Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Классификация контактов, основные определения и требования

Электрический контакт – это соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. По ГОСТу 8024–90 контакт – это совокупность токоведущих частей аппарата, предназначенных для установления непрерывности электрической цепи, когда они соприкасаются и вследствие взаимного перемещения во время коммутационной операции размыкают или замыкают цепь или сохраняют непрерывность цепи при скользящих или шарнирных соединениях.

Контактные соединения, наиболее часто встречающиеся в электрических аппаратах, классифицируются по признакам.

По виду соединений электрические контакты бывают взаимонеподвижные и взаимоподвижные.

б

Рис. 3.1. Размыкающиеся контакты: а – щеточные; б – мостиковые; в – пальцевые; г – с плоскими пружинами

31

Взаимонеподвижные контакты подразделяются на разъемные (болтовое соединение) и неразъемные (сварные, спаянные и т.д.).

Взаимоподвижные (рис. 3.1) подразделяются:

•на неразмыкающиеся, предназначенные для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижные или наоборот;

•размыкающиеся, расходящиеся в процессе работы мостиковые

контакты, щеточные, щеточные скользящие, пальцевые, ножевые, с плоскими пружинами и розеточные.

Для выяснения сущности явления электрического контакта необходимо рассмотреть механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой, обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Контакт твердых тел: а – профилограмма контактирования; б – контактная поверхность

Давление в разных точках поверхности не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации. Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках; при сжатии их силой – по отдельным площадкам. При ближайшем рассмотрении поверхности, воспринимающей усилие, заметно, что она неоднородна, т.е. в общем случае одна ее часть покрыта пленками оксидов, имеющих удельное

32

сопротивление на порядок выше, чем металлическая поверхность. Другая же часть покрыта адгезионными или хемосорбированными слоями атомов кислорода, через которые ток протекает за счет туннельного эффекта, а оставшаяся часть представляет собой чисто металлическую поверхность.

Основные требования, предъявляемые к контактным материалам:

•стойкость к механическому износу (истиранию);

•минимальные химические износы (коррозия);

•минимальные электрические износы (эрозия).

Помимо этого контактные материалы должны обладать достаточной электро- и теплопроводностью, иметь минимальную способность

ксвариванию.

Вкачестве материалов для контактов используют черные, многие цветные металлы и их сплавы, углерод в виде графита, угля и углеродистых соединений. Из цветных металлов для контактов применяют медь, олово, свинец, цинк, никель, кадмий, алюминий, ртуть, висмут, кобальт, золото, серебро, платину, вольфрам, молибден, родий и палладий.

Контактные системы коммутационных аппаратов должны отвечать следующим требованиям:

1. При работе аппарата в его номинальном рабочем режиме (продолжительное протекание тока или коммутации рабочего тока или др.) температура неработающей поверхности металла коммутирующих контактов должна быть не выше предельно допустимой по ГОСТ. Температура контактной зоны, хотя и не регламентируется стандартами, должна быть ниже температуры рекристаллизации материала контактов.

2. При предельно допустимых для аппарата токах (пусковых, короткого замыкания и др.) коммутирующие контакты должны быть термически и электродинамически стойкими, т.е. не должны свариваться как в замкнутом состоянии при «сквозном токе», так и при замыкании цепи, в которой протекает предельный для аппарата ток.

3. При токах номинального режима и токах предельных режимов коммутирующие контакты должны иметь меньший электрический и механический износ. Вибрация контактов должна быть ниже допустимой.

Контакты из благородных металлов – платины, иридия, осмия, палладия, золота и их сплавов – работают наиболее устойчиво при длительном протекании тока. Вследствие высокой стоимости матери-

33

алов они применяются только для аппаратов, работающих при малом напряжении и коммутирующих малые токи.

Наиболее химически активным металлом, широко применяемым для контактов аппаратов, коммутирующих большие токи, является серебро, сульфиды которого электропроводны. Серебро применяется для главных контактов автоматических выключателей, которые относятся к категории аппаратов, работающих в продолжительном режиме и редко отключаемых. Серебряные контакты применяют для блокконтактов, работающих в цепях управления.

При больших коммутируемых токах и мощностях применяют контакты из металлокерамики. Они тверды, тугоплавки, мало подвержены эрозии и коррозии, выдерживают без расплавления и разрушения значительно большие нагрузки, чем металлические контакты. Металлокерамическая композиция представляет собой механическую смесь двух-трех не сплавляющихся между собой металлов, из которых, как минимум, один металл тугоплавкий. В настоящее время получили распространение металлокерамические контакты следующих составов: серебро–оксид кадмия, серебро–графит, серебро–никель, сере- бро–вольфрам, серебро–карбид вольфрама, медь–вольфрам и др.

