Электроконтакты, понятия и теория

Лекция №7.

Тема лекции:

7. Электроконтакты, понятия и теория. Конструкция и     выбор коммутирующих контактов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

Любая электротехническая установка состоит из элементов, так или иначе связанных между собой. Соединение проводящих звень­ев электрической цепи, обеспечивающее протекание электрического тока при наличии источника э. д. с, осуществляется с помощью электрических   контактов.

Рекомендуемые материалы

Слово контакт от латинского слова contactus — прикосновение. Под электрическим контактом весьма часто понимается совокупность двух или нескольких проводников электрического тока, соеди­ненных между собой и сжатых с определенной силой.

ГОСТ 2774—44 определяет электрический контакт, как «место перехода тока из одной токоведущей части в другую».

По своему назначению электрические контакты можно разделить на две группы.

1. Соединительные контакты, которые служат только для сое­динения различных звеньев электрической цепи, т. е. для обеспе­чения протекания тока от одного звена к другому. Соединительные контакты всегда замкнуты.

2. Коммутирующие контакты, предназначенные для включе­ния, отключения и переключения электрических цепей.

Соединительные контакты, применяемые в токопроводах элект­рических аппаратов, весьма разнообразны. Некоторые типичные конструкции их изображены на рис. 3.1.

Основным требованием, предъявляемым к соединительным кон­тактам, является надежность в длительной эксплуатации: соедини­тельные контакты должны длительно, в пределах срока службы всей установки в целом и без повреждений допускать протекание токов нормального режима и кратковременных токов аварийных режимов работы.

Надежность  в длительной эксплуатации соединительных   (не размыкаемых) контактов будет обеспечена, если сопротивление кон­такта  электрическому току   будет достаточно стабильным. Для этого соединительный    контакт   должен обладать способностью противостоять как воздействию окружающей среды, так  и  воздействию механических усилий от температурных деформаций и от электродинамических усилий, возникающих    при   протекании    больших   токов короткого замыкания.

  Контактирующие проводники в соединительных   контактах   могут быть либо неподвижны друг отно­сительно друга (хотя контакт в це­лом может и перемещаться с опре­деленной скоростью), либо переме­щаться   относительно   друг   друга без размыкания цепи, как, например это имеет место  роликовом или в щеточном контакте.

Коммутирующие   контакты могут находиться в замкнутом (соответствующая  цепь  включена)  или разомкнутом        (соответствующая цепь отключена) состоянии.

  Существует большое разнообразие коммутирующих контактов. Например, могут быть контакты:  рубящие, торцовые,  щеточные, пальцевые, розеточные и пр. По своему назначению коммутирую­щие контакты в сильноточных аппаратах можно разделить на глав­ные и дугогасительные. Обычно главные контакты шунтируются дугогасительными,  в процессе размыкания  цепи  главные  контакты выходят из соприкосновения ранее, чем дугогасительные, а поэтому образование дуги происходит только на дугогасительных. Таким образом главные контакты защищены от воздействия дуги и слу­жат для надежного пропускания рабочих токов и токов короткого
замыкания  в замкнутом состоя­нии.

Рис.7.1.Некоторые    типы коммутирующих    контактов:

а — контакты   контактора;  б —релейные контакты на   плоских пружинах

Часто функции контактов совмещаются: они выполняют роль и токоведущих,  и дугогасительных  контактов.

Некоторые типы коммутационных контактов представлены на рис.7.1.

Как ни тщательно обработаны поверхности соприкосно­вения контактов, электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как получить абсолютно гладкую поверхность практически невозможно. Примерная картина соприкосновения контактов показана на рис.. Благодаря нажатию Р одного контакта на другой вершины выступов деформи­руются и образуются площадки действительного касания   контактов. Рассмотрим процесс перехода тока из одного    контакта в другой при касании двух цилиндрических кон­тактов по торцам.

Рис.7.2 .Соприкосновение поверхностей контактов

В результате стягивания линий тока к площадке каса­ния их длина увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически прохо­дит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопро­тивления. Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, на­зывается переходным сопротивлением стягивания кон­такта.

