Электрические аппараты

В областях стягивания поперечное сечение проводника используется не полностью для протекания электрического тока, что и приводит к появлению дополнительного сопротивления. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания.

Переходное сопротивление контакта зависит от обработки поверхности. Шлифовка ведёт к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов затруднено, поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Наличие окисных плёнок приводит к  тому, что при небольшом  напряжении замыкаемой цепи или недостаточной силе нажатия на контакты протекание электрического тока становится невозможным. В связи с этим контакты на малые токи или на малые усилия нажатия изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).

В сильноточных (сильнотоковых) контактах  окисная плёнка разрушается либо благодаря большим усилиям нажатия, либо путём самозачистки при включении за счёт проскальзывания одного контакта относительно другого.

 

1.2.3. Зависимость  переходного сопротивления от  свойств материала контактов

Переходное сопротивление  чрезвычайно чувствительно к  окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в   частности,   меди)   являются плохими проводниками. У медных открытых контактов вследствие их окисления с течением времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз.

В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых контактов также возникают окисные, плохо   проводящие ток плёнки. Они проникают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное сопротивление, могут вывести контакты из строя. Повышение температуры ускоряет степень окисления поверхности контактов. Повышение  силы контактного нажатия, наоборот, затрудняет проникновение окисных плёнок к площадкам контактирования, повышая тем самым срок службы контактов.

Окислы серебра имеют  электрическую проводимость, близкую  к проводимости чистого серебра. При повышенных температурах окислы серебра разрушаются. Поэтому переходное сопротивление контактов из серебра практически не изменяется с течением времени. Оно даже может понизиться вследствие медленной пластической деформации материала в площадках контактирования. Для медных контактов применяются специальные меры по уменьшению окисления их рабочих поверхностей.

В разборных соединениях  производят антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей – серебрят, лудят, покрывают кадмием, никелируют и цинкуют. Применяют покрытие рабочих поверхностей нейтральной смазкой после их технического обслуживания.

Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выключаясь, выполняются, как правило, из серебра или металлокерамики на основе серебра. Для медных контактов снижается значение тока нагрузки по сравнению с допустимым значением. Тем самым снижаются нагрев контактов и интенсивность их окисления.

Возникающая при отключении дуга сжигает окислы, и переходное сопротивление снижается. Во многих аппаратах кинематическая схема предусматривает при замыкании некоторое проскальзывание одного контакта по другому. Образовавшаяся окисная пленка при этом разрушается.

Материалы большей твердости  имеют большее переходное сопротивление и требуют большего контактного нажатия. Чем выше электрическая проводимость и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление.

 

1.2.4. Влияние переходного сопротивления контактов на нагрев проводников

Наличие переходного  сопротивления контактов неизбежно  приводит к тому, что в зоне контакта выделяется тепло, т. е. всякий электрический контакт является дополнительным источником тепла. В контактном соединении можно выделить зону стягивания, т. е. ту часть проводников, прилегающих к поверхности контакта, в которой сосредоточено сопротивление стягивания. Разумеется, сопротивление, обусловленное наличием окисных пленок, также сосредоточено в этой зоне, непосредственно между поверхностями контакта.

Ввиду того, что наружная поверхность зоны стягивания невелика, в первом приближении можно пренебречь количеством теплоты, отдаваемой в окружающую среду непосредственно этой поверхностью, и считать, что теплота, генерируемая в этой зоне, распространяется в части проводника, прилегающей к этой зоне, а далее с поверхности проводников - в окружающую среду.

При прохождении тока нагревается само тело проводника, что приводит к увеличению падения напряжения на этом участке электрической цепи. Кроме этого, изменяется сопротивление стягивания и увеличивается падение напряжения на переходном сопротивлении контакта

Известно, что для каждого  материала существуют определённые падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, характеризующих фазовое состояние материала. Так, температуре рекристаллизации соответствует напряжение размягчения. Температуре плавления материала соответствует напряжение плавления, а температуре кипения – напряжение кипения. Для некоторых металлов значения этих напряжений приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Название  металла	Uразмягчения, (Uр), В	Uплавления, (Uпл), В	Uкипения, (Uкип), В
Медь (Cu)	0, 12	0, 43	0, 79
Серебро (Ag)	0, 09	0, 37	0, 68
Платина (Pt)	0, 25	0, 65	1, 50
Вольфрам (W)	0, 40	1, 10	2, 10
Золото (Au)	0, 08	0, 43	0, 90

 

Зависимость сопротивления  контакта от падения напряжения на нём (R – U характеристика) представлена на рис. 2.4.

 

Рис. 2.4. R – U характеристика контакта

 

С ростом падения напряжения на контакте U_к переходное сопротивление вначале растёт, а затем, при напряжении U_р происходит резкое падение механических свойств материала. При том же усилии нажатия увеличивается площадь контактирования и переходное сопротивление резко уменьшается. В дальнейшем оно снова линейно возрастает, а при напряжении  U_пл электрический контакт сваривается – переходное сопротивление снова резко уменьшается.

 

1.2.5. Сваривание  электрических контактов

Использование контактов при условии, что напряжение U_к не превзойдёт напряжения U_р возможно лишь в слаботочных (слаботоковых) аппаратах. В сильнотоковых аппаратах, предназначенных для работы в режимах короткого замыкания, условие или привело бы к необходимости создания чрезмерно больших усилий сжатия контактов. Поэтому в сильнотоковых аппаратах не исключено расплавление -пятна в замкнутом состоянии контактов, что может привести к свариванию контактов так, как это происходит при точечной электросварке.

