1. Общие теоретические положения

1. Жидкометаллические контакты

Наиболее характерные недостатки твердометаллических контактов следующие:

1. С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше резко увеличиваются габариты и масса аппарата в целом.

2. Эрозия контактов ограничивает износостойкость аппарата.

3. Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ контактные нажатия достигают больших значений, что увеличивает необходимую мощность привода, габариты и массу аппарата.

Рис. 1 Контактор с жидкометаллическим контактом

Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (ЖМК) (рис. 1). Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2. Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса заполнены жидким металлом 4 и соединяются между собой отверстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды 1и 2, контактор включается.

По сравнению с твердометаллическими ЖМК обладают следующими преимуществами:

1. Малое переходное сопротивление и высокие допусти­мые плотности тока на поверхности раздела жидкий ме­талл – электрод (до 120 А/мм), что позволяет резко сократить габаритные размеры контактного узла и контактное нажатие, особенно при больших токах.

2. Отсутствие вибрации, приваривания, залипания и окисления контактов при их коммутации.

3. Высокая механическая и электрическая износостойкость ЖМК. что позволяет создавать аппараты с большим сроком службы.

4. Возможность разработки коммутационных аппаратов на новом принципе (автоматический восстанавли­вающийся предохранитель благодаря свойст­вам текучести жидкого металла).

5. Возможность работы ЖМК при высоких внешних давлениях, высоких температурах, в глубоком вакууме.

К электрическим аппаратам обычно предъявляется тре­бование сохранять работоспособность в интервале темпе­ратур ± 40 °С. Очевидно, что жидкий металл должен со­хранять свое состояние в указанном интервале. Из извест­ных материалов только ртуть находится в жидком виде при температуре ниже 0 °С и может быть в чистом виде пригодна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути суще­ственно осложняет технологию ее применения.

В ЖМК перспективно применение диэлектрического или металлокерамического твердого каркаса, пропитанного жидким металлом. В этом случае жидкий металл удержи­вается в капиллярах каркаса и образует на его поверхности пленку, с которой происходит контактирование. Такие ЖМК могут занимать любое положение в пространстве.

На рис. 2 показан выключатель с ЖМК на номиналь­ный ток 40 кА и номинальное напряжение 100 В. В выключателе используется двухступенчатая контактная система. Главные жидкометаллические контакты состоят из двенадцати мостиковых контактов, включенных парал­лельно. Дугогасительные имеют четыре параллельных мостиковых контакта и снабжены металлокерамическими пла­стинами. На вводе 1 главного мостикового контакта сверху располагается углубление 2 с жидким контактным мате­риалом. В этом углублении находятся сетчатые прокладки 3 пропитанные жидким металлом. Подвижный твердометаллический контакт 4 укреплен на мостике 5. Внизу рас­положена вторая траверса 6, в которой также имеется углубление с жидким металлом и сетчатой прокладкой 7. Твердометаллический контакт 8 расположен на вводе 1.

Рис. 2. Выключатель с жидкометаллическим контактом

Аналогичное устройство имеет вторая половина мостикового контакта.

Дугогасительный неподвижный контакт из металлоке­рамики 9 расположен на вводе 10, подвижный 11 – на мо­стике дугогасительных контактов 12. Аналогичное устрой­ство расположено на второй половине выключателя. Вы­ключатель имеет пневматический привод. При включении вначале перемещается верхний мостик 11 вниз, а нижний 13 вверх. Происходит замыкание дугогасительных контак­тов. Затем перемещается верхний мостик 5 главного кон­такта вниз, а нижний 6 вверх. При этом замыкаются глав­ные контакты. При отключении вначале размыкаются (без дуги) главные контакты, а затем дугогасительные. Следует отметить, что из-за большого тока в переходных контактах выделяется мощность около 2 кВт. Для рассеивания этой мощности контактные мосты снабжены радиаторами 14 и 15. Применение ЖМК дает возможность снизить пере­ходное сопротивление контактов, уменьшить мощность при­водного механизма и габаритные размеры всего аппарата в целом.

Весьма перспективным является применение ЖМК в самовосстанавливающихся предохранителях.

Необходимо отметить и недостатки ЖМК:

1. Обычно применяемые контактные материалы галий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева кон­тактов до момента включения, так как температура окру­жающей среды может быть ниже температуры затвердева­ния этих материалов.

2. Большинство аппаратов с ЖМК требуют определен­ного положения в пространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибраций), что затрудняет их применение.