Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрические контакты коммутационных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
в пределах 0,1…0,5 с в случае, когда амплитуда тока уменьшается с те-
чением времени, определяющее влияние на сваривание контактов оказывает ее наибольшее значение.
На практике при расчете начальных значений плавящих и сварива-
ющих токов применяют следующие три методики.
Первая методика расчета. Минимальный плавящий ток, который
за время прохождения расплавляет всю зону контактирования контактдетали.
1. Для упругих деформаций:
а) при контактировании двух сферических поверхностей контакт-де-
талей радиусами
r и 2r
1
Fr
к.пол ср
m – коэффициент, учитывающий увеличение зоны контакти-
где 1, 5
Im
пл
3
Е
32
пл пл
пл
, (2.25)
рования контакт-деталей вследствие размягчения материала в точках
соприкосновения;
0,5rrr – средний радиус сферических по-
ср 12
верхностей, м;
б) при контактировании плоской поверхности и сферической по-
r
верхности радиусом
контакт-деталей
Fr
к.пол пл пл
Im
1, 11
пл
3
Е
32
. (2.26)
пл
2. Для пластических деформаций в точечных контактах
32
Im
пл
F
пл пл к.пол
Н
В
пл
. (2.27)
Минимальный плавящий ток в линейных и поверхностных контактах при условии, что поверхности соприкосновения одинаковы и достаточно удалены друг от друга, может быть определен:
а) при упругой деформации
2
Frп
к.пол к пл пл
Im
пл
3
0,9 ;
Е
32
(2.28)
пл
61
б) при пластической деформации
Е
32
где
п – число площадок касания.
к
Im
пл
В формулах (2.25)–(2.29) значения теплопроводности металла
удельного электрического сопротивления
F п
пл пл к.пол к
Н
В
пл
и температуры пл сле-
пл
,
(2.29)
,
пл
дует принимать при температуре плавления металла контакт-деталей,
а модуль упругости металла
пературе
(0...100) С .
и твердость по Бринеллю
Н – при тем-
В
Формулы (2.25)–(2.29) получены в предположении, что при температуре плавления эффективная площадь контактирования контакт-деталей равна фактической площади. Увеличение эффективной площади
контактирования вследствие размягчения металла контакт-деталей учитывается коэффициентом
.
m
Формулы (2.25)–(2.29) позволяют получать значения минимально
плавящего тока, хорошо совпадающие с опытными данными, и могут
быть использованы как при постоянном токе, так и при переменном
токе. При переменном токе формулы (2.25)–(2.29) позволяют получать
амплитудные значения минимально плавящего тока.
При уменьшении длительности тока в контактах начальный плавящий ток, который соответствует и току
сваривания при
быть увеличен по сравнения с минимальным плавящим током
Связь между длительно протекающим плавящим током
нимальным плавящим током
I
следующая:
пл
раз
0F
, может
I
пл
I
и ми-
плt
.
– продолжительность тока, с;
где
t
2
м/с ;
– теплопроводность металла, Вт/мград.;
пл
I
пл
t
F
I
пл
к.пол
а
к.эф
2
св
62
, (2.30)
t
св
пл
с
– коэффициент связи,
пл пл
с – удельная
пл
3
теплоемкость металла, Дж/кг град.;
а
– радиус эффективной площадки контактирования, м.
к.эф
Теоретическая зависимость
[10] для продолжительности тока более 0,1 с представлена
св
– плотность материала,
пл
/
II
пл пл
t
от параметра
к.эф св
кг/м
/2а t
в табл. 2.4.
Таблица 2.4
;
св
F
к.пол
Зависимость
0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40
1,0 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,40
()F
к.пол св
F
к.пол
0,50 0,6 0,7 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20
св
1,52 1,64 1,76 1,89 2,08 2,27 2,46 2,65
F
к.пол
1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00
св
2,86 3,06 3,27 3,48 3,70 3,93 4,16 4,38
F
к.пол
2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80
св
4,65 4,91 5,18 5,44 5,73 6,02 6,32 6,61
F
к.пол
2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60
св
6,93 7,25 7,57 7,89 8,22 8,55 8,89 9,20
Формула (2.30) дает достаточно хорошее совпадение с опытными
данными.
