Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрические контакты коммутационных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
в) Электрические контакты, в которых поверхность одной контактдетали скользит по поверхности другой контакт-детали (пакетно-пластинчатые, пальцевые, розеточные).
г) Электрические контакты, в которых поверхность одной контактдетали одновременно скользит и перекатывается по поверхности другой
контакт-детали.
Примеры типичных конструкций контактных систем электрических
коммутационных аппаратов приведены в табл. П1.
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
1.3.
КОММУТИРУЮЩИХ КОНТАКТОВ
Надежная работа коммутирующих контактов электрических аппаратов в значительной мере определяется свойствами материала, из которого они изготовлены. Условия работы контактов в различных режимах
обеспечиваются требованиями к контактным материалам [3].
Основные требования, которые предъявляются к свойствам материала, следующие: низкое удельное электрическое сопротивление; высокие теплопроводность
, теплоемкость и температура плавления; высокая
стойкость против коррозии, эрозии и сваривания; высокая твердость;
хорошие технологические свойства и невысокая стоимость.
Материал контактов должен обладать высокой электропроводностью для снижения потерь мощности в замкнутом состоянии, уменьшения нагрева контакт-деталей и устранения опасности их приваривания.
Свойства материала коммутирующих контактов существенно воздействуют
на процесс дугогашения, оказывая влияние на восстанавливаю-
щуюся прочность дугового промежутка.
В процессе гашения дуги отключения теплопроводность материала
играет существенную роль: так, понижение температуры поверхности
контакта электрической цепи способствует гашению дуги вследствие
нарушения теплового баланса. В период восстановления электрической
прочности межконтактного промежутка высокая теплопроводность
ускоряет снижение температуры контактных поверхностей и тем
самым
способствует быстрому восстановлению электрической прочности промежутка.
Температура плавления и испарения металла коммутирующих кон-
тактов должна быть возможно более высокой, что позволяет снизить
21
эрозию контактов и склонность их к свариванию. С повышением температуры плавления и испарения уменьшается выброс паров контактного
материала в межконтактный промежуток, вследствие чего повышается
эквивалентный потенциал ионизации газоразрядной среды и улучшаются условия гашения дуги и восстановления электрической прочности
межконтактного промежутка. При этом следует учитывать работу выхода электронов контактного
материала, с увеличением которой снижается интенсивность эмиссии электронов с поверхности коммутирующих контактов.
По механическим свойствам материал коммутирующих контактов
должен обладать определенной пластичностью, обусловливающей возможно большую эффективную площадь контактирования, по которой
электрический ток переходит из одной контакт-детали в другую, и, следовательно, малое переходное контактное сопротивление. Материал
коммутирующих контактов должен обладать также и достаточной стойкостью к ударным нагрузкам при замыкании контактов электрической
цепи. Следует заметить, что коммутирующие контакты электрических
аппаратов подвергаются воздействию электродинамических усилий,
достигающих в ряде случаев весьма больших значений.
На работоспособность коммутирующих контактов существенно
влияет взаимодействие материала контактов с окружающей средой
и продуктами ее разложения
под действием дуговых разрядов. Материал коммутирующих контактов должен обладать достаточной коррозионной стойкостью.
Материалов, которые полностью удовлетворяют всем перечисленным требованиям, в природе не существует. Поэтому следует выбирать
материал, свойства которого максимально удовлетворяют предъявляемым требованиям условий эксплуатации коммутирующих контактов.
На практике в качестве материалов коммутирующих контактов применяют
чистые (моно) металлы и композиционные металлокерамиче-
ские материалы (металлокерамические композиции).
В табл. П2 приведены основные физико-технические свойства наиболее распространенных материалов коммутирующих контактов [3, 7, 8].
Сравнительная характеристика наиболее распространенных материалов, применяемых на практике для коммутирующих контактов, приведена ниже.
22
Монометаллы
Медь удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к ма-
териалу коммутирующих контактов: достаточно высокие значения тока
предельных параметров дуги
трическая проводимость и теплопроводность; достаточная механическая
твердость (табл. П2). На воздухе медь быстро окисляется и покрывается
тонким слоем темного цвета, но это окисление не проникает в глубь металла и служит его защитой от развития коррозии.
