Методическое пособие 477

11

кратковременных режимах стремятся искусственно увеличить T (в основном за счет массы материала участвующего в нагреве).

Повторно-кратковременный режим (рисунок 2.3) является наиболее общим случаем, периоды нагрузки – tн чередуются с паузами - tп. Причем ни за время tн, ни за tп– температура не достигает установившегося значения.

Цикл работы tн+tп=tц характеризуется продолжительностью включения

ПВ.

tн

при неизменном ПВ% эквивалентный ток – Iдоп зависит от соотношения tн\T, при возрастании этого соотношения тепловая нагрузка аппарата увеличивается, коэффициент допустимой перегрузки по току уменьшается.

Нагрев при к.з.

Ввиду скоротечности процессов при к.з. (защита 3-5 сек.) допускается в 2-3 раза более высокая температура нагрева проводника, чем при номинальном токе. Поэтому теплоотдача возрастает минимум в 3 раза, а потери в проводнике в сотни раз.

Таким образом, можно считать, что вся энергия идет на нагрев ЭА. Уравнение теплового баланса

Отсюда

где i – мгновенное значение тока;

-удельное сопротивление;

-удельный вес материала; c – удельная теплоемкость; s – сечение проводника;

Кд – коэффициент дополнительных потерь.

Если принять P=const ,c=const и i=const, то

где д – начальное превышение температуры проводника относительно среды перед к.з.

Нагрев проводника при к.з. происходит практически по прямой, охлаждение как и при нормальных режимах (рисунок 2.4).

Термическая устойчивость аппарата – это его способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов к.з. определенной длительности (1, 3, 5 и 10 сек.).

связь между токами и временами Т.У.:

Для аппаратов низкого напряжения длительность пропускания тока термической устойчивости задается либо собственным временем срабатывания (авт. выключатели, пускатели), либо 1 сек. или 1\2 сек.

Допустимая плотность тока термической устойчивости:

откуда ток Iт.у. jт.у. s .

Предельно допустимая температура нагрева ЭА – это температура, при которой гарантируется надежная длительная работа ЭА, и воздействие которой проводники и детали могут длительно выдерживать без снижения своих

электрических и механических свойств - доп. Соответствующий ей ток:

Для изолированных проводников tдоп определяется классом изоляции, а также механической прочностью самих проводников. Для контактных соединений tдоп определяется температурой начала интенсивного окисления контактной поверхности.

13

3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ. ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТОКТОВ, ЗАВИСИМОСТЬ ЕГО ОТ

РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

Электрический контакт - это место соединения или соприкосновения нескольких проводников или деталей для перехода из одной в другую. Поверхность соприкосновения называется контактной поверхностью.

По характеру взаимного перемещения различают три группы контактных соединений:

1)не размыкаемые;

2)размыкаемые;

3)скользящие.

По форме соприкосновения контакты также делятся на три типа:

1)точечный – кажущееся соприкосновение в одной точке (шар - шар);

2)линейный – кажущееся соприкосновение по линии (цилиндр - цилиндр);

3)плоскостной - кажущееся соприкосновение по поверхности (плоскость - плоскость).

Требования к контактам:

1)надежность электрического соединения;

2)достаточная механическая прочность;

3)нагрев не свыше tдоп при длительном протекании Iн;

4)термическая и электродинамическая устойчивость при протекании

Iк.з.;

5) стойкость против внешних воздействий.

Переходное сопротивление контактов Rп – это сопротивление мест перехода одного проводника в другой (обычно больше по сравнению со сплошным проводником таких же размеров). Rп – результат резкого повышения плотности тока в контактных площадках (рисунок 3.1) по сравнению с плотностью тока в теле контакта.

где - величина, зависящая от материала, формы и состояния контакта; p – сила контактного нажатия;

n – показатель, характеризующий число точек соприкосновения.

Для одноточечного контакта n=0,5; многоточечного n=0,7-1; линейного

– 0,7=0,8; плоскостного – n=1.

Для поверхностей, шлифованных напильником и смазанных вазелином одноточечных контактов:

14

Зависимость Rп от усилия нажатия pn определяется формулой (3.1) и показана на рисунке 3.2.

Кривая 1 – нарастание нажатия; кривая 2 – снижение нажатия. Воспроизводимость опытов в пределах зоны 1-1'.Гистерезис Rп=f(pn)

объясняется наличием остаточной деформации и поэтому кривая 2 идет ниже кривой 1.

Зависимость Rп=f(tO) (рисунок 3.3) – объясняется изменением структуры бугорков и площадок соприкосновения за счет изменения величины удельного сопротивления смятию. Поэтому для переходного сопротивления контакта температурный коэффициент будет меньше, чем для сплошного проводника.

С ростом температуры Rп вначале растет (I), затем резко падает (II) за счет падения механической прочности материала, далее растет (III) и при tпл падает до 0.