При использовании зависимости, приведенной в табл. 2.4, для точечного контакта на переменном токе длительность начального плавящего
тока должна быть уменьшена в 16 раз, так как мгновенные значения синусоидального тока остаются практически постоянными приблизительно в течение 1/16 полупериода.
63
Для линейного и поверхностного контакта при переменном токе
F
можно также использовать данные табл. 2.4, но вместо параметра
2а t следует вычислять значение
к.эф св
0,002 t
.
св
Надо заметить, что при выводе приведенных выше формул не учитывались пленки в зоне контактирования, фактическая многоточечность контакта и электрические силы.
Вторая методика расчета. Амплитуда начального сваривающего
тока (сила отрыва приваривающихся контактов не более 5…10 Н) может
быть определена по эмпирической формуле
п
3
Im F
пл св к.пол
(0,102 ) 10
св
. (2.31)
Значения коэффициентов
m и свп , входящие в формулу (2.31),
св
приведены в табл. П5.
В контакте иногда допустимо некоторое сваривание, но при условии, что отрыв контакт-деталей друг от друга после сваривания не приведет к недопустимому снижению скорости отключения выключателя
или к существенному повышению момента на рукоятке привода разъединителя при его отключении. Ориентировочные значения
рыва
, необходимой для отрыва контакт-деталей медь – медь и ла-
отр
силы от-
тунь – латунь после их сваривания в стыковом контакте, приведены
в табл. 2.5 в зависимости от контактного нажатия, амплитуды тока и его
длительности
.
t
Третья методика расчета. При практических расчетах можно поль-
зоваться формулой Ю.В. Буткевича, основанной на экспериментальных
данных. Эта формула непосредственно связывает амплитуду минимального сваривающего тока
k – опытный коэффициент (табл. 2.5).
где
св
I и контактное нажатие
св
св св к.пол
0,102 ,Ik F
(2.32)
к.пол
:F
Значения сваривающего тока, определенного по формуле (2.32), соответствуют свариванию контакт-деталей, при котором для их разъединения необходимо приложить силу в сотни и тысячи ньютонов. В действительности сваривание наступает при меньших токах, так как появляются микроплощадки сваривания, создающие такое прихватывание
64
контакт-деталей, при котором для их разведения необходимо прило-
р
жить некоторую силу. Особенно заметно такое прихватывание у скользящих, клиновых и врубных контактов.
Таблица 2.5
Сила отрыва контакт-деталей
после их сваривания
Материал
контакт-детали
к.пол
, НF
в стыковом контакте
F
от
,сt
к
, АI
отр
, НF
1000 5 12500 200
5000 5 8600 50
500 5 10000 70
500 5 12000 120
Медь – медь
500 1 8700 50
400 5 6800 50
200 5 8000 200
200 5 8000 150
50 5 6100 50
50 1 4880 10
500 5 6500 170
Латунь – латунь
500 5 6000 100
50 10 2600 50
50 5 2420 10
В некоторых случаях сваривание контакт-деталей может иметь место даже и без оплавления точек контактирования. При заметном размягчении металла и достаточно больших контактных нажатиях возможно сцепление, обусловленное взаимным проникновением поверхностных слоев друг в друга, подобно тому, как это наблюдается при холодной сварке металлов.
Следует заметить, что свариванию электрических контактов коммутационных аппаратов могут способствовать электродинамические усилия, возникающие в самом контакте. Так, в месте стягивания тока к площадкам контактирования возникают силы отталкивания между контактами.
65
Приваривание контакт-деталей может происходить как при их замкнутом состоянии, так и в процессе размыкания и замыкания.
В процессе размыкания контакта происходит скольжение одной поверхности по другой (в пальцевом и скользящем контакте). При скольжении одной поверхности по другой даже при некоторой степени их
оплавления приваривание все же может
не произойти. После размыкания контакта оплавленные площадки контакт-деталей вновь затвердевают. Таким образом, те токи, которые при замкнутом состоянии контакта вызывали бы сваривание контакт-деталей, при размыкании контакта могут привести лишь к некоторому повреждению рабочей поверхности, не сопровождающемуся свариванием.