Медь хорошо поддается ковке и прокатке даже без нагрева, но
невысокие линейные свойства, что затрудняет изготовление из нее
сложных фасонных отливок.
Недостатками меди являются: низкая температура плавления, при
работе на воздухе (особенно при температуре более
ется слоем прочных окислов, отличающихся высокими электросопро-
тивлениями, которые требуют больших сил нажатия. Для защиты меди
от окисления поверхность контакт-деталей покрывают электролитическим способом слоем серебра толщиной 20…30 мкм [4, 5].
Для изготовления токоведущих элементов применяется: медь твер-
дотянутая, медь твердая, медь полутвердая, а также сплавы меди
(бронзы, латуни
).
Механические свойства меди различных марок незначительно отличаются друг от друга. Заметное влияние на механические свойства меди
оказывает ее деформация, состояние (твердая или мягкая), примеси других металлов в ней и температура нагрева.
Особенности и условия применения меди твердой (монометалл) следующие. Чистая медь из-за склонности к атмосферной коррозии
зованием оксидных и сульфидных пленок непригодна для слаботочных
контактов. Пленка окиси, имеющая высокое электрическое сопротивление, разрушается при большой силе нажатия, поэтому медь применяют
для плоских и круглых шин, контактов высокого напряжения, контакторов и др. Номинальные коммутируемые токи 50…100 А при значительных нажатиях. В повторно-кратковременном режиме пленка
ется дугой и удаляется при скольжении. При продолжительном режиме
для удаления пленки необходимо высокое нажатие.
I
мин
и
(см. таблицу), высокие элек-
U
мин
100 С
имеет
) покрыва-
с обра-
сжига-
23
Вследствие низкой дугостойкости нежелательно применять медь
в аппаратах, отключающих мощную электрическую дугу и имеющих
большое число включений в час.
Серебро марки Ср999 удовлетворяет большинству требований;
наименьшее из всех металлов удельное электрическое сопротивление,
высокая теплопроводность (табл. П2), пленка окисла серебра имеет сопротивление значительно большее, чем у чистого серебра, но как при
небольшой силе нажатия, так и при температуре около
шается. При температуре, близкой к
100 С
и большей, переходное со-
200 С
разру-
противление нередко уменьшается.
Негативные свойства серебра следующие. Малая дугостойкость
(см. таблицу); твердость по Бринеллю практически в четыре раза
меньше, чем у твердой меди, обусловливает быстрый износ при значительном нажатии. Низкая температура плавления, обусловливающая сваривание при значительных токах. В присутствии кислорода
и влаги взаимодействует с
газами, образуя пленки высокого электрического сопротивления. При контактных давлениях менее 0,05 Н
и значении напряжения меньше 5…10 В на поверхности серебряных
контактов образуется пленка сульфида серебра, с очень большим сопротивлением.
Особенности и условия применения следующие. Серебро используют для изготовления контакт-деталей небольших размеров, накладок
на контакт-детали, в качестве
покрытия контактных поверхностей,
наносимого гальваническим и иным способом, в виде твердых припоев
для спайки контакт-деталей. Применяют в случаях, когда требуется высокая надежность контактного соединения при токах от долей до многих тысяч ампер. При продолжительном режиме нагрева переходное сопротивление контактов имеет стабильные значения. При номинальных
токах более 80…100 А
в случае применения серебра в качестве материала коммутирующих контактов необходимы дугогасительные контакты
и другие дугогасительные устройства.
Золото практически не окисляется в воздухе, имеет малое контакт-
ное сопротивление (табл. П2) и применяется для контактов, работающих при малом контактном давлении и низких напряжениях, но имеет
24
склонность к иглообразованию при малых значениях тока. Для больших нагрузок золото непригодно, так как имеет низкие параметры
дуги (см. таблицу), склонно к свариванию и дает большой перенос металла.
