3.4.2 Режимы работы контактов

Включение цепи.

При включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы:

• вибрация контактов;

• эрозия на поверхности контактов в результате образования электрического разряда между ними.

Эрозия или физический износ – износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала.

Рассмотрим контактную систему контактора.

Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 и контактной пружиной 3. Неподвижный контакт 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 начинает перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта, но уже на меньшее расстояние. Это называется вибрацией контактов. После нескольких циклов соприкосновения-отброса вибрация прекратится.

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 контактной пружины при разомкнутых контактах. 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 материала способствует затуханию колебаний контакта и уменьшению его вибрации.

Как показали исследования, в низковольтных аппаратах время вибрации контактов не превышает 0,5-1 мс.

При включении на существующее КЗ вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания.

Контакты во включенном состоянии.

В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток КЗ.

В следующей таблице приведены температуры и падения напряжения в контакте.

Материал	Точка размягчения		Точка плавления
	Θ 1, °С	Uконт1, В	Θ 2, °С	Uконт2, В
Алюминий	150	0,1	658	0,3
Сталь	500	0,21	1530	0,6
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 надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на переходном сопротивлении контакта было меньше U_конт1.

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.

Электродинамические силы, действующие между токоведущими деталями, необходимо использовать для повышения электродинамической стойкости контактов.

На первой схеме аппарата контактная пружина P должна создавать усилие 2P₁, и усилие P₂ создаваемое вертикальными токоведущими деталями. На второй схеме электродинамическое усилие P₂, действующее на перемычку, позволяет выбрать контактную пружину с меньшим усилием нажатия.

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 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. 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.

Для существования дугового разряда необходимо, чтобы значения напряжения и тока превышали минимальные значения, приведенные в следующей таблице.

Материал	U0, В	I0, А	Материал	U0, В	I0, А
Платина	17	0,9	Вольфрам	17	0,9
Золото	15	0,38	Медь	12,3	0,43
Серебро	12	0,4	Уголь	18-22	0,03

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

• сокращается длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

• устраняются вибрации контактов при включении;

• применяются дугостойкие материалы контактов.

Для контактов на токи от долей ампера до нескольких ампер применяются схемные методы уменьшения эрозии.

При отключении ток протекает через шунтирующий резистор R_ш и сопротивление нагрузки R_н и электромагнитная энергия, накопленная в индуктивности, переходит в тепловую.

При включении цепи через диод протекает только небольшой обратный ток. При отключении на нагрузке (индуктивной) появляется ЭДС самоиндукции для которой диод оказывается открыт и он закорачивает нагрузку. Вся электромагнитная энергия выделяется в сопротивлении нагрузки.

Контактный промежуток шунтируется резистором R_ш, что облегчает гашение дуги и уменьшает износ контактов. Другой контакт полностью отключает цепь после отключения первого контакта.

Наличие конденсатора в четвертой схеме уменьшает ток, текущий через контактный промежуток и снижает скорость нарастания напряжения на контактах.