Герметичные контакты.

Контакты обычных реле работают в среде атмосферного воздуха, они загрязняются пылью парами металлов, покрываются окислами подвергаются влиянию различных атмосферных агрессивных газов, водяных паров. Все эти факторы понижают надежность их работы и износостойкость. Указанные явления можно ослабить или практически исключить, если поместить контакты в инертный газ или вакуум.

Одним из наиболее перспективных направлений усовершенствования контактных устройств особенно на малые токи и напряжения является разработка герметичных магнитоуправляемых контактов ГЕРКОНов

1-стеклянный баллон, заполнен инертным газом(азот аргон водород)

2,3- электроды , выполнены из магнитного материала, являются одновременно и магнитопроводом.

F- концы электродов в месте контактирования покрываются слоем благородного металла либо сплавом.

4- постоянный магнит, либо катушка.

δ-воздушный зазор.

Управление м.к. осуществляется магнитным полем, которое может создаваться либо катушкой либо постоянным магнитом, магнитный поток замыкается через электроды и воздушный зазор, замыкая контакты.

Размыкание контактов осуществляется за счет упругих свойств электродов. Таким образом, электроды выполняют функции контакта, магнитопровода и пружины.

Преимущества герконов

1). возможность работы в ус­ловия к повышенной влажности, запыленности и т. п.

2) простота конструкции, малые масса и габариты,

3) высокое быстродействие

4) отсутствие трущихся деталей и сложных кинематиче­ских пар обеспечивает надежную работу герконов в тече­ние 10⁶—10⁸ циклов;

5) высокая электрическая прочность междуконтактного промежутка;

7) возможность управления как электромагнитным полем, так и полем постоянного магнита, что расширяет функ­циональные области применения герконов;

8) надежность работы в широком диапазоне температур(от -60 до +120 °С);

Недостатки:

1)хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и вибрации, что требует спец мер по амортизации места установки герконов;

2)значительное время вибрации контактов, которое может составлять до половины времени срабатывания;

Параметры контактных конструкций

Зазор- кратчайшее расстояние между разомкнутыми контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов.

Провал- расстояние, на которое сместится подвижный контакт , если при замкнутом положении подвижной системы убрать неподвижно закреплённый контакт. Этот провал даёт возможность создать дополнительное сжимающее усилие, т к контакты соприкасаются раньше, чем система перемещения контактов доходит до упора. Провал определяет запас на износ контактов при заданном числе срабатываний. По мере износа контактов уменьшается провал и дополнительное сжатие пружины.

Контактное нажатие- сила, сжимающая контакты в месте соприкосновения

Износ контактов:

Под износом контактов понимают разрушение рабочей поверхности коммутирующих контактов, приводящие к изменению их формы размера массы и к увеличению провала.

Износ под действием электрических факторов будем называть электрическим износом - эл. эрозией . Износ под действием мех. факторов рассматривать не будем он меньше электрического.

При размыкании сила сжимающая контакты снижается до 0, резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда: при токе и напряжении больше минимально необходимых значений (для меди 0.5А и 15В) возникает дуговой разряд.

Учитывая что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа различают эрозию - износ контактов при малых токах, когда дуга отсутствует, и износ при больших токах при наличии дуги.

Износ контактов при малых токах

на расходящихся контактах между контактами возникает перешеек из расплавленного металла. Износ происходит вследствие распыления и разрыва контактов

Износ контактов при больших токах:

Износ происходит как при размыкании так и при замыкании и зависит от многих переменных факторов. Износ контактов зависит:

1. от числа размыканий прямо пропорционален числу размыканий

2. от напряженности магн. поля (при малых напряжённостях дуга находится в одних и тех же опорных точках, что приводит к увеличению износа. С ростом Н растёт скорость движения опорных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается. Но при некоторой Н износ возрастает ( на расходящихся контактах между контактами возникает перешеек из расплавленного металла) : возрастают электродинамические силы так, что выбрасывается весь расплавленный металл из промежутка между контактами

3. от напряжений практически не зависит

4. от тока: износ растет с увеличением тока. При неизменных условиях зависимость близка к линейной.

