Електричні апарати

4.5 ПАРАМЕТРИ КОНТАКТНИХ КОНСТРУКЦІЙ

Розхил контактів є найкоротшою відстанню між розімкненими контактними поверхнями рухомого і нерухомого контактів (див. рис. 37 і 38). Величину розхилу контактів звичайно вибирають з умови гасіння малих струмів.

При роботі контакти зношуються. Щоб забезпечити їх надійне стикання на тривалий термін, кінематику апарату виконують таким чином, що контакти стикаються раніше, ніж рухома система (система переміщення рухомих контактів) доходить до упору. Контакт кріпиться до рухомої системи через пружину. Завдяки цьому після стикання з нерухомим контактом рухомий зупиняється, а рухома система просувається ще вперед до упору, стискаючи при цьому додатково контактну пружину. Таким чином, якщо при замкнутому положенні рухомої системи прибрати нерухомо закріплений контакт, то рухомий контакт зміститься на деяку відстань, названу провалом.

У прямоходових контактних конструкціях (див. рис. 38) провал вимірюють безпосередньо, а в апаратах з поворотною системою (див. рис. 37) величину провалу визначають величиною проміжка д, контролюючого провал. Величина провалу визначає величину запасу на знос контактів при заданому числі спрацьовувань. За інших рівних умов більший провал забезпечує вищу зносостійкість, тобто більший термін служби. Але більший провал, як правило, вимагає і потужнішої магнітної системи.

Контактне натиснення - сила, що стискає контакти в місці їх стикання. Розрізняють початкове натиснення Ро у момент початкового стикання контактів, коли провал дорівнює нулю, і кінцеве натиснення Рк при повному провалі:

P0 = c Дl1; Pk = P0 + cДl2,

де с - жорсткість контактної пружини, тобто величина сили в ньютонах, необхідної для стиснення пружини на 1 см; Дl1 - величина первинного стиснення пружини; Дl2 - величина додаткового стиснення пружини при виборі провалу.

Із зносом контактів зменшується провал, а, отже, і додаткове стиснення пружини. Кінцеве натиснення наближається до початкового. Таким чином, початкове натиснення є основною величиною, при якій має бути забезпечена надійна робота апарату.

4.6 ЗНОС КОНТАКТІВ

Під зносом контактів розуміють руйнування робочої поверхні комутуючого контакту, що приводить до зміни їх форми, розміру, маси й до зменшення провалу.

Знос під впливом різного роду механічних чинників (удар, тертя, перекочування) називається механічним зносом. Якісні й кількісні сторони його визначаються законами механіки, металознавства і опору матеріалів і тут не розглядаються.

Знос, що відбувається під дією електричних чинників, називається електричним зносом. Знос має місце як при розмиканні, так і при замиканні. Розмикання ланцюга супроводжується появою дугового або іскрового розряду на розімкнутих контактах. При відключенні скільки-небудь значних струмів електричній дузі передує поява контактного перешийка з розплавленого металу. Під дією високої температури дуги або іскри частина металу перешийка випаровується, частина розбризкується і викидається з проміжку між контактами, частина металу переноситься з одного контакту на інший.

Явище, що полягає в направленому перенесенні металу з одного електроду на інший під дією електричного розряду, який виникає між електродами, називається електричною ерозією. При дуговому розряді має місце перенесення металу з катода на анод, при іскровому розряді - навпаки, з анода на катод. У результаті на одному контакті утворюється западина, на другому - відповідний їй горбик (рис. 41). При малих розхилах це може привести до зварювання контактів унаслідок їх стикання в розімкненому стані.

Розміри ерозії ростуть із зростанням струму, напруги і часу горіння дуги, а також залежать від матеріалу контактів. Деякі матеріали, наприклад срібло, золото, які стійкі проти корозії, сильно піддаються ерозії; інші, наприклад мідь, вольфрам, молібден, є більш ерозіостійкими.

Зменшення ерозії може бути досягнуте за рахунок швидкого переміщення дуги із зони її виникнення, при цьому зона буде менше розігріта, буде менше розплавлено металу, а, отже, і менше ерозія.

Рис. 41 - Ерозія контактів (штриховою лінією показана початкова форма)

Рис. 42 - Залежність зносу контактів: а - від напруженості магнітного поля; б - від напруги

Природно, що застосування ерозіостійких матеріалів і металокераміки також є дієвим методом зниження ерозії.