Золото и платина не образуют окисных пленок. Контакты из этих
металлов имеют малое переходное сопротивление. Применяются для
коммутирующих контактов на очень
малые токи при малых напряже-
ниях.
Платина характеризуется высокими параметрами электрической
дуги (см. таблицу), большой устойчивостью против коррозии и хорошими технологическими свойствами (табл. П2). Платина широко применяется при тяжелых условиях работы и малых контактных нажатиях
(0,01…0,05 Н) для контактов реле. Однако платина и ее сплавы склонны
к образованию мостиков
и игл при малых величинах тока. Переходное
сопротивление платиновых контактов невелико, но величина этого сопротивления изменяется в довольно широких пределах.
В чистом виде платина применяется сравнительно редко вследствие
недостаточной твердости. Платина и ее сплавы дефицитны и дороги,
они должны применяться только в случае крайней необходимости.
Палладий по ряду свойств
близко подходит к платине (табл. П2),
но значительно дешевле ее. По сравнению с платиной палладий менее
устойчив к окислению в воздухе (тускнеет при
500 С
), но окислы его
нестойкие и разлагаются при более высоких температурах.
Родий представляет собой очень хороший материал для контактов –
он не тускнеет на воздухе, отличается хорошей электро- и теплопроводностью, малой летучестью, тугоплавкостью и большой твердостью
(табл. П2). Из-за невозможности механической обработки и высокой
стоимости родий применяется только в виде
электрохимических покрытий толщиной от 2,5 до 50 мкм (при серебряном подслое) и не может
быть использован при больших токах.
Электролитически осажденный родий имеет высокую твердость
(табл. П2), что обеспечивает очень малый износ контактов. Родий применяется для цепей с низким напряжением и малыми значениями тока
в тех случаях, когда требуется большая
износоустойчивость (скользя-
щие контакты).
25
Платина, золото, палладий и их сплавы с иридием, родием, а также
другие металлы и сплавы (редкие и драгоценные) устойчивы против
коррозии; золото в воздухе не окисляется; при этом они надежно работают при малых нажатиях, измеряемых от долей грамм-силы (кгс).
Основной недостаток перечисленных выше материалов – они неизносо
стойкие: при токах, измеряемых несколькими амперами и первыми десятками ампер, оплавляются, разбрызгиваются и свариваются. Платина,
палладий, золото и их сплавы применяются для электрического контакта реле, работающих при малых токах, при которых не образуется
дуга. Платина – иридий, платина – серебро, молибден и их сплавы применяются для электрических контактов, работающих
при токах, при ко-
торых образуется дуга.
Никель применяется в качестве защитного покрытия (никелирова-
ния) контактных деталей и как один из компонентов в сплавах с другими металлами. Никель в химическом отношении – малоактивный металл, который при температурах, соответствующих работе аппарата, не
подвержен ни воздействию воздуха, ни действию влаги. При темпера
туре
500 С
никель незначительно окисляется на воздухе (табл. П2).
Молибден относится к тугоплавким металлам, отличается высоким
модулем упругости, имеет высокую точку плавления, обладает хорошей
термостойкостью (табл. П2). По механической прочности молибден несколько уступает вольфраму, электропроводность ниже, чем у меди; обладает хорошей коррозионной стойкостью.
В качестве недостатков молибдена следует отметить малую
пластичность при низких температурах и подверженность атмосферной
коррозии.
Вольфрам отличается значительной твердостью, высокой температурой плавления; высокой эрозионной устойчивостью, обусловливающей высокую дугостойкость и механическую изностойкость. Поэтому
контакт-детали из вольфрама не свариваются, не поддаются механическому износу и обеспечивают очень большой срок службы при больших
напряжениях и индуктивных нагрузках
(при токе до 3…5 А).
Основной недостаток вольфрама – его подверженность атмосферной эрозии с образованием оксидных и сульфидных пленок, поэтому
контакты из вольфрама имеют высокое переходное сопротивление
-
-
26
и требуют больших контактных давлений (больше 0,4…0,6 Н), особенно
при низких напряжениях. Следует также отметить, что хрупкость вольфрама вызывает технологические трудности.
