1.3.3. Линейные контакты.

Линейными контактами считаются электрические контакты, формой контактных поверхностей которых являются цилиндры с параллельными продольными осями, или сочетание цилиндр-плоскость, причем продольная ось цилиндра параллельна плоскости.

Ширина площади контактной площадки

где R – радиус цилиндрической поверхности контактного элемента;

b – длина контактной площадки (ширина контактного элемента).

Сопротивление контакта

.

1.3.4. Герконы и герсиконы.

Г еркон – это герметизированная магнитоуправляемая контактная система. Геркон (рис.1.3.3) представляет собой герметизированный стеклянный баллон 1, заполненный инертным газом, внутри которого находятся контактные пружины 2, одновременно выполняющие роль токопроводящих, магнитопроводящих и упругих элементов. Контактные пружины перемещаются под действием сил магнитного поля, создаваемого катушкой управления 3. Аппарат, состоящий из геркона и катушки управления называется герконовым реле. Промышленность выпускает герконы с различной конфигурацией контактных пружин, позволяющей герконам работать на замыкание, размыкание и переключение.

Контакты геркона защищены от пыли и окисления, выдерживают 10⁶...10⁹ срабатываний и не требуют регулировки. Время срабатывания геркона 0,5...2,0 мс; время отпускания – 0,1...0,7 мс; максимальная мощность, коммутируемая контактами – 60 Вт.

П ри использовании герконов надо учитывать их малую перегрузочную способность, возможность залипания контактов при пропускании значительных токов и влияние внешних магнитных полей.

На современном ЭПС герконы используются в качестве сигнальных контактов силовых контакторов.

Более надежными являются герсиконы (рис.1.3.5), у которых подвижный 8 и неподвижный 7 контакты также помещены в герметическом корпусе 10, заполненном инертным газом. В герсиконе предусмотрены магнитные полюса 4 и 6, которые вместе с контактной пружиной 9 и катушкой управления 5 образуют замкнутую магнитную цепь. Это позволяет избежать влияния внешних магнитных полей.

На современном ЭПС герсиконы используются в качестве дифференциальных реле. В этом случае включение герсикона обеспечивается магнитным полем катушки управления, а отключение – магнитным полем тока небаланса силовой цепи.

1.4. Характеристики электрической дуги.

Электрическая дуга – это процесс прохождения тока через ионизированный газ, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой и мощным световым излучением. Электрическая дуга используется для сварки, выплавки металлов и для освещения. В этих целях необходимо устойчивое горение дуги. Электрическая дуга возникает также при отключении электрической цепи и конструкция электрического аппарата должна предусматривать её гашение.

Электрическую дугу открыл в 1802 г. профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров. Он впервые использовал вольтов столб из 4200 медных и цинковых дисков, который давал напряжение около 2 кВ. Электрическая дуга длиной 2,5...7,5 мм горела между двумя угольными электродами.

Независимо от В.В.Петрова электрическую дугу открыл английский физик Дэви. В 1809 г. он получил дугу длиной 3 см в среде азота между платиновыми электродами от батареи, состоящей из 1000 пластин. Первая публикация Дэви по этому вопросу относится к 1810 г. В начале 50-х годов XIX в. электрическая дуга используется для освещения (русский изобретатель П.Н.Яблочков), а в конце XIX в. – для сварки (русские изобретатели Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов). Первые работы по теории электрической дуги опубликованы в 1902 г. англичанкой Гертой Айртон и профессором Санкт-Петербургского Политехнического института В.Ф.Миткевичем. В дальнейшем дугу исследовали многие физики и электротехники. Обширное экспериментальное исследование гашения электрической дуги в аппаратах низкого напряжения выполнено О.Б.Броном. В 1960 г. гашение электрической дуги в специфических условиях тяговых электрических аппаратов исследовалось в ЛИИЖТе (В.П.Федорченко, В.Н.Кабанов).

Напряжение вдоль дуги U_дг распределяется, как показано на рис.1.4.1 и имеет три составляющие:

U_дг = U_к+U_ст+U_а.

П адение напряжения в зоне катода U_к связано с работой выхода электрона из материала катода в ионизированное пространство ствола дуги и зависит от материала катода. Протяжённость области катодного падения напряжения порядка 1 мкм, поэтому катодная область дуги характеризуется высокими градиентами напряжения. Падение напряжения в зоне анода U_а по величине составляет несколько вольт, а протяжённость этой области немного больше чем у катодной. Падение напряжения на стволе дуги U_ст возрастает с увеличением её длины l_дг и уменьшением тока i_дг. Для условий работы тяговых электрических аппаратов градиент напряжения на стволе дуги составляет около 15 В/см. Различают длинные дуги, у которых U_ст >> U_к и короткие. При рассмотрении длинных дуг катодно-анодным падением напряжения можно пренебрегать. В коротких дугах величина U_к должна обязательно учитываться.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги это зависимость U_дг = (i_дг) при l_дг = const. Различают статическую и динамическую ВАХ.

Статическая ВАХ дуги (рис.1.4,2) – это зависимость U_дг = (i_дг) при медленном изменении тока, когда процессы ионизации и деионизации успевают следовать за изменением тока. Статическая характеристика более длинной дуги располагается выше.

Ряд исследователей предложили эмпирические формулы для статической вольтамперной характеристики дуги. Формула Г.Айртона имеет вид:

,

где a, b, c, d – постоянные.

Однако, на практике статические ВАХ дуги чаще получают экспериментально.

ВАХ дуги при быстром изменении тока, когда процессы ионизации не успевают следовать за изменением тока, называется динамической. При увеличении тока динамическая характеристика располагается выше статической характеристики (линия 1 на рис.1.4.2), а при уменьшении – ниже (линия 2 на рис.1.4.2).

Рассмотрим способы гашения дуги постоянного тока. Электрическая дуга гаснет, если напряжение на ней меньше величины, требуемой для ее горения в соответствии с вольтамперной характеристикой.

1. Механическое растягивание дуги – увеличение длины дуги за счет увеличения расстояния между контактами в отключенном состоянии. Применимо только для электрических аппаратов низкого напряжения и сравнительно небольших токов (при напряжении 3000 В для гашения дуги потребуется расстояние между контактами около 2 м).

2. Воздушное дутье – увеличение длины дуги за счет "сдувания" ее потоком нагретого или сжатого воздуха.

3. Магнитное дутье – увеличение длины дуги за счет взаимодействия тока дуги с магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами или дугогасительной катушкой.

4. Дугогасительные решетки – разбивание дуги на ряд последовательно соединенных дуг посредством стальных пластин, расположенных перпендикулярно дуге. При этом способе катодное и анодное падение напряжения возрастает пропорционально числу пластин дугогасительной решетки N_р, а напряжение на стволе дуги остается постоянным. Это приводит к увеличению напряжения дуги:

U_дг = (U_к+U_а)N_д +U_ст.