Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрические контакты коммутационных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
В контактных соединениях доступ воздуха к площадкам фактического касания затруднен, особенно если используются защитные и проводящие смазки. Переходное сопротивление таких контактов длительной время может быть стабильным.
При неизменной площади контактирования переходное сопротивление контакта тем меньше, чем больше контактное нажатие, так как от
него зависит эффективная площадь контактирования
. В области малых
давлений с увеличением контактного нажатия переходное сопротивление быстро уменьшается; при дальнейшем повышении нажатия изменение переходного сопротивления становится менее заметным.
Контактные соединения с очень малой шероховатостью рабочих поверхностей (например, при шлифовке или полировке) имеют бόльшие
значения переходного сопротивления, чем более грубо обработанные
контактные соединения, так
при контактировании гладких поверхностей меньше точек соприкосновения. Наиболее целесообразна обработка рабочих поверхностей по классу 5…7 [4, 9].
Влияние условной площади контактирования на переходное сопротивление обусловлено лишь тем, что от ее размеров в некоторой степени
зависит число точек соприкосновения, а от него – показатель
в фор-
m
муле (2.14). Величина условной контактной поверхности влияет также
на условия работы данного контактного соединения: чем больше поверхность, тем выше теплоотдача с нее и тем ниже температура контактного соединения.
Переходное сопротивление контактного соединения (контакта электрической цепи) зависит от температуры нагрева контакт-деталей и степени окисления их
рабочей поверхности. Повышение переходного сопротивления с повышением температуры контакт-детали обусловливается увеличением удельного электрического сопротивления металла
контакт-детали. Однако с повышением температуры уменьшается сопротивляемость смятию, т. е. увеличивается число точек контактирования.
Переходное сопротивление при температуре
в зоне контакти-
з.к
рования
2
ε 1(20)
R
пер.к
э.сдоп
3
(0,102 )
51
F
к.пол
,
m
(2.15)
где
– температурный коэффициент электрического сопротивления
э.с
материала контакта (табл. П2); 2/3 – коэффициент, учитывающий
уменьшение температуры по мере удаления от площадки контактирова-
ния для температур до
200 С
, при более высоких температурах вместо
коэффициента 2/3 надо подставлять коэффициент 1/5 [3, 4, 6].
Таким образом, переходное сопротивление контакта электрической
цепи (переходное сопротивление контакта) – это электрическое сопротивление зоны контактирования, которое определяется эффективной
площадью контактирования и равно отношению падения
ния на контактном переходе к току
RR
пер.кст
I через этот переход [2]:
к
U
к
(2.16)
.
I
к
U напряже-
к
Под падением напряжения на контактном переходе принято понимать напряжение между двумя замкнутыми совместно работающими
контакт-деталями [2].
Падение напряжения
U в формуле (2.16) переходного сопротивле-
к
ния контакта может быть выражено через напряжение рекристаллизации (размягчения)
U
к.раз
.
В табл. 2.3 приведены значения электрического напряжения: напря-
U
жения
рекристаллизации, равного падению напряжения на пере-
к.рек
ходном сопротивлении, когда температура в точке соприкосновения достигает температуры
рекристаллизации; напряжения
к.рек
U плав-
к.пл
ления, равного падению напряжения на переходном сопротивлении
контакта, когда температура в точке соприкосновения достигает температуры
плавления металла.
к.пл
Падение напряжения в переходном сопротивлении коммутирующих
контактов
.UIR
кн.кпер.к
Для маломощных реле
(0,5...0,8)UU
крек
(табл. 2.3) [1, 4–7].
Для аппаратов управления и распределения энергии до 1000 В при
контактах, работающих в воздухе,
(0,1...0,3)UU
крек
52
[1, 4, 7].
Электрическое напряжение и температура
рекристаллизации и плавления металлов
Таблица 2.3
Материал
контактов
Рекристаллизация Плавление
к.рек
, ВU
к.рек
, С
к.пл
, ВU
к.пл
, С
Вольфрам 0,12…0,44 1000 0,8…1,1 3410
Графит – – 5,0 3500…4700
Золото 0,08…0,14 100 0,43 1063
Иридий 735 2454
Кадмий – – 0,15 321
Медь 0,09...0,13 190 0,43…0,45 1083
Молибден 0,25…0,3 900 0,75…0,9 2620...2800
Никель 0,22 520 0,65 1255…1420
Стабильность переходного сопротивления зависит от рода металлов
(скорость образования оксидной пленки, ее хрупкость или пластичность), доступа воздуха к рабочей поверхности контакт-детали, конструкции контактов и контактного нажатия.
Контактное нажатие
Контактное нажатие – сила, действующая между замкнутыми контакт-деталями, нормальная к поверхности их соприкосновения [2].
Контактное нажатие определяет переходное сопротивление, а следовательно, и температуру контакт-деталей.