Для зниження ерозії при малих струмах може застосовуватися шунтування контакту ємністю. У цьому разі при розмиканні контакту або зовсім не виникає електричний розряд, або величина розряду різко знижується, оскільки вся енергія дуги або її частина йде на заряд конденсатора.

Проте при значних ємностях у процесі замикання, коли між контактами залишається ще деякий проміжок, може відбутися пробій і розряд зарядженого конденсатора через цей проміжок і, як наслідок, зварювання контактів.

4.7 ЗНОС КОНТАКТІВ ПРИ РОЗМИКАННІ

Знос контактів при розмиканні є наслідком дугового розряду і залежить від багатьох змінних чинників. До теперішнього часу немає аналітичного виразу для розрахунку величини зносу. Зважаючи на це наведемо деякі залежності, одержані дослідним шляхом.

Залежність зносу від числа розмикань. Знос контактів при даній напруженості магнітного поля прямо пропорційний числу розмикань. Якщо величина зносу при одному розмиканні дорівнює с, то за п розмикань величина зносу

Залежність зносу від напруженості магнітного поля. Ця залежність характеризується кривою на рис. 42, а. При малих напруженостях дуга тривалий час знаходиться на одних і тих же опорних точках, що і приводить до зносу контактів. Із зростанням напруженості росте швидкість руху опорних точок дуги, контакти менше нагріваються і оплавляються, знос знижується.

Проте при деякій напруженості магнітного поля починається нове явище, що міняє картину процесу.

Як вже наголошувалося, появі дуги на контактах, що розходяться, передує місток з розплавленого металу. Із зростанням напруженості зростають електродинамічні сили взаємодії струму із зовнішнім магнітним полем. Ці сили починають викидати з щілини між контактами розплавлений метал містка. Знос зростає. Коли електродинамічні сили досягають такого значення, що викидають весь розплавлений метал з проміжку між контактами, знос практично вже не залежить від подальшого зростання напруженості магнітного поля.

Залежність зносу від напруги. За відсутності зовнішнього магнітного поля, а також електродинамічних сил самого контуру струму (наприклад, при механічному розтяганні дуги торцевими контактами) знос контактів різко зростатиме із зростанням напруги (крива 2 на рис. 42, 6), оскільки при більшій напрузі дуга буде триваліший час знаходитися на контактах.

При наявності зовнішнього магнітного поля гасіння дуга покидає щілину між контактами, ледве останні встигнуть розійтися на 1-2 мм, знос контактів практично не залежить від напруги мережі (крива 1).

Залежність зносу від величини струму. Знос контактів росте із зростанням струму. При незмінних інших умовах ця залежність близька до лінійної:

у ~ I.

В апаратах, проте, зміна струму викликає і зміну зовнішнього магнітного поля (зокрема, при послідовній дугогасній котушці), тоді знос іде інтенсивніше за зростання струму:

у ~ In,

де n > 1.

Залежність зносу від ширини контакту. При кожному відключенні розплавляється, випаровується і вигоряє певна кількість металу. Це головним чином метал з контактних площадок. Зміна кількості металу, що впливає на знос в області стикання, може бути досягнута за рахунок зміни ширини контактів. Досліди це підтверджують: знос контактів, вимірюваний зміною провалу, обернено пропорційний ширині контактів.

Залежність зносу від швидкості розходження контактів. У багатоамперних апаратах, де є магнітне дуття і в яких сам контур струму створює достатні електродинамічні сили, швидкість розходження контактів практично не позначається на величині зносу контактів. Збільшення швидкості розходження контактів не може бути способом боротьби із зносом. Тільки при дуже малих швидкостях розходження контактів знос збільшується із зменшенням швидкості їх розходження.

4.8 ЗНОС КОНТАКТІВ ПРИ ЗАМИКАННІ

Знос контактів має місце і при замиканні ланцюгів. При замиканні відбувається удар рухомого контакту об нерухомий, перекочування і прослизання контактів. Це приводить до розклепування і стирання контактних поверхонь, тобто до механічного їх зносу, що, як правило, відносно невеликий і не відіграє істотної ролі в роботі апарата.

При замиканні має також місце електричний знос, який у ряді випадків перевершує знос при розмиканні. Він викликається вібрацією контактів, що виникає при замиканні. Рухомий контакт підходить до нерухомого з певною швидкістю. При зіткненні відбувається пружна деформація матеріалу обох контактів. Пружна деформація приводить до відкиду рухомого контакту - він відскакує від нерухомого на деяку відстань, вимірювану сотими й десятими долями міліметра (іноді до 1 мм). Під дією контактної пружини відбувається повторне замикання контактів. Цей процес може повторюватися кілька разів із затухаючою амплітудою, як показано на рис. 43. При кожному відкиді між контактами виникає електрична дуга, що викликає їх знос.