Rп сильно зависит от состояния контактной поверхности: так шлифовка контактов увеличивает Rп по сравнению с обработкой напильником, т.к. бугорки становятся более пологими и снятие их затрудняется.

Rп очень чувствительно к окислению, т.к. многие окислы плохие проводники. Медные контакты начинают окисляться на воздухе (кислород) при 20-30ОCи особенно сильно при 70ОC (со временем Rп возрастает и1000 раз). У замкнутых контактов доступ воздуха затруднен и окисление медленнее. Алюминиевые контакты на воздухе быстро окисляются и покрываются пленкой (2*10-6мм) с высоким Rп, поэтому им необходима специальная обработка – зачистка под вазелин. Не размыкаемые контакты покрываются оловом или серебром, окислы которых имеют Rп порядка чистых металлов. Размыкаемые контакты выполняют из серебра или керамики на основе серебра. ЭА с медными контактами рекомендуют, где возможно, периодически, после 8- 12 часов работы 2-3 раза отключать под током и снимать электрической дугой.

15

Рост величины контактной поверхности приводит к уменьшению Rп, но не безгранично (т.к. число точек соприкосновения уже мало возрастает). Однако ее увеличивают для снижения потерь и улучшения теплоотдачи.

Rп - тем меньше, чем меньше удельное сопротивление и чем меньше сопротивление снятию материала. Этим объясняется серебрение, лужение и т.д.

Параметры контактных конструкций

Раствор контактов (рисунок 3.4) – кратчайшее расстояние между разомкнутыми поверхностями подвижного и неподвижного контактов.

Величина раствора выбирается обычно из условия гашения малых токов. Для обеспечения надежности соприкосновения контактов кинематика ЭА выполняется, т.о. что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная часть доходит до упора.

Провал (рисунок 3.4) – расстояние, которое прошел бы контакт от соприкосновения контактной поверхности до положения при упоре якоря.

Величина провала определяет износ контактов при заданном числе срабатываний. В общем случае больший провал способствует большому износу устойчивости, т.е. больший срок службы, однако требует и более мощной магнитной системы.

Контактное нажатие – сила, снимающая контакты в месте их соприкосновения.

Различают начальное нажатие PO(провал l1) и конечное нажатие Пк

где с – жесткость контактной пружины, т.е. величина силы, необходимой для нажатия на 1 см;

l1 – величина первоначального сжатия пружины;

l2 – дополнительное сжатие до уровня провала.

Износ контактов – изменение их формы, размеров, веса в процессе работы, приводящее к уменьшению провала.

Различают: механический износ – удар, трение, перекатывание; химический износ или коррозия – связан с окислением,

образованием пленок.

Наибольший вред контактам наносит электрический износ или эрозия. При замыкании или, особенно, при размыкании контактов Rп возрастает,

поэтому сильно растет температура точек касания. В момент разрыва контактов температура достигает значений температуры плавления и возникает мостик гладкого металла. При дальнейшем движении мостик может оборваться и в зависимости от параметров отключаемой цепи между контактами возникает тлеющий разряд. Высокая температура контактов и действие на них дуги приводит к переносу металла с контакта на контакт, распылению,

16

интенсивному его окислению. Мерой эрозии является потеря массы или объема контакта.

Влюбом случае для уменьшения эрозии необходимо дугу быстро переместить из зоны ее возникновения, что снизит температуру контактной зоны. Величина эрозии растет с увеличением тока, напряжения, времени действия дуги и зависит от материала контактов (желательно применение дугостойких материалов). Суммарный износ контактов зависит от режима работы контактов и определяется комплексом факторов (числом включенийотключений, напряжением, током контактов, напряженностью поля поддува, соотношением механической и тяговой характеристик электромагнитного механизма, начальным нажатием и т.д.).

Однако в настоящее время разработаны схемные методы уменьшения износа (с применением полупроводников), которые значительно ослабили остроту вопросов коммутации и износа, особенно на низких напряжениях. Кроме того, все большее применение находят бесконтактные ЭА, поэтому влияние различных факторов на износ мы не рассматриваем.

Материалы контактов

Материалы контактов влияют на срок службы и надежность.

Требования к материалам: твердость и механическая прочность, высокая электро- и теплопроводность, устойчивость против коррозии, наличие токопроводящей пленки, дугостойкость, легкая обрабатываемость и низкая стоимость.

Медь – удовлетворяет всем требованиям, кроме коррозии и является самой распространенной.

Вне размыкаемых контактах покрывается серебром, а зачищенные медные контакты покрывают нейтральной смазкой.

Вразмыкаемых контактах медь применяется при нажатиях >0,3 кг для всех режимов работы, кроме продолжительного.

Для дугогасительных контактов медь применяется при отключении токов

30000 А.

Серебро – лучший контактный материал (не удовлетворяет только дугостойкости при больших токах).

