Включение цепи. При включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы: 1) вибрация контактов; 2) эрозия на поверхности контактов в результате образования электрического разряда между ними.
Рассмотрим контактную систему контактора (рис. 2.7).
Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 и контактной пружиной 3. Неподвижный контакт 4 жестко закреплен на опоре. При включении контактора его электромагнит воздействует на рычаг 2, перемещение которого приводит к соприкосновению контактов 1 и 4. В момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта вправо. Между контактами образуется зазор, и под воздействием приложенного к ним напряжения загорается электрическая дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта.
В процессе включения по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между ними. При определенном расстоянии между контактами произойдет пробой междуконтактного зазора. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами (сотые доли миллиметра). Электрическая дуга при пробое не возникает, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом – анод, и его материал переходит на катод, откладываясь на нем в виде тонких игл. Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией. Эрозия при замыкании контактов невелика, но при малых нажатиях и малых междуконтактных зазорах она может привести к их привариванию.
Контакты во включенном состоянии. В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток к.з.
В табл. 2.1 приведены температуры и падения напряжения в контакте для двух характерных точек – точки размягчения материала, и точки плавления материала,. Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на переходном сопротивлении было меньше
. (2.4)
Для расчета контактов на малые токи используется формула (2.4). По заданному току и падению напряжения определяют переходное сопротивление для данного материала. После этого находится необходимое контактное нажатие с помощью формулы (2.3).
При КЗ через контакты проходят токи, в 10…20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки поднимается практически мгновенно и может достигнуть температуры плавления.
Следует отметить, что, с точки зрения нагрева, контакты являются наиболее нагруженным местом токоведущей цепи. При больших токах (2 кА и выше) идут по пути повышения температуры контактной точки до 200 °С (при серебряных контактах) и применения жидкостного охлаждения. В этом случае удается значительно облегчить контактную систему, уменьшить габаритные размеры аппарата и получить высокое быстродействие.
Аналитический расчет плавящего тока при КЗ затруднен, так как существующие формулы не учитывают размягчения материала при высокой температуре. Поэтому при расчетах целесообразно пользоваться опытными данными, непосредственно связывающими ток сваривания и контактное нажатие. При расчетах электродинамической стойкости контактов достаточно точна экспериментальная формула (2.1)
,
где – ток электродинамической стойкости (амплитуда ударного тока), А; — контактное нажатие, Н.
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 (табл. 2.2) либо тлеющий разряд.
Таблица 2.2
Минимальные значения напряжения и тока, необходимые для поддержания дугового разряда
Материал контактов |
|
|
Материал контактов |
|
|
Платина
Золото Серебро |
17 15 12 |
0,90 0,38 0,40 |
Вольфрам Медь
Уголь |
17,0 12,3 18…22 |
0,90 0,43 0,03 |
Высокая температура приводит к интенсивному окислению и распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов. Износ, связанный с окислением и образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом или коррозией.
Для существования дугового разряда необходимо, чтобы значения напряжения и тока превышали минимальные значения и , приведенные в табл. 2.2.