цепи. Под износом контактов понимают разрушение рабочих поверхностей контакт-деталей, приводя­щее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала. Происхо­дящий под действием электрических факторов износ будем называть коммута­ционным износом — электрической эрозией. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше коммутационного.

При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрас­тают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней пло­щадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возник­нуть различные формы электрического разряда. При токе и напряжении, больших минимально необходимых (например, для меди при / = 0,5 А и U = 15 В), возни­кнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.

Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факто­ров (см. ниже) часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызги­вается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой.

Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот.

Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги).

Износ контактов при малых токах. Эрозия контактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие распыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается только анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.

Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогаситель-ными (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившиеся, но еще не замкнутые контакты и как следствие этого — сваривание контактов.

Износ контактов прн больших токах. Износ происходит от действия многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, получен­ные опытным путем [5].

З ависимость износа от числа размыканий. Износ контактов при данной напря­женности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий. Если износ

Рис. 4-13. Зависимость износа контактов от напряженности магнитного поля

при одном размыкании равен е, то за п размыканий он будет

Зависимость износа от напряженности магнит­ного поля. Эта зависимость характеризуется кривой на рис. 4-13. При малых напряженностях дуга длительное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит к увеличен­ному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опор­ных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается.

Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса.

Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует наличие перешейка из расплавленного металла. С ростом напряженности возрас­тают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.

Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разой­тись на 1—2 см; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.

Зависимость износа от тока. Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппара­тах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательно включенной дугогасительной катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока.

Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплав­ляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет измене­ния ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, изме­ряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.

Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам контур тока создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьше­нием скорости их расхождения.

4-8. ПРОЦЕСС ЗАМЫКАНИЯ КОНТАКТОВ. ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ЗАМЫКАНИИ

В процессе замыкания расстояние между контактными поверхностями посте­пенно уменьшается. При некотором расстоянии между ними происходит пробой, возникает дуга, которая гаснет при замыкании контактов. Износ от этого явления

следует учитывать в аппаратах на высокое напряжение. В низковольтных аппаратах это явление можно не учитывать.

В коммутационных аппаратах при замыкании происходит коммутационный износ, вызываемый явлением дребезга контактов. В ряде случаев он превосходит износ при размыкании. Подвижная контакт-деталь подходит к неподвижной с опре­деленной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов (имеется в виду контактирующая часть электрического контакта). Упругая деформация приводит к отбросу подвижной контакт-детали — она отскаки­вает от неподвижной на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1 мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой, как показано на рис. 4-14, а. При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их износ.

Дребезг при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря. При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах (рис. 4-14, б).

Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов.

Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между меха­нической (кривая 7) и тяговыми (кривые 2, 3 и 4) характеристиками (рис. 4-15). Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следо­вательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повыше­нию износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

Зависимость износа от начального нажатия Р„ и жесткости контактной пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения — это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг,

Рис. 4-15. Тяговые и механическая характеристики

а следовательно, и износ (рис. 4-16). На рисунке показан характер дребезга контактов при пониженном и повы­шенном нажатии. Кривая 1/_к изображает напряжение на контактах, кривая /_к — ток через контакты. Как видно из графиков, при пониженном нажатии контакты размы­кались несколько раз. При повышенном нажатии раз­мыкания не было.

Повышение начального нажатия ограничено тяговой

характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение, .при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформации тугой пружины и происходит отброс всей подвижной системы, износ контактов начинает возрастать (штриховая часть кривой на рис. 4-16).

При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим, а следо­вательно, износ несколько снизится.

Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следую­щим образом (см. рис. 4-14). В момент t = О произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвиж­ная контакт-деталь остановилась. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижной контакт-детали. Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижная контакт-деталь по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт-деталь отходит на расстояние х_к, и под действием контактной пружины контакты снова замыкаются (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так — несколько раз с затухающей амплитудой. На рис. 4-14 обозначено: х_к — амплитуда колебаний контакт-детали; х_д — величина упругой деформации; х_а — остаточная деформация.