5. от ширины контакта. При каждом отключении расплавляется, испаряется выгорает опред. кол-во металла. Это металл их площадок контактирования. Изменение кол-ва металла влияющего на износ в области касания может быть достигнуто за счет изменения ширины контактов

6. от скорости расхождения- практически не влияет. Только при малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается.

7. при замыкании: имеет место эл. износ, который в ряде случаев превосходит износ при размыкании, он вызван дребезгом контактов возникающих при замыкании.

Дребезг возникает при соударении контактов происходит упругая деформация обоих контактов, приводящая к отбросу подвижного контакта – он отскакивает от неподвижного (как мячик). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс повторяется несколько раз. При каждом отбросе между контактами возникает эл дуга, вызывающая износ контактов.

7. о т соотношения мех. и тяговой характеристик аппарата:

скорость движения контактов определяется соотношением между механической и тяговой характеристиками. Чем больше запас тягового усилия 4 тем больше будет скорость, а следовательно будут большими удар и дребезг контактов.

При недостаточном тяговом усилии (2)происходит остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов, что так же приведет к повышению износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов(3)

8.от начального нажатия: начальное нажатие на контакты в момент соприкосновения- эта сила которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг, а значит и износ

9.От жёсткости контактной пружины. Повышение начального нажатия ограниченно тяговой характеристикой. Если начальное нажатие превосходит МДС втягивающей катушки и имеет место отброс всей подвижной системы, износ начинает возрастать (штриховая часть). При большой жесткости отброс контактов будет несколько меньшим, износ снизится.

При включении эл аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы:

1. вибрация контактов (дребезг)

2. эрозия на поверхности контактов в результате образования эл разряда между ними

Дребезг контактов.

Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следующим образом. В момент t = 0 произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвижный контакт остановился. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижного контакта.

Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижный контакт по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт отходит на расстояние x и под действием контактной пружины снова замыкается (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так - несколько раз с затухающей амплитудой.

На рис.2 обозначено: хк -- амплитуда колебаний контакта; хД -- величина упругой деформации; х0 -- остаточная деформация.

Рис.2. Дребезг контактов при замыкании

Если хк > хД, то произойдет разрыв цепи со всеми вытекающими последствиями. Такой дребезг является опасным.

Если же xк < хд, то, несмотря на наличие дребезга контактов, разрыва цепи не произойдет, износа контактов не будет. Такой дребезг является неопасным.

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к их сильному износу из-за оп­лавления и распыления материала контактов. В связи с износом контактов уменьшается усилие их нажатия во включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включении и отключений возможен быстрый выход контактов из строя.

Применяемые контактные материалы обладают достаточной упругостью, поэтому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невозможно. В таком случае необходимо конструировать аппараты и их коммутирующие контакты так, чтобы дребезг контактов был неопасным.

Коэффициент восстановления для некоторых материалов

Медь ……………..0,95

Латунь …………………………………0,87

Железо …………..…0,75

Поделочная сталь …………………....0,5

Увеличение начального сжатия пружины или увеличение жесткости с контактной пружины ведут к снижению амплитуды дребезга. Увеличение тягового момента М, так же как и увеличение угловой скорости, ведут к повышению амплитуды дребезга.

Для снижения дребезга при замыкании применяют также искусственные меры, основанные главным образом на компенсации отбрасывающих усилий, возникающих при соударении контактов.

- При соответствующем подборе параметров системы (масса, жесткость пружин, скорость) можно достигнуть существенного снижения времени дребезга контактов и замыкания без дребезга.

1. за счет увеличения начального нажатия и

2. увеличения жесткости пружины,

3. уменьшения массы подвижных контактов и скорости их замыкания.

