Электрические аппараты

Отрицательные свойства: малая дугостойкость  и недостаточная твердость серебра  препятствуют использованию его  при наличии мощной дуги и при  частых включениях и отключениях.

Применяется в реле и контакторах  при токах до 20 А. При больших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокие электрическую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.

Недостатки алюминия:  образование  на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением;  низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра);  малая механическая прочность; при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электролитическим путем либо оба металла необходимо покрывать серебром.

Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратов.

Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатками вольфрама являются: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большого нажатия.

В реле на малые токи с небольшим  нажатием применяются стойкие против коррозии материалы — золото, платина, палладий и их сплавы.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.

 Основные необходимые свойства контактного материала — высокие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получены за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольфрам, медь и вольфрам, так как эти металлы не образуют сплавов. Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии (металлокерамики). Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контактов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими металлами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переходного сопротивления контакта в качестве второго компонента используют серебро или медь. Чем больше в материале вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность, сопротивление свариванию. Но соответственно растет сопротивление контактов, уменьшается теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50% применяется для тяжело нагруженных аппаратов, отключающих большие токи короткого замыкания.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наибольшее распространение  получила металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, МК-Б20, КМК-Б21.

В аппаратах низкого напряжения наибольшее распространение получила металлокерамика КМК-А10 из серебра и окиси кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заcтавляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги.

Металлокерамика, состоящая из серебра  и 10% окиси меди, МК-А20 еще более стойка к износу, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые контакты хорошо обрабатываются, обладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты дают низкое и устойчивое в эксплуатации переходное сопротивление. Однако они легче свариваются, чем контакты из материала КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря высокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные контакты.

В заключение следует отметить, что  хотя применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры в эксплуатации, эти «лишние» затраты быстро окупаются, так как возрастает срок службы аппарата, увеличивается время между ревизиями и значительно повышается надежность. 

Под провалом контактов подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.

Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.

После соприкосновения  контактов происходит перекатывание  подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекатывании происходит разрушение окисных пленок и других химических соединений, которые могут появиться на поверхности контактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздействию дуги и являющиеся, поэтому более «чистыми». Все это уменьшает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются).

Раствором контактов называется расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электромагнита.    Это    приводит   к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощности катушки электромагнита   и  его  габаритов.   Минимальная   величина   раствора контактов определяется: технологическими  и   эксплуатационными условиями, возможностью образования металлического мостика между контактами   при   разрыве   цепи  тока,   условиями  устранения возможности   смыкания   контактов при  отскоке  подвижной  системы  от  упора  при  отключении  аппарата. Раствор контактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.

3.2. Гашение электрической дуги, устройства для создания магнитного дутья, силы, перемещающие дугу в дугогасительную камеру.

 

Дугогасительное устройство. В контакторах постоянного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнитным дутьем. При взаимодействии магнитного поля с дугой возникает электродинамическая сила, перемещающая дугу с большой скоростью. Для улучшения охлаждения дуги ее загоняют в щель из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью. При расхождении контактов 1 и 7 (смотреть рис.1) между ними возникает дуга 14. Дугу можно рассматривать как проводник с током. Катушка 8 создает м. д. с., под действием которой возникает поток. Этот поток проходит через сердечник катушки, полюсные наконечники 15 и воздушный зазор, в котором горит дуга. На рис.1 крестиками показано направление магнитного потока между полюсами системы, направленного за плоскость чертежа.

В соответствии с рис.3, чем больше отключаемый ток, тем выше идет прямая U—iR. Для обеспечения условий гашения дуги необходимо с ростом тока поднимать вольт-амперную характеристику дуги. Это достигается удлинением дуги либо за счет электродинамических сил, либо за счет механического растяжения дуги.

Рис.3. Ток в цепи при  различных сопротивлениях R и наличии дуги.

 

На рис.4 изображена зависимость раствора контактов, при котором происходит гашение дуги, от тока и магнитной индукции, полученная О. Б. Броном на макете контактора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение  дуги, от величины отключаемого тока.

При всех значениях индукции В кривые имеют один и тот же характер: при токе 5—7 А кривая достигает максимума, после чего с ростом тока необходимый раствор падает и при токе 200 А все кривые сливаются. Такой ход кривых объясняется следующими явлениями. Электродинамическая сила, действующая на единицу длины дуги, равна:

 

,            (**)

 

где I — ток;  В — индукция магнитного поля.

 

Рассмотрим случай, когда  В==0 (кривая 1). При малом значении тока в дуге электродинамическая сила получается столь незначительной, что она не оказывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необходимые для гашения, создаются за счет механического растяжения дуги подвижным контактом. При этом гашение дуги с ростом тока наступает при большей ее длине.