Сила нажатия, относящаяся к одной контактной площадке (точке),
может быть рассчитана по следующим формулам:
27
к
I АНF
1
16 arccos
π 10
L В
н.к
2
т.кас
; (2.17)
2
к
53
22 7
А
F
π 10
I Н
В
F
н.к
к
1
2
U
4
к
, (2.18)
I – номинальный ток, протекающий через контакты, А;
где
н.к
–
L
число Лоренца, для наиболее распространенных металла, применяемых
8
для контактов, меняется в довольно узком пределе
2
В / С;
кгс / мм
– температура точки касания (фактической площадки), К; к –
т.кас
температура контакт-детали, К;
H – твердость контактной поверхности по Бринеллю,
В
2
; – коэффициент удельной теплопроводности,
– удельное электрическое сопротив-
ление металла при температуре контакт-детали,
(2,33...2, 49)10 ,
Ом м ;
U – падение
к
Вт/мС
напряжения на контактах, В.
Численные значения физических свойств и механические характеристики металлов, применяемых для контакт-деталей, входящие в (2.15),
приведены в табл. П2 [4, 7].
Для взаимоподвижных контакт-деталей различают начальное контактное нажатие и конечное контактное нажатие.
Начальное контактное нажатие – контактное нажатие в момент
начала замыкания контакт-деталей принимается равным [2, 4]:
(0,4...0,75)FF .
к.нач к.пол
Конечное контактное нажатие, под которым принято понимать контактное нажатие после окончания замыкания контакт-деталей,
;
,
к.пол к1 к
n – число контактных площадок (точек), характеризующих форму
где
к
Fn
рабочей поверхности контакт-детали [1, 4–7].
Полученное значение полной конечной силы нажатия должно быть
не ниже норм, установившихся на практике [3, 4, 6].
При больших значениях этого отношения по мере износа сила конечного нажатия снижается меньше.
54
Нагрев контактных соединений и контактов
при продолжительном нагреве
При контактировании двух цилиндрических проводников диаметром
d фактическое контактирование осуществляется по условному ра-
a
диусу
центр которой лежит на оси проводника (рис. 2.3).
Расчеты показывают, что в зоне контактирования, отстоящей на расстоянии
расстоянии порядка
тока параллельны (рис. 2.3).
Если не учитывать переход от сферического поля к однородному, то
контакт можно условно разбить на две зоны.
В первой зоне растекание тока происходит так же, как и при идеализированной картине контактирования полубесконечных тел (рис. 2.3).
При этом тепло распространяется от площадки в
только за счет теплопроводности, отдачей тепла с боковой поверхности
проводников в этой зоне можно пренебречь по сравнению с мощностью
потерь в этой части контакта.
эффективной (фактической) площадки контактирования,
к.эф
(5...6)a
, поле растекания тока близко к сферическому, а на
к.эф
3
d
растекание тока завершается – далее линии
4
тело проводника
34d
а
d
. 2.3. Растекание тока в зоне стягивания
Рис
к.эф
Во второй зоне теплота распространяется за счет теплопроводности
вдоль оси проводника и отдается с боковой поверхности в окружающую
среду.
Температура контакта, близкая к той, которая имеет место на границе двух зон, называется температурой
55
контакта.
к
При принятых условиях можно считать, что обмен теплоты между
контактными поверхностями не происходит, а удельное электрическое
сопротивление и теплопроводность металла контакт-деталей – величины постоянные и не зависят от температуры их нагрева; связь между
потенциалом и температурой нагрева выражается формулой
где
и
к.т
– потенциал (В) и температура нагрева точки соприкос-
к.т
()(),А
к.тк к.тк
новения рабочих поверхностей контакт-деталей,
222
(2.19)
К
;
и к – потен-
к
циал (В) и температура нагрева поверхностей контактных деталей,
удаленных от точки соприкосновения,
К
; А – универсальная посто-
янная (коэффициент Лоренца). На практике принимают постоянную
При расчетах за температуру
для всех металлов [3, 6, 9].
контакт-детали (в кельвинах, К)
к
82
2,3 10 Вт/градА
в формуле (2.19) принимается температура, которую имела бы контакт-
R
деталь, если бы сопротивление перехода контакта
нулю; на практике температуру
контакт-детали принимают равной
к
было равно
к.пер
допустимой температуре нагрева данной контакт-детали (табл. П3 и П4).
Температура
точки соприкосновения (касания) контакта
к.т
должна быть меньше температуры размягчения (табл. 2.3) и определяется из условия, что в большинстве случаев [4, 7]:
2
U
к
к.тк
ρ
где
– удельное электрическое сопротивление металла контакт-де-
тали при температуре
(10...15);
, Ом м .
к
т.кас к к.пл
8ρλ
,
Удельное электрическое сопротивление материала контакта при
температуре
к
1( ),
0 доп о.с
56
(2.20)
где
ρ – удельное электрическое сопротивление металла контакт-де-
0
тали при
ния,
талла контакт-детали,
в расчетах принимают
20 С
1/ С
;
доп
Температура
, Ом м ; α – температурный коэффициент сопротивле-
– наибольшая допустимая температура нагрева ме-
С
;
– температура окружающей среды,
о.с
20 С
о.с
точки касания контактов должна быть меньше
т.кас
.
температуры рекристаллизации (размягчения) металла (табл. 2.3).
