Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И
16
интенсивному его окислению. Мерой эрозии является потеря массы или объема контакта.
Влюбом случае для уменьшения эрозии необходимо дугу быстро переместить из зоны ее возникновения, что снизит температуру контактной зоны. Величина эрозии растет с увеличением тока, напряжения, времени действия дуги и зависит от материала контактов (желательно применение дугостойких материалов). Суммарный износ контактов зависит от режима работы контактов и определяется комплексом факторов (числом включенийотключений, напряжением, током контактов, напряженностью поля поддува, соотношением механической и тяговой характеристик электромагнитного механизма, начальным нажатием и т.д.).
Однако в настоящее время разработаны схемные методы уменьшения износа (с применением полупроводников), которые значительно ослабили остроту вопросов коммутации и износа, особенно на низких напряжениях. Кроме того, все большее применение находят бесконтактные ЭА, поэтому влияние различных факторов на износ мы не рассматриваем.
Материалы контактов
Материалы контактов влияют на срок службы и надежность.
Требования к материалам: твердость и механическая прочность, высокая электро- и теплопроводность, устойчивость против коррозии, наличие токопроводящей пленки, дугостойкость, легкая обрабатываемость и низкая стоимость.
Медь – удовлетворяет всем требованиям, кроме коррозии и является самой распространенной.
Вне размыкаемых контактах покрывается серебром, а зачищенные медные контакты покрывают нейтральной смазкой.
Вразмыкаемых контактах медь применяется при нажатиях >0,3 кг для всех режимов работы, кроме продолжительного.
Для дугогасительных контактов медь применяется при отключении токов
30000 А.
Серебро – лучший контактный материал (не удовлетворяет только дугостойкости при больших токах).
Алюминий имеет меньшую электропроводность и механическую прочность, чем медь. Применение ограничено большим сопротивлением окисной пленки. Находит все большее применение в не размыкаемых контактах. При этом контакты серебрятся, меднятся или армируются медью.
Платина, золото, молибден – применяются для различных контактов на малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не имеют окисных пленок,
иконтакты из них имеют малое Rп.
Вольфрам и его сплавы имеют высокую электроизносоустойчивость, большую твердость и высокую температуру плавления. Применяются при малых токах для контактов с большой частотой отключения при средних и
больших токах в качестве дугогасительных контактов на Iê>100А.
17
Металлокерамика – плотная механическая смесь двух практически не сплавляемых металлов, получаемую методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один имеет хорошую электропроводность, а другой обладает большой механической прочностью, металлокерамика является тугоплавким и дугостойким материалом.
Наиболее распространенными компонентами являются (КМК – 10А) серебро и окись кадмия. Недостаток – понижается электропроводность. Применяется в качестве дугогасительных контактов на средние и большие токи в виде тонкой облицовки, а также как главные компоненты на номинальные токи до 600А.
Режим работы контактов
1 Включение – имеют место следующие процессы: вибрация контактов; эрозия.
При замыкании на к.з. вибрация возрастает из-за больших ЭДУ. Разряд обычно не переходит в дуговой.
Включенное состояние имеет 2 случая:
а) проходит длительный номинальный ток; б) проходит ток к.з.
Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе - Iн, падение напряжения на контактах было меньше допустимого (табличного Uк.1).
Iн R п R к.доп 0.5 0.8 Uк.1 |
(3.3) |
2 Отключение цепи сопровождается образованием мостика из гладкого металла. Это наиболее тяжелый режим. Эрозии достигает значительных величин, особенно на постоянном токе (из-за неизменности точки опоры дуги и одностороннего переноса металла) и сильно портит контакты. Для осуществления дуги необходимо, чтобы величина тока и напряжения превышали некоторые минимальные значения (см. таблицу 3.1, /1/). Если
величина тока меньше табличного значения (при Uп 300 В), то возникает только тлеющий заряд.
Основными средствами борьбы с эрозией являются:
1)сокращение времени горения дуги за счет применения дугогасительных устройств;
2)устранение вибрации контактов;
3)применение специальных устройств дугостойких контактов.
Расчет и выбор контактного нажатия производят по следующей методике:
18
1) рассчитывают усилия нажатия исходя из режима работы контактов (длительный, кратковременный, продолжительный) при этом учитывают допустимый перегрев контактов;
2) рассчитывают усилие нажатия исходя из Iн 
R п 0.5 
Uк.1;
3)сравнивают полученные два значения и выбирают максимальное значение;
4)если конструктивно трудно выполнить такое усилие, то переходят на новый тип контактов или материала и повторяют пункты 1, 2, 3.