Контактные соединения характеризуются основными параметрами:

1.Номинальный ток ( Iном ) – определяет конструкцию узла электрического аппарата и зависит от переходного сопротивления контак-

та Rп и допустимой величины нагрева контакта ϑдоп , нормируемой ГОСТ. При прохождении тока через контакты в них выделяется допол-

нительное количество тепла, определяемое по выражению Q = I 2 Rп . Это тепло расходуется на нагрев как непосредственно точек соприкосновения контактных поверхностей, так и участков токоведущих деталей, примыкающих к месту контакта.

2.Номинальное напряжение (Uном ) – входит в нормируемый ряд линейки напряжений: 220, 380, 660, 1000, 1140, 3000, 3300, 6000, 6600, 10 000, 35 000, 110 000 и т.д.

Номинальное напряжение определяет величину расстояния между контактами.

3.Ток термической стойкости – это ток аварийного режима,

при протекании которого за определенное время не произойдет разрушение токоведущих частей ЭА за счет термических явлений. Для контактных соединений ток термической стойкости – это ток, значение которого не приводит к расплавлению контактов и их свариванию.

34

4.Ток динамической стойкости – это максимальный ток, при про-

текании которого за определенное время не произойдет разрушение токоведущих частей электрического аппарата.

5.Коммутационная износостойкость – это время надежной рабо-

ты ЭА. Для ЭА низкого напряжения число циклов достигает десятков тысяч, для ЭА высокого напряжения – 2000.

3.2. Нагрев и охлаждение частей электрических аппаратов

Токоведущая система аппарата, состоящая из ряда металлических деталей, соединенных между собой, обладает определенным сопротивлением, зависящим от материала, длины, поперечного сечения деталей и способа соединения их между собой. Поэтому при прохождении тока все детали токоведущей системы нагреваются и тем больше, чем больше проходящий по ним ток. Одновременно с нагревом проводников происходит их охлаждение путем отдачи тепла в окружающую среду (воздух, масло, соединения металлические и изоляционные части). Через некоторое время после начала прохождения тока устанавливается тепловое равновесие. Такой режим нагрева, а следовательно, и режим работы аппарата называется установившимся режимом работы.

35

В соответствии с этим устанавливается и постоянная температура того или иного проводника, составляющего токоведущую систему; эту температуру называют установившейся температурой нагрева

Θуст (рис. 3.3).

Разность между установившейся температурой нагрева Θуст проводника и температурой окружающей среды Θос называют превышением температуры τпер проводника над температурой окружающей среды.

Значение максимальной температуры нагрева проводников зависит не только от материала, из которого они изготовлены, но и рода соприкасающейся с ним изоляции, режима работы аппарата.

36

4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ И ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

4.1. Общие сведения

Электрическая дуга, открытая в 1802 г. русским ученым В.В. Петровым, представляет собой вид электрического разряда в газах. Явление прохождения электрического тока через газ, называемого газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из межэлектродного промежутка, заполненного газом под давлением, и регулируемого сопротивления (рис. 4.1, а). Считаем, что при конкретном напряжении на электродах произошел пробой промежутка и через последний протекает ток, определяемый сопротивлением. Если в дальнейшем увеличивать ток, то напряжение между электродами будет изменяться по кривой, представленной на рис. 4.1, б.

Рис. 4.1. Разряд в газовой среде: а – электрическая схема; б – статическая вольтамперная характеристика

Электрический разряд в газах подразделяется на следующие фазы: 1 – тихий несамостоятельный разряд (слабое электрическое поле,

очень малые разность потенциалов и ток между электродами); 2 – тихий самостоятельный разряд (более значительное электриче-

ское поле, увеличение тока до 10–6А); 3 – нормальный тлеющий разряд (значительный ток ионизации,

образование короны, явление свечения, иногда сопровождаемое потрескиванием, небольшое падение напряжения между электродами); 4 – аномальный тлеющий разряд (образование вблизи катода большого падения напряжения, резкое увеличение тока до нескольких ампер);

37

5 – переход от тлеющего разряда к дуговому разряду; 6 – дуговой разряд (большие токи ионизации, достигающие сотен

и тысяч ампер, малое падение напряжения в газовой среде, светящиеся пятна на катоде, иногда и на аноде).

Дуговой разряд – это последняя и самая мощная форма существования разряда в газах. Он может развиться не только из предшествующих фаз, но и возникнуть непосредственно в момент размыкания или замыкания электрической цепи. Схема дугового разряда представлена на рис. 4.2. Мощность и длительность горения дуги зависят от силы протекающего тока, формы электродов, их материалов, расстояния между контактами, скорости их сближения и отхода, характера окружающей среды и т.д. Температура, развивающаяся в дуге, чрезвычайно велика и прямо пропорциональна давлению в газовой среде. При небольших давлениях температура дуги достигает сотен градусов Цельсия, при больших давлениях – 20 000…50 000 °С. Различают катодную и анодную зоны.

Зона катодного падения напряжения. Эта зона является основным источником энергии в дуговом промежутке. На катод падает поток ионов, разогревающих катод до высоких температур.