Вібрація при замиканні можлива унаслідок удару при притяганні якоря. При цьому знос може бути більшим, ніж від удару самих контактів, оскільки тут вібрація контактів відбувається при набагато більших миттєвих значеннях струму (рис. 43, б).

Нижче наводяться одержані дослідним шляхом залежності величини зносу контактів при замиканні від ряду чинників.

Залежність зносу від співвідношення механічної і тягової характеристик апарату. Швидкість руху контактів визначається співвідношенням між механічною (крива 1) і тяговою (криві 2, 3 і 4) характеристиками (рис. 44).

Чим більший запас тягового зусилля (крива 4), тим більшою буде швидкість, а, отже, великими будуть удар і вібрація контактів. При недостатньому тяговому зусиллі (крива 2) відбуватиметься зупинка рухомої системи в момент зіткнення контактів (двотактне включення), що також приведе до підвищення зносу. Для забезпечення мінімального зносу тягова характеристика повинна забезпечувати чітке включення апарату і не мати надмірних запасів (крива 3).

Залежність зносу від початкового натиснення Рн й жорсткості контактної пружини. Початкове натиснення на контакти в момент їх зіткнення - це та сила, яка протидіє відкиду контактів при їх зіткненні. Природно, що чим більша ця сила, тим менше будуть відкид і вібрація, а, отже, і знос (рис. 45,а). На рисунку показаний характер вібрації контактів при зниженому й підвищеному натисненнях. Крива Uк зображає напругу на контактах, крива Ік - струм через контакти.

Рис. 4.5 - Залежність зносу контактів при замиканні: а - від початкового натиснення; б - від жорсткості контактної пружини; в - від напруженості магнітного поля.

Як видно з графіків, при пониженому натисненні контакти розмикалися кілька разів. При підвищеному натисненні розмикання не було.

Підвищення початкового натиснення обмежене тяговою характеристикою. Якщо початкове натиснення перевершує деяке значення, при якому м.д.с. втягуючої котушки стає недостатньою для деформації тугої пружини і має місце відкид усієї рухомої системи, знос контактів починає зростати (штрихова частина кривої на рис. 45,а).

Залежність зносу від жорсткості контактної пружини характеризується кривою на рис. 45,6. При більшій жорсткості відкид контактів буде дещо меншим, а отже, знос дещо знизиться.

Залежність зносу від напруженості магнітного поля (рис. 45, в). При кожному розмиканні між контактами утворюється місток з розплавленого металу. Магнітне поле прагне викинути його звідти. Таким чином, знос зростає із зростанням напруженості. При деякому значенні напруженості викидатиметься весь розплавлений метал, і подальше збільшення напруженості вже не приводить до зростання зносу.

Залежність зносу від числа замикань і ширини контакту. Як і при розмиканні, знос контактів при замиканні пропорційний числу замикань і обернено пропорційний ширині контакту.

4.9 РОБОТА КОНТАКТНИХ СИСТЕМ В УМОВАХ КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ

При коротких замиканнях виникають досить важкі умови роботи як для контактів, що не розмикаються, так і для комутуючих контактів.

У контактних з'єднаннях, що не розмикаються, слабким місцем є болтове з'єднання. Болт, що стягує деталі, практично не проводить струму, і внаслідок короткочасності процесу короткого замикання можна вважати, що температура болта не змінюється. Теплове розширення струмоведучих деталей викличе додаткову напругу, яка, з'єднуючись з напругою затягування болта, може призвести до залишкових деформацій і ослаблення контактного з'єднання після його охолодження. Тому контактні з'єднання, що не розмикаються, треба перевірятися на додаткові механічні напруги, що виникають в болтовому з'єднанні при короткому замиканні.

Для контактів, що розмикаються, характерні: а) момент замикання; б) замкнуте положення; у) момент розмикання.

При коротких замиканнях виникає небезпека зварювання контактів при знаходженні їх у замкнутому положенні (при наскрізному струмі короткого замикання) і тим більше в момент замикання (включення на коротке замикання).

При короткому замиканні має місце не тільки різке збільшення струму, але і збільшення перехідного опору контакту через ослаблення контактного натиснення, що викликається електродинамічними силами. Теплова енергія, що виділяється в місці контакту і дорівнює

різко зростає і може викликати розплавлення і зварювання контактів. На практиці внаслідок короткочасності коротких замикань таке явище спостерігається рідко. Зварювання замкнутих контактів відбувається, як правило, за рахунок електродинамічного відкиду, коли електродинамічні сили дорівнюють контактному натисненню або перевершують його. Виникаюча при відкиді контактів дуга викликає значне оплавлення робочих поверхонь і їх зварювання при замиканні.