При токе более 7 А на дугу действует электродинамическая сила, возникающая как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации самой дуги (грубо можно представить, что дуга имеет форму части окружности). Эти силы являются решающими для гашения дуги. Чем больше ток в цепи, тем больше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В результате при токе 200 А для гашения дуги достаточно иметь раствор контактов около 1,5*10^-3 м. Фактически при таком токе, как только контакты разойдутся, возникающие электродинамические силы выталкивают дугу из межконтактного зазора и перемещают со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина дуги, при которой она гаснет, достигает 0,10 м и более.

Наличие внешнего магнитного поля способствует резкому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процесс гашения при токах 100 А и выше. Наиболее оптимальной магнитной индукцией является В ==0,0069 Т

В области малых токов  с ростом тока увеличивается необходимый  для гашения раствор контактов. При заданной скорости их движения требуется и большее время для достижения необходимого раствора. В области больших токов процесс гашения определяется электродинамическими силами. Чем больше ток, тем больше скорость растяжения дуги динамическими силами, тем меньше время, необходимое для достижения дугой критической длины.

 

Рис.5. Зависимость времени дуги и силы, действующей на дугу, от величины

отключаемого тока.

Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рис.4 и рис.5), во всех контакторах на токи 100 А и выше такая система обязательно применяется. Дело в том, что наличие внешнего магнитного поля способствует быстрому перемещению опорных точек дуги на контактах, перегоняя ее на дугогасительные электроды — рога и тем самым уменьшая оплавление контактов. Как показали исследования, для каждого значения тока имеется свое оптимальное значение поля. При напряженности, большей оптимальной, наступает усиленный износ контактов за счет того, что жидкометаллический контактный мостик, образующийся в стадии размыкания контактов, уносится и распыляется сильным магнитным полем.

Величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс  гашения дуги только в области  малых токов до 30 А. В области с токами выше 100 А, когда решающую роль играют электродинамические силы, величина питающего напряжения практически не влияет на раствор контактов. Раствор контактов обычно берется  (10—17)*10^-3 м и определяется условиями гашения малого тока. 

Характер нагрузки отключаемой  цепи также оказывает влияние только при малых токах в области, где гашение дуги происходит за счет механического растяжения дуги. В области больших токов следует опасаться больших перенапряжений и повторных пробоев из-за резкого снижения тока к нулю при сильном магнитном поле.

В зависимости от способа  создания магнитного поля различают  системы с последовательным включением катушки магнитного дутья (катушка тока), с параллельным включением катушки (катушка напряжения) и системы с постоянным магнитом.

В случае применения катушки тока она обтекается током, проходящим в отключаемой цепи. Если пренебречь магнитным сопротивлением стали, то можно считать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда (**) можно преобразовать к виду:

 

F₁=k₁I².

 

Таким образом, сила, действующая на единицу длины дуги, пропорциональна квадрату тока.

Как было показано ранее, наиболее важно иметь необходимую величину магнитного поля для дутья в области малых токов. Система с катушкой тока обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой индукции магнитного поля (см. зависимость электродинамической силы от тока — кривая 4 рис.5). В результате гашение дуги получается малоэффективным. На рис.5 изображена зависимость длительности горения дуги и электродинамической силы, действующей на нее, от тока для контактора на 150 А. Кривые времени дуги 1 — при отсутствии магнитного дутья; 2— при магнитной системе с катушкой тока. В последнем случае при токе 10 А длительность горения дуги достигает 0,09 с. Такая длительность горения дуги недопустима, так как возможно устойчивое горение без погасания.

Согласно опытным данным ток, надежно отключаемый контакторами с катушкой тока, составляет 20—25% номинального тока аппарата.

Для надежного и быстрого гашения дуги в области малых  токов применяются контакторы на небольшой ток (блок-контакторы) со сменными катушками магнитного дутья. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5—40 А. При малом отключаемом токе устанавливается катушка, имеющая большое число витков, благодаря чему создается необходимое магнитное поле для гашения дуги за малое время.

Необходимо отметить, что за счет сильного магнитного дутья возможен резкий обрыв тока, что приводит к возникновению перенапряжений в сильно индуктивной цепи. Предельный ток, который может отключать блок-контактор, не должен превышать трехкратного значения номинального тока катушки магнитного дутья.

Достоинствами системы  с катушкой тока являются:

1. Система хорошо работает в области токов свыше 100 А.  При этих токах магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочих поверхностей контактов и обеспечивает малый их износ.

2. Работа системы не зависит от направления тока. При изменении направления тока меняет знак и магнитное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления.

3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Такая катушка механически прочна и не боится ударов, возникающих при работе контактора. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта. Поэтому к изоляции катушки не предъявляются высокие требования.

Наряду с достоинствами  эта система имеет и ряд недостатков:

1. Плохое гашение дуги при малых токах (5—7 А).
2. Большая затрата меди на катушку.
3. Нагрев контактов за счет тепла, выделяемого дугогасительной катушкой.