3.3. Замкнутое состояние контактов

Переходное сопротивление контактов

R₀=R_с+R_пл

где R_с - сопротивление стягивания; R_пл - сопротивление пленки.

Даже хорошо отполированные контактные поверхности сопри­касаются в одной или нескольких выступающих контактных точках (площадках). Их диаметр измеряется микронами и в тысячи раз меньше общей площади соприкосновения контактов. Линии тока, проходящего через контакт, искривляются и стягиваются к этим площадкам, сопротивление которых называют сопротивлением стя­гивания:

R_с = σ/(2ан),

где σ - удельное сопротивление материала контактов; а, н - соответственно радиус и число контактных площадок.

По формуле Герца для контакта сфера — плоскость (см. рис. 3.4, б) радиус контактной площадки из серебра

,

где Р_к - контактное нажатие; r - радиус сферы контакта; Е - модуль упругости материала.

Таким образом, сопротивление стягивания зависит от материа­ла и формы контактов, а также от силы их сжатия. С увеличением контактного нажатия возрастают число и площадь контактных пло­щадок и уменьшается сопротивление R₀.

Сопротивление R₀ зависит и от сопротивления тонких поверхно­стных пленок R_пл, которые образуются на контактах. Например, на поверхности серебра в атмосфере могут образоваться окись серебра Ag₂O, азотнокислое серебро AgN₃ и сульфидная пленка Ag₂S. Тол­щина пленок мала и измеряется в ангстремах (10^-8 см), а сопротив­ление примерно 0,5—1,5 Ом. При замыкании контакта пленки на контактных площадках часто разрушаются, а их сопротивление уменьшается под действием протекающего тока и нагревания.

Если через контакт длительное время протекает большой ток (например, ток короткого замыкания), то температура контактных площадок, плотность тока на которых достигает значений 10⁷ А/см², может превысить температуру плавления материала. Это приводит к свариванию контактов. Поэтому для данного типа контактов тех­нические требования устанавливают максимальный ток, при кото­ром этого не происходит. Для контакта графит - серебро у реле I класса надежности такой ток 6 А (см. п. 3.1).

В момент замыкания контактов при малых расстояниях (при­мерно 10^-5 см) из-за большого градиента напряжения возникает эмиссия электронов, и между контактами загорается дуга замыка­ния. Это разрушает контакты. Однако в следующий момент дуга гаснет, так как контактные поверхности соприкасаются. После пер­вого соприкосновения (удара) контакты могут разойтись и дуга или искра возникает снова, что вызывает дребезг, который ведет к изно­су контактов.

3.4. Размыкание контактов

При размыкании контакта уменьшается площадь соприкоснове­ния от S₀ до нуля и увеличивается переходное сопротивление от R₀ до ∞. Пусть контакт коммутирует индуктивную нагрузку (реле) (рис. 3.5, а), где L, R - индуктивное и активное сопротивления обмотки реле.

Для момента размыкания цепи уравнение баланса напряжений:

(3.1)

или

, (3.2)

где u_к - напряжение на контакте.

При t = 0 (процесс размыкания еще не начался) i(t) =I₀ = E/R + R₀ и u_к(t) = Е - I₀^.R = I₀^. R₀ (рис. 3.5, б). При этом , так как i = I₀ = const. С началом размыкания (t>0) маг­нитная энергия, накопленная в индуктивности, поддерживает убы­вающий ток в цепи: , . В момент полного размыка­ния контакта t = Т скорость убывания тока до нуля максимальна. Поэтому , и_к = max [выражение (3.2)], и на контакте воз­никает перенапряжение. Например, при размыкании цепи реле НМШ с напряжением питания Е = 24 В на контакте возникает "скачок" напряжения с амплитудой 300 В и выше. Под действием перенапряжения на контакте может возникнуть дуга, которая при­водит к интенсивному разрушению контактных поверхностей.

Условия устойчивого наличия дуги задаются вольт-амперной характеристикой и_д(і_д) (рис. 3.6), которую для данного контакта строят экспериментально или рассчитывают. Например, точка А соответствует ситуации, когда для горения дуги необходимы напря­жение на контактах и ток дуги не меньше и_д1 и і _д1, задаваемых координатами точки А. Кривая и_д(і_д) асимптотически приближает­ся к некоторым значениям U_min и І_min, необходимым для поддержа­ния стационарного дугового процесса. Эти значения зависят от ма­териала контактов и среды. Например, для серебряных контактов в воздухе U_min = 12 В, І_min = 0,3 0,4 А, а для контактов из вольф­рама в воздухе U_min = 15 7,5 В, І_min = 1,0 1,4 А.

Предположим, что имеется дуга. Тогда уравнение (3.1) имеет вид:

. (3.3)

Прямая линия (см. рис. 3.6) соответствует функции Е — i_д^.R (tg a = R). Разность ординат прямой и кривой и_д определяет напряжение , знак которого указан на рис. 3.6. Пусть в данный момент времени ток дуги равен і_д1. Тогда ЭДС источника Е расхо­дуется на падение напряжения на резисторе і_д1^.R и напряжение дуги и_д1, но остается еще избыток напряжения > 0, поддерживающий горение дуги. Поскольку > 0, ток дуги возрастает (дуга "разгорается") и достигает значения і_д2. При этом Е = і_д2^.R + и_д2, и i_д = const. Точка 2 соответствует режиму устойчивого горения дуги, когда значение тока колеблется около значения i_д2. Пусть ток возрос до значения i_дз. Тогда Е < i_дз^.R + u_дз, <0, и для горения дуги напряжение на контактах (отрезок ВС) недоста­точно. Ток дуги опять уменьшается до значения i_д2.

Рис.3.6. Схема самопогасания дуги

Таким образом, условие гашения дуги состоит в том, чтобы вольт-амперная характеристика дуги и нагрузочная прямая не пе­ресекались, или в том, чтобы для всех значений тока выполнялось неравенство:

<0. (3.4)

Условие (3.4) можно выполнить перемещением кривой и_д(і_д) вверх, для чего следует увеличить межконтактный промежуток, или перемещением прямой Е - i_д^.R вниз. Для этого следует уменьшить напряжение Е, и прямая переместится вниз параллельно первона­чальному положению, или увеличить сопротивление R и, следова­тельно, увеличить угол α.

По условию (3.4) выбирают режим работы контакта. Для этого строят предельную вольт-амперную характеристику контакта (рис.3.7). К кривой и_д(і_д) проводят касательные в нескольких точках. Каж­дая касательная определяет предельный случай, когда дуга еще не загорается (прямая и кривая не пересекаются). Пересечение касательной с осями задают координаты точки на предельной вольт-ам­перной характеристике 1, т. е. задают напряжение и ток в цепи, размыкаемой контактом, при которых еще происходит самопогаса­ние дуги. Рабочую характеристику 2 выбирают с уменьшением этих предельных значений.