19
4 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Виды газового разряда
Разрыв электрической цепи обычно сопровождается электрическим разрядом, который может быть либо тлеющим, либо в виде электрической дуги. Тлеющий разряд возникает, когда ток отключаемой цепи ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает 200-300 В. Этот тип разряда является неопасным, т.к. он не сопровождается интенсивным износом контактов.
Дуговой разряд имеет место только при больших токах (>0,5 А), температура дуги может достигать 6000-18000 К. Он, как правило, сопровождается исключительно вредным явлением.
Первичным процессом при возникновении дуги является ионизация контактного промежутка, которая может происходить за счет: термо- и электронной эмиссии (у электродов), термической и ударной ионизации (в стволе дуги).
Деионизация дугового промежутка происходит за счет объемной или поверхностной рекомбинации заряженных частиц и их диффузии (перемещение из области горения дуги вовне). Деионизация определяется электрическими и тепловыми градиентами зоны горения дуги.
Свойства электрической дуги определяются ее вольт-амперной характеристикой, т.е. зависимостью падения напряжения на дуге – Uд от тока дуги - Iд (рисунок 4.1).
С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термодинамическая ионизация и падает электрическое сопротивление дуги
rд. Причем rд уменьшается так резко, что Uд падает, несмотря на увеличение Iд. При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не меняется мгновенно. Если ток Iд изменяется во времени медленно, то тепловая инерция не сказывается. Зависимость Uд=f(Iд) при медленном изменении тока Iд называется статической вольт-амперной характеристикой дуги – кривая 1 (рисунок 4.1). Она зависит от длины дуги, материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.
В реальных установках ток дуги может меняться довольно быстро. Усиливается влияние тепловой инерции ствола дуги, изменение rд значительнее отстает от изменения тока - Iд. Зависимость Uд=f(Iд) при быстром изменении тока называется динамической вольт-амперной характеристикой.
20
При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая 2, рисунок 4.1), т.к. rд. падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже (кривая 3) поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока. Напряжение на дуге – Uд можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения в стволе дуги (рисунок 4.2):
U д U э E д lд , |
(4.1) |
где Eд – напряженность электрического поля, в стволе дуги; lд – длина дуги;
Uэ=Uа+Uк – прианодного и прикатодного падения напряжений.
В прианодной и прикатодной зоне, длина которых очень мала по сравнению с lд, падение напряжения всего 15-30 В (не зависит от материала, среды и не зависит от lд). Плотность тока на катоды очень велика и достигает 102-103 А\мм2.Eд в стволе почти не меняется и составляет 100-200 В\см.
Первичным условием гашения дуги является преобладание процессов деионизации над процессами ионизации. Рассмотрим баланс напряжений в цепи (рисунок 4.3а) при дуге, имеющей неизменную длину:
U i R |
L |
di |
U д |
(4.2) |
|
dt |
|||||
|
|
|
|
||
На рисунке 4.3б совместно с |
вольт-амперной |
характеристикой дуги |
|||
(ВАХ) построена нагрузочная прямая U-iR. Правее точки 1 (рисунок 4.3б) имеем сумму положительных слагаемых Uд, iR, Ldi\dt, следовательно, в этой зоне дуга горит (Ldi\dt>0).Левее точки 1 дуга гаснет (Ldi\dt<0). Это может быть только при том условии, когда
U |
i R U д |
U э |
E д |
lд |
(4.3) |
т.е. для бездугового |
размыкания |
цепи |
ВАХ |
дуги |
на всем своем |
протяжении должна лежать выше нагрузочной прямой U-iR и не иметь с этой прямой точек соприкосновения. Это возможно только за счет поднятия ВАХ или за счет увеличения сопротивления цепи. Из уравнения 4.1 ясно, что ВАХ дуги может быть поднята за счет увеличения Uэ, Eд, lд. Условия бездугового отключения облегчаются и с уменьшением отключаемого тока и напряжения.
Напряжение на контактах при I=0 называется напряжением гашения
дуги - Uг. Из (4.2), с учетом того, что для гашения дуги Ldi\dt<0 |
|
||||||||
U L |
di |
Uг или U г |
U |
L |
di |
|
|
|
(4.4) |
dt |
dt |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
i |
0 |
|||
|
|
|
|
|
|||||
Т.о. в момент гашения дуги напряжение на контактах равно напряжению источника плюс модуль напряжения на индуктивности, увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания
называется перенапряжением. Оно зависит от L, di\dt, поэтому в