Алюминий имеет меньшую электропроводность и механическую прочность, чем медь. Применение ограничено большим сопротивлением окисной пленки. Находит все большее применение в не размыкаемых контактах. При этом контакты серебрятся, меднятся или армируются медью.

Платина, золото, молибден – применяются для различных контактов на малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не имеют окисных пленок,

иконтакты из них имеют малое Rп.

Вольфрам и его сплавы имеют высокую электроизносоустойчивость, большую твердость и высокую температуру плавления. Применяются при малых токах для контактов с большой частотой отключения при средних и

больших токах в качестве дугогасительных контактов на Iê>100А.

18

1) рассчитывают усилия нажатия исходя из режима работы контактов (длительный, кратковременный, продолжительный) при этом учитывают допустимый перегрев контактов;

2) рассчитывают усилие нажатия исходя из Iн R п 0.5 Uк.1;

3)сравнивают полученные два значения и выбирают максимальное значение;

4)если конструктивно трудно выполнить такое усилие, то переходят на новый тип контактов или материала и повторяют пункты 1, 2, 3.

19

4 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Виды газового разряда

Разрыв электрической цепи обычно сопровождается электрическим разрядом, который может быть либо тлеющим, либо в виде электрической дуги. Тлеющий разряд возникает, когда ток отключаемой цепи ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает 200-300 В. Этот тип разряда является неопасным, т.к. он не сопровождается интенсивным износом контактов.

Дуговой разряд имеет место только при больших токах (>0,5 А), температура дуги может достигать 6000-18000 К. Он, как правило, сопровождается исключительно вредным явлением.

Первичным процессом при возникновении дуги является ионизация контактного промежутка, которая может происходить за счет: термо- и электронной эмиссии (у электродов), термической и ударной ионизации (в стволе дуги).

Деионизация дугового промежутка происходит за счет объемной или поверхностной рекомбинации заряженных частиц и их диффузии (перемещение из области горения дуги вовне). Деионизация определяется электрическими и тепловыми градиентами зоны горения дуги.

Свойства электрической дуги определяются ее вольт-амперной характеристикой, т.е. зависимостью падения напряжения на дуге – Uд от тока дуги - Iд (рисунок 4.1).

С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термодинамическая ионизация и падает электрическое сопротивление дуги

rд. Причем rд уменьшается так резко, что Uд падает, несмотря на увеличение Iд. При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не меняется мгновенно. Если ток Iд изменяется во времени медленно, то тепловая инерция не сказывается. Зависимость Uд=f(Iд) при медленном изменении тока Iд называется статической вольт-амперной характеристикой дуги – кривая 1 (рисунок 4.1). Она зависит от длины дуги, материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

В реальных установках ток дуги может меняться довольно быстро. Усиливается влияние тепловой инерции ствола дуги, изменение rд значительнее отстает от изменения тока - Iд. Зависимость Uд=f(Iд) при быстром изменении тока называется динамической вольт-амперной характеристикой.

20

При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая 2, рисунок 4.1), т.к. rд. падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже (кривая 3) поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока. Напряжение на дуге – Uд можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения в стволе дуги (рисунок 4.2):

где Eд – напряженность электрического поля, в стволе дуги; lд – длина дуги;

Uэ=Uа+Uк – прианодного и прикатодного падения напряжений.

В прианодной и прикатодной зоне, длина которых очень мала по сравнению с lд, падение напряжения всего 15-30 В (не зависит от материала, среды и не зависит от lд). Плотность тока на катоды очень велика и достигает 102-103 А\мм2.Eд в стволе почти не меняется и составляет 100-200 В\см.

Первичным условием гашения дуги является преобладание процессов деионизации над процессами ионизации. Рассмотрим баланс напряжений в цепи (рисунок 4.3а) при дуге, имеющей неизменную длину:

(ВАХ) построена нагрузочная прямая U-iR. Правее точки 1 (рисунок 4.3б) имеем сумму положительных слагаемых Uд, iR, Ldi\dt, следовательно, в этой зоне дуга горит (Ldi\dt>0).Левее точки 1 дуга гаснет (Ldi\dt<0). Это может быть только при том условии, когда

протяжении должна лежать выше нагрузочной прямой U-iR и не иметь с этой прямой точек соприкосновения. Это возможно только за счет поднятия ВАХ или за счет увеличения сопротивления цепи. Из уравнения 4.1 ясно, что ВАХ дуги может быть поднята за счет увеличения Uэ, Eд, lд. Условия бездугового отключения облегчаются и с уменьшением отключаемого тока и напряжения.

Напряжение на контактах при I=0 называется напряжением гашения

Т.о. в момент гашения дуги напряжение на контактах равно напряжению источника плюс модуль напряжения на индуктивности, увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания

называется перенапряжением. Оно зависит от L, di\dt, поэтому в