Композиционные
металлокерамические материалы
Для коммутирующих контактов, работающих в особо тяжелых условиях (длительное время при больших нагрузках), необходим материал,
отличающийся большой износоустойчивостью, тугоплавкостью, малой
эрозией, малой склонностью к привариванию, высокой электро- и теплопроводностью. Сочетание всех упомянутых свойств не встречается
в металлах и их сплавах, которые применяют для коммутирующих контактов. Такое сочетание свойств
позиционных металлокерамических материалах.
Композиционные металлокерамические (КМК) материалы представляют собой псевдосплавы (механические смеси, компоненты которых сохраняют свои физико-механические свойства) на основе тугоплавких (вольфрам, молибден) и легкоплавких (серебро, медь) металлов, получаемых методами порошковой металлургии. Такого рода композиция весьма успешно сочетает
тов, которые не взаимодействуют между собой ни в твердом, ни в жидком состоянии либо слабо взаимодействуют. Так, например, в композициях W – Ag (Cu) и Mo – Ag (Cu) высокие механические свойства и тугоплавкость вольфрама и молибдена сочетаются с высокой электропроводностью серебра и меди.
Физические свойства металлокерамических композиций зависят от
процента содержания составляющих компонентов. Содержание тугоплавкого металла в композициях для коммутирующих контактов в большинстве случаев варьируется в пределах от 40 до 55 % по весу. Свойства
композиции могут изменяться посредством небольших легирующих
примесей (никеля, кобальта и др.), а также изменения ее микроструктуры.
В ряде вариантов весьма успешным оказывается сочетание в
металлов и оксидов металлов, когда вводимые окислы металлов обладают хорошей электропроводностью и диссоциацией. Широкое
может быть достигнуто только в ком-
в себе свойства исходных компонен-
КМК
27
распространение в коммутационных аппаратах получила композиция
на основе серебра и оксида кадмия (Ag – CdO) [6]. Окись кадмия характеризуется высокой электропроводностью, при температурах электрической дуги она разлагается взрывообразно на кислород и пары
кадмия
(770 С),
оказывая деионизирующее действие на дугу.
Металлокерамические материалы изготовляются следующими способами.
1. Прессование тщательно смешанных порошков двух металлов
(например, меди и вольфрама) в требуемом соотношении под большим
давлением и спекание полученной заготовки в защитной среде (водород) при высокой температуре в течение нескольких часов. Свойства
композиции в значительной мере зависит
от ее структуры. Структура
композиции может быть улучшена, если после спекания смеси порошков металлов подвергнуть глубокой пластической деформации допрессовкой (однократной или многократной) с последующим отжигом
или механической обработкой (ковкой, прокаткой и т. п.). Многократная прокатка заготовок из КМК, изготовленных способом прессования
с промежуточным отжигом, значительно повышает ее механические
свойства и плотность.
2. Предварительное прессование из тугоплавкого металла (например, молибдена или вольфрама) и последующая пропитка под вакуумом
легкоплавкой составляющей (например, медью или серебром) в жидкой
фазе. Легкоплавкая составляющая композиции удерживается силами
капиллярного давления в порах (капиллярах) тугоплавкого материала,
который к тому же препятствует свариванию коммутирующих контактов. Технология изготовления
КМК, несмотря на существенное различие в коэффициентах линейного расширения образующих ее металлов,
которые сохраняют свои физические свойства, позволяет формировать
монолитную заготовку
Следует заметить, что композиции не имеют склонности к иглооб-
разованию [7].
Физические свойства металлокерамических композиций зависят от
процента содержания составляющих компонентов. Содержание тугоплавкого металла в композициях для коммутирующих
контактов боль-
шей частью находится в пределах от 40 до 85 по весу. Количество
28
легкоплавкой составляющей определяется расчетным объемом пор в пористом каркасе тугоплавкого материала.
Тугоплавкий скелет может быть образован не только металлами, но
и карбидами, нитридами и окислами металлов, так как их электропроводность принципиально не имеет значения.