Для визначення мінімального струму, при якому відбувається зварювання контактів, можна користуватися наступною дослідною формулою (за даними Г.В. Буткевича [1]):

І ? К (10 Р)1/2 ,

де І - допустима амплітуда ударного струму, а; Р - контактне натиснення, н; К - коефіцієнт, що залежить від матеріалу контактів і числа точок стикання.

Значення коефіцієнта К наведено в табл. 4.3.

Таблиця 4.3

При включенні на коротке замикання вірогідність зварювання контактів зростає як за рахунок можливої вібрації, так і меншого натиснення (у момент зіткнення контактне натиснення рівне початковому Рн).

При відключенні струмів короткого замикання має місце сильне вигорання і оплавлення контактів. Зниження зносу дугогасних контактів досягається застосуванням дугостійких матеріалів і швидким переміщенням дуги по контактах.

4.10 ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНІ СИЛИ В КОНТАКТАХ І СПОСОБИ ЇХ КОМПЕНСАЦІЇ

Контакт (рис.46, а) може бути представлений як провідник змінного перерізу. У місці звуження ліній струму виникають подовжні електродинамічні сили, що прагнуть розімкнути контакти. Для одноточкових контактів величина цих сил визначається виразом

для багатоточкових

де s - переріз контакту в тому місці, де немає викривлення ліній струму; s0 - дійсна площа контактування; n - кількість місць контактування.

В апаратах на великі струми, зокрема в автоматичних вимикачах, прагнуть так виконати контактну систему, щоб компенсувати або ослабити дію електродинамічних сил. Наприклад, у містковій системі на рис. 46, б, електродинамічна сила F2 контуру abed, що діє на містковий контакт і дорівнює

направлена назустріч електродинамічним силам FI в перехідних контактах. Можна підібрати розміри h і а таким чином, щоб F2.>2F1. У контактній системі рис. 46, в електродинамічна сила F2 відсутня, а в системі на рис. 46,г сила Fz складається з силами FI. З погляду електродинамічної стійкості остання система є найменш стійкою.

Рис. 46 - Приклади наповнення електродинамічної і електромагнітної компенсації електродинамічних сил: Р - контактне натиснення; F1 - відкидаючі сили; F2 - компенсуючі сили

На рис. 46,д показаний приклад електродинамічної компенсації для контактів, важелів. Нерухомий контакт складається з двох частин (1 і 2), сполучених за допомогою шарніра. Рухома частина цього контакту утримується в нейтральному положенні двома пружинами, що діють назустріч одна одній. Електродинамічна сила Fz прагне розсунути паралельні частини 1 і 2 контакту. Сила Fz направлена назустріч силі Ft. Можна підібрати довжину петлі l такою, щоб Fzlz>Fili. Тоді при короткому замиканні контакт 2 завжди притискатиметься до рухомого контакту і контактне натиснення при цьому зростатиме.

Схема електромагнітного компенсатора наведена на рис. 46, е. Магнітне поле навколо струмопроводу рухомого контакту прагне притягати якір 3 магнітопроводу компенсатора до його нерухомої частини 4, Через важіль 2 сила FZ передається на рухомий контакт 1, перешкоджаючи його відкиду, що викликається електродинамічною силою F1.

4.11 МАТЕРІАЛИ ДЛЯ КОНТАКТНИХ З'ЄДНАНЬ

Від матеріалу контакту значно залежать термін його служби і надійність роботи. До цих матеріалів ставляться такі вимоги: вони повинні мати високу електропровідність і теплопровідність, бути стійкими проти корозії і мати струмопровідну окисну плівку, бути дугостійкими, тобто мати високу температуру плавлення і випаровування, бути твердими, механічно міцними й легко піддаватися механічній обробці, мати невисоку вартість. Перераховані вимоги суперечливі, майже неможливо знайти матеріал, який задовольняв би всім цим їм.

Для контактних з'єднань застосовуються наступні матеріали.

Мідь, що задовольняє майже всім перерахованим вище вимогам, за винятком корозієстійкості. Оксиди міді мають низьку провідність. Мідь - найпоширеніший контактний матеріал, використовується як для контактів, що не розмикаються, так і для комутуючих контактів. У з'єднаннях, що не розмикаються, застосовують антикорозійні покриття робочих поверхонь .