При замыкании контакта происходит механический удар
одной контакт-детали о другую, вследствие чего может произойти дребезг контакта, возникновение электрической дуги, оплавление рабочих поверхностей и сваривание контакт-деталей после их замыкания. Анализируя
процесс смыкания (замыкания) контакта, можно сделать следующие выводы.
1. При смыкании контакт-деталей ток сваривания тем меньше, чем
меньше контактное нажатие и
чем медленнее оно нарастает после их
соприкосновения. Поэтому преимущество имеют контакты с предварительным сжатием пружин.
2. Уменьшение скорости движения контакт-деталей перед их замыканием повышает ток сваривания, если при этом уменьшается дребезг
контакта.
3. Увеличение скорости движения контакт-деталей перед их замыканием может повысить ток сваривания вследствие уменьшения дли
тельности горения электрической дуги, возникающей перед соприкосновением (если контакт замыкает электрическую цепь, находящуюся
под напряжением), или уменьшить ток сваривания из-за усиления дребезга контакта.
Следует заметить, что свариванию контактов способствуют также
силы давления паров, образующихся при плавлении и испарении металла в площадках соприкосновения при больших токах коммутации.
Это давление паров приводит к отбросу контактов, образованию электрической дуги, что обусловливает увеличение количества расплавленного металла, и, как следствие, вероятность их сваривания.
-
66
2.5. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ПРИ РАЗМЫКАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА
В замкнутом положении контакты электрической цепи находятся
под некоторым давлением, поэтому при размыкании сила, сжимающая
контакт-детали, сначала уменьшается до нуля, после чего перемещается
подвижная контакт-деталь вплоть до разомкнутого состояния.
При снижении силы сжатия площадка касания контакт-детали
уменьшается, сопротивление растет, увеличивается падение напряжения на контакте, и температура площадки касания повышается в результате увеличения мощности джоулевых потерь, так как плотность тока
в точке соприкосновения возрастает. Практически температура всегда
достигает точки плавления, и некоторые участки контактных поверхностей расплавляются.
Перемещение подвижной контакт-детали приводит к появлению
между ней и неподвижной контакт-деталью мостика из расплавленного
металла, длина которого может
достигать 2 мм. При длительном движении подвижной контакт-детали под действием механических усилий
растягивания и под действием процессов взрывного характера, обусловленных чрезвычайным интенсивным разогревом металла до температуры кипения, мостик разрывается.
Устойчивость мостика зависит от величины поверхностного натяжения, вязкости, теплопроводности и электропроводности материала контакт-деталей, а также от наличия оксидных пленок на поверхности контактов.
После разрыва мостика в зависимости от параметров отключаемой
цепи в промежутке между контактами возникает либо дуговой, либо
тлеющий разряд [3, 6, 7].
Если и ток, и напряжение превышают минимально необходимые
значения
I и 0U (см. таблицу раздела 1), то между контактами зажи-
0
гается дуговой разряд. Минимальные значения тока и напряжения дугообразования зависят от свойств материала контактов.
Если ток в цепи меньше
гания
U , то электрический разряд имеет вид искры. Напряжение зажи-
з
гания является функцией произведения расстояния
дами и давления
:
р
I , а напряжение больше напряжения зажи-
0
l между электро-
, ВUlр .
з
67
Перенос материала в расплавленном мостике (мостиковый перенос)
является следствием смещения наиболее нагретой точки в направлении
анода. Направление переноса идет в сторону того электрода, который
расположен дальше от нагретой точки, обычно в сторону катода. Опасность мостикового переноса заключается в том, что перенесенный металл затвердевает на катоде в виде острых выступов
(игл), ухудшающих
условия замыкания контактов и уменьшающих зазор между ними в отключенном положении.
Разрыв жидкометаллических мостиков, проскакивание искры и горение дуги служат причинами износа контактов, их электрической эрозии, при которой наблюдается перенос металла с одного электрода на
другой и распыление металла в окружающее пространство.
Для ряда конструкций
контактных систем коммутационных аппаратов износ наиболее показательно характеризуется уменьшением провала контактов. С уменьшением провала снижается сила контактного
нажатия в замкнутом состоянии, увеличивается падение напряжения на
контактах, возрастает температура пятна касания, вследствие чего коммутирующие контакты могут выйти из строя.