Если х_к > х_д, то произойдет разрыв цепи со всеми вытекающими последст­виями. Такой дребезг является опасным.

Если же х_к < х_д, то, несмотря на наличие дребезга контактов, разрыва цепи не произойдет, износа контактов не будет. Такой дребезг является неопасным.

Применяемые контактные материалы обладают достаточной упругостью, по­этому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невоз­можно. В таком случае необходимо конструировать аппараты и их коммутирую­щие контакты так, чтобы дребезг контактов был неопасным. Амплитуду х_к необ­ходимо всемерно снижать. Время дребезга не должно превосходить 0,5—1 мс.

Максимальное значение амплитуды колебаний контакт-детали для поворотной системы с рычажным контактом определяется формулой [5]

(4-11)

где / — встроенная длина контактной пружины; а₀ — первоначальный угол сжатия 60

пружины; к — коэффициент восстановления, характеризующий упругие свойства материала; J — момент инерции подвижной контакт-детали; со — угловая скорость подвижной контакт-детали в момент удара; с — жесткость пружины. Коэффициент восстановления для некоторых материалов:

Увеличение начального сжатия пружины или, что то же самое, увеличение начального нажатия Р„, а также увеличение жесткости с контактной пружины

Рис. 4-19. Распределение тока в контактах много­ступенчатой контактной системы Люм - номинальный гок; /_п._уд - ударное значение пус­кового гока; /_п — пусковой ток двигателя; / - гок в каж­дом из контактов; /, и 1₂ - моменты замыкания парал­лельных контактов

ведут к снижению амплитуды дребезга. При этом большее влияние на амплитуду дребезга оказывает начальное нажатие. Увеличение тя­гового момента М, так же как и увеличение угловой скорости со, ведет к повышению амплитуды дребезга.

Таким образом, снижение дребезга контактов при замыкании и их замыкание без дребезга могут достигаться за счет увеличения начального нажатия и жест­кости пружины, уменьшения массы подвижных контакт-деталей и скорости их замыкания.

Для снижения дребезга при замыкании применяют также искусственные меры, основанные главным образом на компенсации отбрасывающих усилий, возникаю­щих при соударении контактов.

Компенсация отбрасывающих усилий может быть осуществлена за счет исполь­зования части кинетической энергии всей подвижной системы аппарата, как это показано на рис. 4-17. В момент касания контактов происходит остановка мостикового контакта. Все другие детали подвижной системы стремятся про­должить свое движение и через амортизационную пружину временно создают дополнительное нажатие на мостиковый контакт, препятствуя тем самым его отбросу. При соответствующем подборе параметров системы (масса, жесткость пружин, скорость) можно достигнуть существенного снижения времени дребезга контактов и замыкания без дребезга.

Пример другого способа компенсации отбрасывающих усилий при соударе­нии контактов приведен на рис. 4-18. Здесь между мостиковым контактом и ведущей траверсой помещается вкладыш из специального пористого материала. При ударном сжатии в момент касания контактов противодействующие усилия вкладыша весьма велики. Они препятствуют отбросу контактов. Дребезг сни­жается.

Снижение износа при замыкании может быть достигнуто за счет применения параллельных контактов (рис. 4-19). Здесь каждым из контактов включается часть тока. Вследствие разновременного размыкания контактов при их дребезге на отбрасываемом контакте не возникает дуги, что также приводит к снижению износа.

Для снижения и устранения дребезга, вызываемого ударом в магнитной системе, последнюю амортизируют.

Повышению коммутационной износостойкости мостиковых контактов способ­ствует одновременность касания обоих контактов мостика. Достигнуть этого можно при самоустанавливающемся мостиковом контакте. Пример выполнения такого крепления мостика приведен на рис. 4-9, а. Будучи зажат между двумя сферическими поверхностями, мостиковый контакт после некоторого числа вклю­чений принимает положение, при котором достигается одновременное касание контактов.