Широкое применение для сильноточных контактов получили композиции с каркасом, изготовленным из тонких волокон тугоплавких
металлов (вольфрама, молибдена). В зависимости от условий работы
и конструктивного исполнения коммутирующих контактов волокна
могут быть ориентированы в различной плоскости (перпендикулярно
к торцевой плоскости либо под произвольными углами). Придавая волокнистую структуру таким композиционным материалам, как вольфрам–медь, серебро–никель и другие, можно формировать (при заданном составе) технические
характеристики (коммутационный ресурс,
дугостойкость и пр.) [8].
Следует заметить, что эрозия контактов, изготовленных способом
предварительного прессования из тугоплавкого материала пористого
тугоплавкого каркаса с последующей его пропиткой под вакуумом легкоплавкой составляющей, обусловливается преимущественно испарением легкоплавкого металла.
В контактах из композиции, изготовленной способом прессования с промежуточным отжигом, из-за отсутствия прочного
каркаса
происходит интенсивное ее разрушение вследствие оплавления и выброса расплавленных частиц обоих металлов, входящих в состав композиции.
Дугостойкость металлокерамических композиций тем выше, чем
мельче их структура и чем равномернее распределены в ней компоненты.
Общим недостатком всех металлокерамических композиций является пониженная электропроводность, поэтому металлокерамические контакт-детали
и композиционные контакт-детали не изготовляют целиком.
Для сильноточных аппаратов в подавляющем большинстве из металлокерамических композиций изготовляют лишь контактные элементы (накладки) в виде прямоугольных и квадратных пластин с плоской, цилиндрической или сферической поверхностью, в виде дисков
29
со сферической или плоской рабочей поверхностью; в виде облицовочных фигурных наконечников или других изделий сложной формы,
которые припаиваются к основной контакт-детали (медной или стальной) в зоне дуги.
Контактные элементы (накладки) из композиций с высоким содержанием тугоплавкого компонента, облицовывающие рабочую поверхность контакта, должны быть возможно тоньше для
лучшего отвода теплоты от их рабочей поверхности в глубь контакт-детали. Увеличение
толщины накладки не повышает коммутационного ресурса контактов,
так как для его повышения необходимо увеличить теплоотвод от нагретой (рабочей) зоны накладки, соприкасающейся с дугой. Поскольку теплопроводность металлокерамической композиции всегда меньше, чем
легкоплавкой составляющей (входящей в эту
композицию), необходимо
стремиться по возможности уменьшить толщину контактного элемента
(накладки) из этой композиции. Оптимальная толщина дугостойкой облицовки составляет 3…5 мм. Однако в ряде случаев для повышения механической прочности толщину облицовки приходится увеличивать изза хрупкости композиционных материалов.
Теплопроводность металлокерамических композиционных матери-
алов зависит от содержания образующих ее металлов. Так,
например,
теплопроводность композиционных металлокерамических материалов,
содержащих: 30 % W (вольфрама) и 70 % Ag (серебра), составляет
340 Вт/м К; 70 % W (вольфрама) и 30 % Ag (серебра) – 230 Вт/м К;
20 % W (вольфрама) и 80 % Cu (меди) – 310 Вт/м К; 80 % W (вольфрама)
и 20 % Cu (меди) – 100 Вт/м К; 85 % Ag (серебра) и 15 % CdO (окись
кадмия) – 326 Вт/м К; 60 % Ag (серебра) и 40 % Ni (никеля) – 320 Вт/м К;
85 % Ag (серебра) и 15 % Ni (никеля) – 400 Вт/м
К [8, 9].
Крепление элементов (накладок) из металлокерамических композиционных материалов к контакт-деталям обычно выполняется посредством пайки мягкими или твердыми серебряными припоями,
а также припоями на основе сплавов серебра, меди, цинка, кадмия, никеля и фосфора. Так, например, для композиций на основе Ag – CdO
широко применяется припой, содержащий 45 % серебра, 20 % кадмия,
19 % меди и 15 %
цинка; при этом температура пайки
620 С
[7–9].
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]