Рис. 4.2. Схема дугового разряда

С катода излучается поток электронов, при этом вблизи катода часто образуется светящееся катодное пятно, а при определенных условиях из него истекает плазменная струя частиц.

Падение напряжения в катодной зоне составляет 10 В и менее. Протяженность зоны катодного падения напряжения составляет менее 10-4 см. Градиент напряженности поля при малой протяженности катодной зоны составляет 105…107 Вб/см.

Зона анодного падения напряжения. Эта зона значительно от-

личается от зоны катодного падения как физикой происходящих процессов, так и большей протяженностью. Ток вблизи анода в основном

38

состоит из движущихся к аноду электронов. Электроны, перемещаясь в анодном пространстве, создают в нем падение напряжения. Вблизи анода образуется избыток электронов, т.е. избыток отрицательного пространственного заряда. Падение напряжения в анодной зоне составляет 2…12 В.

Зона падения напряжения в столбе дуги. В длинных дугах меж-

ду зонами анодного и катодного падения напряжения находится столб дуги, состоящий из ионизированного газа. В нем создается зона падения напряжения. Градиент напряжения в столбе дуги оценивается величиной порядка 10…200 В/см. Высокая температура газа в столбе дуги порядка (4000…6000 °С) вызывает столкновение потока электронов с атомами и молекулами газа, из которых состоит столб дуги.

Короткая дуга. В короткой дуге (бесплазменной) нет столба дуги и электроды сближены на такое расстояние, что зоны анодного и катодного падения напряжения соприкасаются или же катодное пятно достигает анода.

Минимальное напряжение, при котором в воздухе зажигается короткая дуга, равно 10…20 В. После возникновения дуги большое число электронов интенсивно испаряется с катода и бомбардирует анод, который сильно нагревается и даже частично испаряется. При этом происходит процесс эрозии, т.е. перенос металла с анода на катод. Для коротких дуг характерно высокое давление паров.

В дуговых процессах существенное значение имеют четыре вида ионизации: 1) термоэлектронная эмиссия; 2) автоэлектронная эмиссия; 3) ударная ионизация; 4) термическая ионизация.

При ионизации в газе появляются свободные электроны и ионы, но утрачиваются свойства диэлектрика и может проходить ток.

Термоэлектронная эмиссия. В металле электродов всегда имеются свободные электроны, движущиеся между узлами кристаллической решетки. В холодном металле кинетическая энергия движущихся электронов недостаточна для преодоления силы притяжения со стороны атомов кристаллической решетки и выхода в окружающую среду. С нагревом металла кинетическая энергия электронов возрастает и при определенном ее значении электроны выходят из металла, затрачивая при этом некоторую работу.

В процессе горения электрической дуги происходит разогрев поверхности катода вследствие того, что под действием электрического поля между электродами, положительные ионы из столба дуги движутся к катоду и бомбардируют его поверхность. В результате этого

39

на поверхности катода появляется катодное пятно, высокая температура которого способствует увеличению термоэлектронной эмиссии.

Автоэлектронная эмиссия. В отсутствие термоэлектронной эмиссии в зоне катодного падения напряжения происходит появление электронов из-за того, что во время горения дуги в этой зоне всегда существует объемный положительный заряд, созданный положительными ионами, появляющимися из столба дуги под действием сил межэлектродного электрического поля. Положительные ионы вместе

сэлектронами на поверхности катода создают сильное прикатодное электрическое поле с большой напряженностью порядка 1·107 В/см и выше. Силы прикатодного поля помогают электронам на поверхности катода преодолевать силы притяжения и выходить в межэлектродное пространство, т.е. происходит своеобразное вырывание электронов

споверхности катода.

Ударная ионизация. Свободные электроны, имеющиеся в межэлектродном промежутке или появившиеся вследствие автоэлектронной эмиссии под действием сил электрического поля, приобретают направленное движение от катода к аноду, запасая при этом кинетическую энергию. На своем пути они сталкиваются с атомами (молекулами) нейтрального газа. Если в момент столкновения электрон имел достаточный запас кинетической энергии, то он может выбить из атома газа электрон, превращая его в положительно заряженный ион. Появившиеся новые свободные электроны таким же образом могут ионизировать другие нейтральные частицы газа.

Ударная ионизация может возникнуть лишь при сильном электрическом поле напряженностью около 104 В/см и наличии свободных электронов в промежутке между электронами. Скорость движения электрона прямо пропорциональна разности потенциалов на пройденном пути. Значение разности потенциалов, необходимое для ионизации, называется потенциалом ионизации.

Термическая ионизация. При повышении температуры газа скорость движения его частиц увеличивается. При возникающем столкновении происходит разрушение быстродействующих атомов и молекул газа с образованием заряженных частиц, в том числе и отделение электронов от атомов.

С увеличением давления газа степень его термической ионизации уменьшается. Примесь паров металла снижает температуру, при которой начинается процесс термической ионизации. Если для газов (кислород, водород, азот, воздух) заметная ионизация появляется при

40