2.1.2. Электрические контакты

Типы электрических контактов. Соединение двух (или более) то-коведущих элементов электрической цепи называют электрическим контактом. Для создания замкнутой электрической цепи обычно необходимо осуществить несколько контактов. Различают непо­движные и подвижные контакты. При наличии неподвижных кон­тактов токоведущие элементы электрической цепи в процессе ра­боты не перемещаются относительно друг друга, а плотно и надежно соединены между собой. В случае подвижных контактов элементы цепи в процессе работы соединяются между собой (замыкаются) и остаются плотно и надежно скрепленными либо разъединяются (размыкаются) с помощью электромеханического или механическо­го устройства (привода).

В качестве примера подвижного контакта на рис. 2.1 показано устройство рычажного контакта. Неподвижный элемент 1 и подвиж­ный элемент 2 соединяются под действием перемещения штока 3.

Другим примером подвижного контакта может служить шар­нирный контакт (рис. 2.2), где неподвижный элемент 1 и подвиж­ный элемент 2 соединяются между собой при воздействии внешней силы на рычаг 3. Подвижный элемент 2 поворачивается относи­тельно оси 4.

Разновидностью подвижных контактов являются скользящ роникаие контакты, у которых один элемент (обычно угольная щетка) пере­мещается (скользит) относительно других (например, медных пла­стин), как в щеточно-коллекторном устройстве электрических ма­шин постоянного тока.

К подвижным контактам относятся также магнитоуправляемые гер­метизированные контакты (герконы). Простейший геркон (рис. 2.3) представляет собой миниатюрную запаянную стеклянную колбу1, в которую впаяны две плоские контактные пружины 2 из магнито-мягкой стали.

Если геркон поместить в магнитное поле, созданное обмоткой 3 или постоянным магнитом, то пружины намагнитятся и притянут­ся друг к другу. Произойдет замыкание контактов и, следовательно, замыкание электрической цепи. После исчезновения магнитного поля контакты вновь разомкнутся за счет силы упругости пружин. Контактирующие поверхности пружин покрывают тонким слоем металла с очень малым удельным электрическим сопротивлением (серебро, золото, платина). Колбу геркона заполняют инертным га­зом или вакуумируют. Герконы позволяют производить коммутации в цепях при значениях тока 0,5-1 А. Малая масса элементов герко­на определяет высокое быстродействие этих контактов - время сра­батывания составляет 0,5-1,0 мс.

Важным свойством герконов является их высокая износоустой­чивость. Некоторые виды герконов позволяют производить до двух тысяч переключений в секунду и допускают сотни миллионов сраба­тываний.

Разновидностью герконов являются магнитоуправляемые герме­тические силовые контакты — герсиконы. Они позволяют произво­дить коммутации в цепях при значениях тока 60, 100, 180 А и напря­жения 220-440 В.

Электрическое сопротивление контактов. Важной характеристи­кой, определяющей работу контактов, является их электрическое сопротивление. Оно определяется в основном переходным сопро­тивлением, зависящим от площади контактирования. Для уменьше­ния переходного сопротивления стремятся увеличивать силу при­жатия контактов. Наличие тока в цепи контактов вызывает их на­грев, который пропорционален переходному сопротивлению. По мере нагревания контактов переходное сопротивление возрастает, что приводит к еще большему нагреву. Допустимые рабочие темпе­ратуры контактов лежат в пределах 100—120°С. Следовательно, по мере увеличения номинального тока коммутирующего аппарата пе­реходное сопротивление контактов должно быть уменьшено, т. е. необходимо повышать контактное нажатие. Кроме того, с ростом коммутируемого тока нужно увеличивать поверхность охлаждения, т. е. размеры контактирующих поверхностей.

Токоведущие элементы контактов изготовляют из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, серебро, металлокерамические композиции).

Электрическая дуга и искрение на контактах. Размыкание электри­ческой цепи при значительных токах и напряжениях, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. При расхождении контактов резко возрастает переход­ное сопротивление контакта и плотность тока в последней площад­ке контактирования. Контакты разогреваются до расплавления, и образуется контактный перешеек из расплавленного металла, ко­торый при дальнейшем расхождении контактов рвется, и происхо­дит испарение металла контактов. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится проводящим, в нем под дей­ствием высокого напряжения, возникающего вследствие законов коммутации, появляется электрическая дуга.

Электрическая дуга способствует разрушению контактов и сни­жает быстродействие коммутационного аппарата, так как ток в цепи спадает до нуля не мгновенно. Воспрепятствовать появлению дуги можно увеличением сопротивления цепи, в которой происходит размыкание контактов, увеличением расстояния между контактами либо применением специальных мер дугогашения.

Произведение предельных значений напряжения и тока в цепи, при которых электрическая дуга не возникает при минимальном расстоянии между контактами, называется разрывной или коммутируемой мощностью контактов. По мере повышения напря­жения в цепи предельный коммутируемый ток приходится ограни­чивать. Коммутируемая мощность зависит также от т = L/R посто­янной времени цепи: чем больше т, тем меньшую мощность могут коммутировать контакты. В цепях переменного тока электрическая дуга гаснет в момент, когда мгновенное значение тока равно нулю. Дуга может вновь появиться в следующий полупериод, если напря­жение на контактах возрастает быстрее, чем восстанавливается элек­трическая прочность промежутка между контактами. Однако во всех случаях дуга в цепи переменного тока менее устойчива, а разрыв­ная мощность контактов в несколько раз выше, чем в цепи постоянного тока. На контактах маломощных электрических аппаратов электрическая дуга появляется редко, но часто наблюдается искре­ние — пробой изоляционного промежутка, образованного при бы­стром размыкании контактов в слаботочных цепях. Это особенно опасно в чувствительных и быстродействующих аппаратах (реле), в которых расстояние между контактами очень мало. Искрение сокра­щает срок службы контактов, может привести к ложным срабаты­ваниям. Для уменьшения искрения на контактах применяют специ­альные устройства искрогашения.

Устройство дуго- и искрогашения. Наиболее эффективным спосо­бом гашения электрической дуги является ее охлаждение за счет перемещения в воздухе, соприкосновения с изоляционными стен­ками специальных камер, которые отбирают теплоту дуги.

В современных аппаратах широкое распространение получили дугогасительные камеры с узкой щелью и магнитным дутьем.

Дугу можно рассматривать как проводник с током; если его по­местить в магнитное поле, то возникнет сила, которая вызовет перемещение дуги. При своем движении дуга обдувается воздухом; попадая в узкую щель между двумя изоляционными пластинами, она деформируется и вследствие повышения давления в щели ка­меры гаснет (рис. 2.4).

Щелевая камера образована двумя стенками /, выполненными из изоляционного материала. Зазор между стенками очень мал. Катушка 4, включенная последовательно с главными контактами 3, возбуждает магнитный поток Ф, который направляется ферромаг­нитными наконечниками 2 в пространство между контактами. В результате взаимодействия дуги и магнитного поля появляется сила F, вытесняющая дугу к пластинам /.

Эта конструкция дугогасительной камеры применяется и на переменном токе, так как с изменением направления тока изменя­ется направление потока Ф, а направление силы остается неиз­менным.

Для уменьшения искрения на маломощных контактах постоян­ного тока применяют включение диода параллельно нагрузочному устройству (рис. 2.5). При этом цепь после коммутации (после от­ключения источника) замыкается через диод, таким образом умень­шается энергия искрообразовния.