4. амортизация магнитной системы- между мостиковым контактом и ведущей траверсой помещается вкладыш из специального пористого материала (вроде пористой или губчатой резины). При ударном сжатии в момент касания контактов противодействующие усилия вкладыша весьма велики. Они препятствуют отбросу контактов. Дребезг снижается.

5. Снижение износа при замыкании может быть достигнуто за счет применения параллельных контактов (многоступенчатая контактная система) . Здесь каждым из контактов включается часть тока. Вследствие разновременного размыкания контактов при их дребезге, на размыкающемся контакте не возникает дуги, что приводит к снижению износа.

6. одновременность касания обоих контактов мостика. Достигнуть этого можно при самоустанавливающемся мостиковом контакте. Будучи зажат между двумя сферическими поверхностями, мостиковый контакт после некоторого числа включений принимает положение, при котором достигается одновременное касание контактов

Способы компенсации электродинамических сил в контактах

При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного нажатия, вызываемого электродинамическими силами- электродинамического отброса. Возникающая при отбросе контактов дуга вызывает большое оплавление рабочих поверхностей и их сваривание при замыкании. В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях, стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или ослабить действие электродинамических сил за счёт рычажных контактов, пружин, компенсаторов, удерживающих контакты за счёт усилий.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока вольт-амперная характеристика дуги должна на всем своем протяжении лежать вьше характеристики U - iR (как это показано на рис. ) и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения. Следует иметь в виду, что под вольт-амперными характеристиками дуги здесь надо понимать динамические характеристики.

ВОЛ.б) Контакты во включенном состоянии.

Для каждого материала существуют определённые, характерные для него падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, определяющих фазовое состояние материала. Так как температуре рекристаллизации соответствует напряжение размягчения материала U _{р ,} а температуре плавления.-U _пл

Для надёжной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на переходном сопротивлении R конт. было меньше U _р:: для расчета контактов на малые токи используется фор­мула :

I _ном R _конт ≤ (0,5…0,8) U _р

	t0	U р (В)
серебро	150	0,09
медь	190	0,12
вольфрам	1000	0,4

Использование контактов при условии U _к <U _р, что напряжение на них не превзойдёт напряжения размягчения, возможно лишь в маломощных аппаратах.

Поэтому в аппаратах, работающих на больших номинальных токах и в режиме КЗ, не исключено расплавление контактного пятна в замкнутом состоянии, что может привести к свариванию контактов.

ВОЛв) Отключение цепи.

В процессе размыкания контактов контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и за счет этого растет температура точек касания. В момент разъединения контакты нагреваются до температуры плавления и между ними возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает дуговой либо тлеющий разряд.

Высокая температура приводит к интенсивному окисле­нию и распылению материала контактов, переносу материала с одного электрода на другой

и образованию пленок. Износ, связанный с окислением и образо­ванном па электродах пленок химических соединений мате­риала контактов со средой, называется химическим изно­сом или коррозией.

Перенос материала с одного электрода на другой наи­более вреден при постоянном токе. Направление переноса в этом случае постоянно, что ведет к быстрому выходу из строя контактов. Перенос материала с анода на катод на­зывается положительной эрозией, перенос в обратную сто­рону— отрицательной. Мерой эрозии является потеря мас­сы или объема контакта.

Мера износа контактов характеризуется уменьшением провала контактов. Под провалом понимается путь, пройденный точкой соприкосновения контактов, если во включённом положении убран другой контакт.

Для борьбы с эрозией контактов

- На малые токи от 1 до 600 А:

а) сокращают длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

б) устраняют вибрацию контактов при включении;

в) применяют дугостойкие материалы контактов.

Для контактов на токи от долей до нескольких ампер применяются схемные методы уменьшения эрозии.

Вся эл. магнитная энергия, накопленная в цепи, при отключении контактов выделяется в дуге. Чем меньше эта энергия, тем меньше эрозия контактов. Для этой цели применяют резисторы, диоды, конденсаторы( недостатком резистора является увеличение нагрузки, а конденсатора – дополнительная энергия за счёт разряда конденсатора, поэтому его применяют вместе с резистором).