В таком случае разность потенциалов между точкой
()а
к.эф
сопри-
косновения поверхностей контакт-деталей и поверхностью, удаленной
от точки соприкосновения, можно определить как
U
где
U – падение напряжения в переходном сопротивлении, В.
к
()
, (2.21)
к.тк
к
2
Подставляя (2.19) в (2.21), получаем
2
U
к
2
22
А
к.тк
,
следовательно, температуру точки касания (площадки фактического
контактирования) можно определить как
Превышение температуры
пературой
поверхности контакта, удаленной от точки соприкосно-
к
вения,
2
.
к.ткк
U
к.тк
точки касания контактов над тем-
к.т
2
U
к
4
А
57
2
к
(2.22)
4
2
.
Согласно закону Видемана – Франца
2
U
к
2.
4
к.т
Таким образом,
ккпер.к
Тогда получаем превышение температуры
тактов над температурой
поверхности контакта, удаленной от точки
.UIR
точки касания кон-
к.т
к
соприкосновения:
2
U
к
к.т
8
.
Анализ изменения температуры нагрева контактов позволяет установить необходимую силу нажатия, при которой температура наиболее
нагретой точки контакта не превысит допустимую величину как в нормальном режиме, так и при прохождении токов короткого замыкания.
Падение напряжения в переходном сопротивлении контактов можно
определить по формуле
I
к
UIR
кпер.к
а
.
к.эф
2
При остаточной деформации падение напряжения в переходном сопротивления определится как
I
ксм
U
к
2
F
к.пол
(2.23)
,
или
8U
кк.т
. (2.24)
Приравнивая правые части (2.23) и (2.24) и решая уравнение относительно силы нажатия, получаем
2
I
F
к
32
58
к.т
см
.
Эту формулу можно выразить и через
,U решая (2.24) относи-
к
тельно силы нажатия:
22
I
F
к
см
.
2
U
4
к
2.4. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Длительность короткого замыкания не превышает нескольких секунд, однако количество теплоты, которое выделяется в точке соприкосновения (в условном радиусе эффективной площадки контактирования), порождает температуру на эффективной площадке контактирования, которая может достигать или даже превышать температуру плавления металла контакт-деталей. Кроме того, в площадке контактирования
возникают электродинамические силы
сужения, которые стремятся отбросить одну контакт-деталь от другой, т. е. уменьшить контактное
нажатие. В зависимости от величины тока электродинамическая сила
сужения может быть больше или меньше контактного нажатия. Таким
образом, сильный нагрев условного радиуса эффективной площадки
контактирования и электродинамические силы сужения в этой площадке приводят к уменьшению
силы контактного давления и, следова-
тельно, к увеличению переходного сопротивления.
В результате повышения температуры в зоне контактирования до
температуры плавления металла контакт-деталей и последующего охлаждения зоны при уменьшении тока возможно сваривание контактов.
Для контактов каждого вида может быть допущена некоторая степень
сваривания, которая не приводит к существенному ухудшению работы
в процессе размыкания. Степень сваривания характеризуется силой
и механической работой, необходимой для отрыва одной контакт-детали от другой.
При определенном значении тока температура плавления металла
достигается не по всей эффективной площадке контактирования контакт-детали одновременно. Вначале температура плавления достигается
59
по краям этой площади, а с течением времени расплавленная зона распространяется к центру. Площадь расплавленной зоны и сила, необходимая для размыкания контакта после прекращения протекания тока,
зависят от металла контакт-деталей и пропорциональны как величине
тока, так и продолжительности протекания тока.
Ток, вызывающий такое расплавление зоны контактирования в за
-
мкнутом контакте, при котором сила, необходимая для разъединения
контакт-деталей, практически равна нулю, называется плавящим током.
Различают минимальный и начальный плавящий ток.
Минимальным плавящим током
I
называется такой ток, при
пл
длительном (установившемся) прохождении которого через контакт
происходит указанное выше оплавление эффективной площади контактирования контакт-детали.
Начальным плавящим током
I называется ток, при прохождении
пл
которого через контакт в течение определенного времени происходит
указанное выше частичное расплавление эффективной площадки контактирования. Этот ток тем меньше, чем больше его длительность протекания.
Разница между начальными значениями плавящего и сваривающего
тока при одной и той же длительности их протекания по контактам незначительная
и составляет 5…10 %.
Плавящий и сваривающий токи зависят не только от времени их
прохождения, металла контакт-деталей и контактного нажатия, но и от
расположения точки соприкосновения на рабочей поверхности контактдеталей. Если контакт-детали соприкасаются своими краями, то плавящий (сваривающий) ток будет меньше, чем при соприкосновении их
с центральной частью рабочей
поверхности.
При переменном токе условия сваривания контакт-деталей несколько отличаются от условий при постоянном токе. Начальный сваривающий переменный ток определяется его амплитудой. Причем если
амплитуда начального сваривающего тока не изменяется во времени, то
ориентировочно в течение десятой части полупериода вблизи амплитуды тока периферия зоны контактирования находится в
расплавленном
состоянии. На основании опытных данных установлено, что в пределах
0,02…0,08 с (промышленной частоты 50 Гц) начальный плавящий ток
изменяется незначительно. Однако при большей длительности тока
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]