Износ коммутирующих контактов зависит от рода и величины тока,
длительности
горения дуги и материала контактов.
При постоянном токе перенос материала с одного контакта на другой приводит к более значительным повреждениям контактных поверхностей, чем при переменном токе (так как в первом случае направление
переноса не меняется).
Опытным путем установлено, что по величине износа металлы располагаются в следующем порядке:
W, Mo, Ni, Fe, Ti, Cu, Ag, Zn, Al, Sn.
Величина тока, являющегося границей мостиковой эрозии контактов для того или иного металла, зависит от многих факторов: чистоты
металла контактов, степени окисления, окружающей среды и формы
контактной поверхности.
Длительность горения дуги. В зависимости от длины дуги в сред-
ненагруженных контактах будет в большей степени изнашиваться либо
катод, либо анод.
68
54
Длинная дуга: если зазор между контактами превышает
10 ...10 см
то электрическая дуга имеет большое катодное падение напряжения и
положительные ионы, ускоренные прикатодным падением напряжения,
производят бомбардировку катода. При этом часть металла катода переносится на анод [3, 7].
Короткая дуга: если же расстояние между электродами контакта
меньше пути свободного пробега электронов, необходимого для ионизации межэлектродного пространства, то электроны, испускаемые катодом, проходят непосредственно в анод, вызывая его разрушение.
Износ катода при длинной дуге и анода при короткой дуге пропорционален количеству электричества, проходящего за время горения соответственно длинной и короткой дуги. Потерю материала, например
катода, можно выразить следующим образом:
,GQQ
катод дл дл кор кор
,
где
ских дугах,
,
дл кор
– коэффициент износа при длинной и короткой электриче-
3
мм /кулон;
дл кор
,QQ
– количество электричества в куло-
нах, протекающего за время горения длинной и короткой дуги.
Количество электричества, протекающего за время горения длинной
дуги при отключении активной нагрузки:
II
Qt
,II – токи в моменты образования дуги и появления условий для
где
12
12
дл дл
2
,
ее погасания (определяются из ВАХ дуги в начале и в конце ее горения), А;
t
– время горения дуги, с.
дл
Индуктивность отключаемой цепи приводит к возрастанию количества электричества, проходящего за время горения длинной дуги, вследствие чего износ катода увеличивается.
Количество электричества за время горения короткой дуги можно
приближенно определить по формуле
UU
Qt
,
кор кор
мин
R
69
где
R
U – минимальное напряжение дугообразования, В;
мин
горения дуги, с;
– сопротивление отключаемой цепи, Ом.
t
гор
Время горения короткой дуги определяют по эмпирической формуле
– время
Re
мин
4
RC
2
,
к
()
UU
tt
кор кор
3
310
– постоянная материала, зависящая от давления в контактах
где
и скорости их сближения;
С – емкость между контактами.
к
Кроме абсолютных оценок износа в цепях постоянного тока важной
характеристикой является знак износа или знак переноса. Если больше
изнашивается положительный электрод (анод), то переносу (износу)
приписывается знак плюс, и наоборот.
Для снижения степени износа средненагруженных контактов в цепях с большой индуктивностью применяют различные способы, уменьшающие
искрообразование между размыкающими контактами:
1) включение линейного сопротивления параллельно индуктивной
нагрузке (рис. 2.4, а); этот способ приводит к дополнительным потерям
электроэнергии;
2) включение выпрямителя с активным сопротивлением параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2.4, б);
3) применение на отключаемом аппарате короткозамкнутой обмотки
или массивной втулки, посаженной на магнитопровод (рис. 2.4, в);
4) включение активного сопротивления параллельно контактам
(рис. 2.4, г); при этом полного отключения нагрузки не происходит;
5) включение нелинейных сопротивлений (варисторов) параллельно
индуктивной нагрузке или контактам (рис. 2.4, д);
6) включение емкости параллельно контактам активного сопротив-
ления и емкости (рис. 2.4, е); наиболее эффективный способ основан на
принципе энергетического обмена между емкостью и индуктивностью;
в начале размыкания цепи энергия магнитного
поля идет на зарядку ем-
кости, и напряжение на контактах будет небольшим.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]