Таким образом, переходное сопротивление, обусловлен­ное стягиванием линий тока, пропорционально удельному сопротивлению материала контакта, корню квадратному из временного сопротивления на смятие этого материала о и обратно пропорционально корню квадратному из силы контактного нажатия. Одноточечный контакт при­меняется в основном только три малых токах (до 20 А). При больших токах (100 А и более) применяется многото­чечный контакт. В многоточеч­ном контакте ток проходит че­рез несколько контактных пе­реходов, соединенных парал­лельно. Поэтому его переход­ное сопротивление при неиз­менном нажатии меньше, чем у одноточечного контакта. Од­нако нажатие в   каждой    контактной площадке уменьшается. Количество контактных переходов увеличивается с ростом нажатия по весьма слож­ному закону.

Сопротивление   зависит и от обработки поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивле­ние шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Переходное сопротивление контактов обусловлено не только явле­нием стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контак­ты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в химичес­кую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверх­ности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением.

МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ

К материалам контактов    современных    электрических аппаратов предъявляются следующие требования:

1) высокие электрическая проводимость и теплопровод­ность;

2) высокая коррозионная стойкость в воздушной и дру­гих средах;

3) стойкость против образования    пленок   с    высоким электрическим сопротивлением;

4) малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

5) высокая твердость для уменьшения    механического износа при частых включениях и отключениях;

6) малая эрозия;

7) высокая дутостойкость (температура плавления);

8) высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9) простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмотре­ны ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволя­ет применять при частых включениях и отключениях, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при рабо­те на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитичес­ким способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. В контактах на большие токи иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включаемых относительно редко). Применяется как материал для плос­ких и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, кон­такторов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель­но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

В контактах, не имеющих взаимного скольжения, из-за пленки ок­сидов применение меди не рекомендуется.

Серебро. Положительные свойства: высокие электрическая проводи­мость и теплопроводность, пленка оксида серебра имеет малую механи­ческую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт серебра устойчив благодаря малому напряжению на смятие. Для работы достаточны малые нажатия (применяется при нажати­ях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротив­ление являются характерными свойствами серебра.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость пре­пятствуют использованию его при наличии мощной дуги и 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. Положительные свойства: достаточно высокие электри­ческая 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: 1) образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением;

2) низ­кая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра);

 3) малая механическая прочность;

4) из-за наличия в окружающем воздухе влаги и оксидов медный и алюминиевый контакты образуют своеобразный гальванический элемент. Под действием ЭДС этого элемента происходит электрохимическое разрушение кон­тактов (электрохимическая коррозия). 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. Положительные свойства: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с образованием пленок и их высокой механической прочностью 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 материалу контактов.

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 они не образуют сплавов. Материалы, обладаю­щие необходимыми свойствами, получают методом порошковой метал­лургии (металлокерамики). Полученные таким методом материалы со­храняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость металлокерамики обеспечивается такими компонентами, как вольфрам, молибден. Низкое переходное сопротивление контакта достигается ис­пользованием в качестве второго компонента серебра или меди. Чем больше содержание вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность и меньше возможность приваривания металлокерамических контактов. Но соответственно растет переходное сопротивление кон­тактов и уменьшается их теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяется для аппаратов за­щиты на большие токи КЗ.

Композиции из тонко измельченных порошков с диаметром зерна менее 10 мкм имеют мелкодисперсную структуру и обладают большой механической прочностью, Их износостойкость в 1,5—2 раза выше, чем у материалов не мелкодисперсного типа.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наиболее распрост­ранена металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20, КМК-Б21

В аппаратах низкого напряжения чаще всего применяется металлокерамика КМК-А10 из серебра и оксида кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги. Металлокерамика КМК-А20, состоящая из серебра и 10 % оксида меди, обладает большей износостойкостью, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые металлокерамики хорошо обрабатываются, об­ладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты из этих материалов обеспечивают низкое и устойчивое переходное со­противление, но более подвержены привариванию, чем контакты КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря вы­сокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные. Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, однако в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения его надежности.