У комутуючих контактах мідь застосовують при натисненнях більше 3н для всіх режимів роботи, окрім тривалого. Для тривалого режиму мідь не рекомендується, але якщо вона застосована, то слід вжити заходи боротьби з окисленням робочих поверхонь . Мідь може використовуватися і для дугогасних контактів при відключенні струмів до 30 000 а.

При малих контактних натисненнях (Р<3н) застосування мідних контактів не рекомендується.

Срібло - дуже гарний контактний матеріал, що задовольняє всім вимогам, за винятком дугостійкості при значних струмах. При малих струмах володіє хорошою зносостійкістю. Оксиди срібла мають майже таку ж провідність, як і чисте срібло. Срібло застосовують для головних контактів в апаратах на великі струми, для всіх контактів тривалого режиму роботи, в контактах на малі струми при малих натисненнях (контакти реле, контакти допоміжних ланцюгів). Срібло звичайно застосовують у вигляді накладок - усю деталь виконують з міді або іншого матеріалу, а на робочій поверхні контакту приварюють срібну накладку.

Алюміній, який порівняно з міддю володіє значно меншою електропровідністю і механічною міцністю. Утворює поганопровідну тверду окисну плівку, що істотно обмежує його застосування. У даний час рекомендується до широкого впровадження в контактних з'єднаннях, що не розмикаються (шинопроводи, монтажні дроти). Для цього контактні робочі поверхні сріблять, міднять або армують міддю. Слід, проте, мати на увазі невисоку механічну міцність алюмінію, унаслідок чого з'єднання можуть з часом слабшати і контакт порушиться. Для комутуючих контактів не придатний.

Платина, золото, молібден. Застосовують для комутуючих контактів на дуже малі струми при малих натисненнях. Платина і золото не утворюють окисних плівок. Контакти з цих металів мають малий перехідний опір. Для підвищення зносостійкості застосовують сплави з платини з іридієм.

Вольфрам і сплави з вольфраму при великій твердості й високій температурі плавлення мають високу електричну зносостійкістю. Вольфрам і сплави вольфрам - молібден, вольфрам - платина, вольфрам - платина - іридій та інші застосовують при малих струмах для контактів з великою частотою розмикання. При середніх і великих струмах їх використовуються як дугогасні контакти на струми, що відключаються, до 100 ка і більше.

Металокераміка - тісна механічна суміш двох металів, що практично не сплавляються, яка отримується методом спікання суміші їх порошків або просоченням одного розплавом іншого. При цьому один з металів має хорошу електропровідність, а інший має велику механічну міцність, є тугоплавким і дугостійким. Металокераміка, таким чином, поєднує високу дугостійкість з відносно хорошою електропровідністю. Найбільш поширеними композиціями металокераміки є: срібло - вольфрам, срібло - молібден, срібло - нікель, срібло - окисел кадмію, срібло - графіт, срібло - графіт - нікель, мідь - вольфрам, мідь - молібден та ін. Застосовується металокераміка як дугогасні контакти (композиції з сріблом в основному для змінного струму) на середні й великі струми, що відключаються, а також як головні контакти на номінальні струми до 600 а.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Чунихин А.А. Электрические аппараты. Общий курс: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 720 с.

Родштейн Л.А. Электрические аппараты: Учебник для техникумов. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 304с.

Электротехнический справочник: В 4-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства /Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. И.Н. Орлов). - 8-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МЭИ, 1998 - 518 с.

Алиев И.И., Абрамов М.Б. Справочник. Электрические аппараты. - М.: РадиоСофт., 2003. - 251 с.

Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения /Н.М. Адоньев, В.В. Афанасьев, И.М. Бортник и др.; Под ред. В.В. Афанасьева. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 544 с.

Залеский А.М., Кукеков Г. А. Тепловые расчеты электрических аппаратов. - Л., 1967. - 378 с.

Буткевич Г.В., Дегтярь В.Г., Сливинская А.Г. Задачник по электрическим аппаратам: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электрические аппараты». - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987. - 232 с.

ГОСТ 8865-93 (МЭК 85-84) «Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация»

Міліх В.І. Електротехніка та електромеханіка: Навч. посібник. - К.: Каравела, 2006. - 376 с.

Навчальне видання

ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ: Конспект лекцій (для студентів 3 курсу денної і 4 курсу заочної форм навчання спеціальності 6.090600 - «Світлотехніка і джерела світла»).

Размещено на Allbest.ru