 

1.2.6. Износ контактов

Под износом контактов  понимают разрушение рабочей поверхности  коммутирующих контактов, приводящее к изменению их геометрической формы, размера, массы и т.д.

Износ, происходящий под действием электрических факторов, называется электрическим износом – электрической эрозией контактов. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического.

При размыкании сила, сжимающая  контакты,  снижается до  нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек (мостик) из  расплавленного  металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда.

Мостиковую эрозию контактов можно  объяснить термоэлектрическими эффектами, приводящими к асимметрии расплавленного металлического мостика (рис. 2.5), что в конечном счете приводит к переносу материала с одного контакта на другой.

В результате термоэлектрических эффектов максимум температуры приходится не на середину расплавленного мостика М а смещен от нее на в сторону переноса теплоты. При разрыве он нарушается по изотерме с температурой T _max и на одном участке остается больше металла, чем на другом. Застывший металл при большом числе отключений образует неправильные формы контактов. Эффектные меры борьбы с эрозией состоят в создании симметричных тепловых режимов мостика, например, подбором соответствующих контактных пар.

Электрическая эрозия наблюдается  при небольших токах; при больших  токах характерен дуговой износ контактов. Он определяет коммутационную износостойкость аппарата, его способность выполнять определенное число коммутаций тока контактами в заданных условиях отключения цепи. Она выражается предельным для аппарата числом коммутационных циклов. Механическая износостойкость аппарата определяется его способностью выполнять определенное число операций отключения и отключения без тока в цепи главных контактов.

Рис. 2.5. Фазы мостиковой эрозии контактов

 

Дуговой износ контактов – это выгорание материала контактов под воздействием электрической дуги.

Энергия, сосредоточенная в небольших объемах, разогревает металл, плавит его и доводит до температуры кипения. Материал контактов выбрасывается в виде паров металла и капель.

Относительную дугостойкость  различных металлов можно оценить  на основании диаграммы (рис. 2.6). Она построена по результатам опытов с короткой дугой (0,8 мм) при токе 12 кА и продолжительности его протекания 0,0085 с. По оси ординат отложено отношение объёмного износа к количеству электричества прошедшему через промежуток в форме газового разряда.

Рис. 2.6. Сопоставление  удельного износа контактов

 

1.2.7. Параметры  контактных конструкций

Раствор контактов представляет собой кратчайшее расстояние   между разомкнутыми контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов (см. рис. 2.1). Зазор контактов  обычно выбирается из условия гашения малых токов.

При работе контакты изнашиваются. Чтобы обеспечить надежное их соприкосновение на длительный срок, кинематика аппарата выполняется таким образом, что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная система (система перемещения   подвижных контактов) доходит до упора. Контакт крепится к подвижной системе через пружину. Благодаря этому, после соприкосновения с неподвижным контактом, подвижный контакт останавливается, а подвижная система продвигается еще вперед до упора, сжимая дополнительно при этом контактную пружину.

Таким образом, если при  замкнутом положении подвижной системы убрать неподвижно закрепленный контакт, то подвижный контакт сместится на некоторое расстояние, называемое  провалом. Провал определяет запас на износ контактов при заданном числе срабатываний. При прочих равных условиях больший провал обеспечивает более высокую износостойкость, т.е. больший срок службы. Но больший провал, как правило, требует и более мощной приводной системы.

Контактное  нажатие – сила, сжимающая контакты в месте их соприкосновения. Различают начальное нажатие в момент начального соприкосновения контактов, когда провал равен нулю, и конечное нажатие при полном провале контактов. По мере износа контактов уменьшается провал, а, следовательно, и дополнительное сжатие пружины. Конечное нажатие приближается к начальному. Таким образом, начальное нажатие является одним из основных параметров, при котором контакт должен сохранять работоспособность.

1.3. Основные  материалы, применяемые в аппаратостроении

1.3.1. Общие сведения  о материалах

Материалы, применяемые  в аппаратостроении, могут быть разбиты  на следующие группы:

• проводниковые – медь, алюминий, латунь и др.;
• магнитные – различного рода электротехнические стали и сплавы для изготовления магнитопроводов;
• изоляционные – для электрической изоляции токоведущих частей друг от друга и от заземлённых элементов;
• дугостойкие изоляционные – асбест, керамика, пластмассы для дугогасительных камер;
• сплавы с высоким удельным сопротивлением – для изготовления различных резисторов;
• контактные – серебро, медь, металлокерамика для обеспечения высокой электрической износостойкости контактов;
• биметаллы – применяются в автоматических аппаратах, использующих линейное удлинение различных металлов при нагревании электрическим током;
• конструкционные – металлы, пластмассы и изоляционные материалы, служащие для придания аппаратам и их деталям тех или иных форм и для изготовления деталей, преимущественным назначением которых является передача и восприятие механических усилий.

 

1.3.2. Материалы  для контактных соединений

К материалам контактов  предъявляются следующие требования:

• высокая электрическая проводимость и большая теплопроводность;
• стойкость против коррозии в воздухе и других газах;
• стойкость против образования окисных плёнок с высоким удельным сопротивлением;
• малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;
• высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях;
• малая электрическая эрозия;
• высокая дугостойкость (температура плавления);
• высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;
• простота обработки, низкая стоимость.