КОНСТРУКЦИЯ   ТВЕРДОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ   КОНТАКТОВ

а)  Неподвижные разборные и неразборные    контакты.

Такие контакты служат для соединения неподвижных токоведущих деталей шин, кабелей и проводов. Эти детали могут находиться как внутри электрического аппарата, так и вне его. В последнем случае они служат для присоедине­ния аппарата к источнику энергии или к нагрузке. Контак­ты соединяются с помощью либо болтов (разборные соеди­нения), либо горячей или холодной сварки.

При болтовом соединении медные шины перед сборкой тщательно зачищаются от оксидов и смазываются техниче­ским вазелином. После сборки места стыков между шина­ми покрываются влагостойким лаком или краской. При этом уменьшается переходное сопротивление и повышается его стабильность во времени.

Покрытие соприкасающихся поверхностей контактов оловом (лужение) несколько увеличивает начальное пере­ходное сопротивление, но благодаря пластичности олова увеличивает количество площадок смятия и переходное сопротивление становится более стабильным. Для токоведущих деталей, от которых требуется повышенная на­дежность при больших номинальных токах, рекомендуется серебрение соприкасающихся поверхностей. Описанные раз­борные контактные соединения могут быть разобраны при ремонте и монтаже и имеют малое переходное сопротивле­ние.

Рекомендуемые давления одной шины на другую,  Па,

при болтовом соединении приведены ниже.

Материалы соединения

Медь луженая       500—1000

Медь, латунь, бронза нелуженые   600—1200

Алюминий             2500

Момент при затяжке болтов контролируется специаль­ным тарированным моментным ключом. Болтовые соедине­ния могут оказаться недостаточно надежными, особенно при алюминиевых контактах. Поэтому в настоящее время алюминиевые токоведущие детали соединяются с помощью холодной или горячей (термитной) сварки и представляют после этого неразборный контакт.

В болтовом шинном соединении при КЗ токоведущий проводник нагревается до температуры 200—300 °С.

Стягивающие стальные болты нагреваются в основном за счет теплопроводности, так как ток через болты практи­чески не проходит. Температура болтов обычно не превос­ходит 20 % температуры шин. Температурный коэффици­ент расширения у меди и алюминия значительно выше, чем у стали, поэтому шины, увеличиваясь по толщине боль­ше, чем удлиняются болты, растягивают их. При этом де­формация болтов может перейти за пределы упругости. Тогда после отключения цепи и остывания контакта из-за вытягивания болтов нажатие в контактах уменьшится, что приведет к увеличению сопротивления, сильному нагреву и последующему разрушению.

Для того чтобы избежать пластической деформации шин, ставятся соответствующие шайбы. Вследствие малой прочности алюминиевых шин может произойти пластиче­ская их деформация, что приведет к порче контакта. По­этому для стабильности алюминиевого контакта необходи­мо либо производить предварительный обжим, уплотнение шин, либо ставить под гайки пружинящие шайбы или спе­циальные пружины, которые ограничивают деформации элементов контактов.

б) Подвижные неразмыкающиеся контактные соединения. Такие соединения используются либо для передачи тока с подвижного контакта на неподвижный, либо при небольшом  перемещении неподвижного контакта под дейст­вием подвижного.

Наиболее простым соединением такого типа является гибкая связь (рис.7.3). Неподвижный контакт 1 крепится к каркасу аппарата на изоляционной подкладке. Подвиж­ный контакт 2 вращается относительно точки 0, располо­женной на контактном рычаге 4. Этот рычаг изолирован от вала 5, на который действует электромагнит контактора. Гибкая связь 6 соединяет подвижный контакт 2 с выводом аппарата. Контактное нажатие создается пружиной 3. Для получения необходимой эластичности гибкая связь изго­товляется из медной ленты толщиной   0,1*10^{-3 м}  и менее или из многожильного жгута, сплетенного из медных жил (0,1*10^{-3 м и менее). При наличии резких перегибов гибкая связь быстро разрушается.}

При больших ходах подвижных контактов длина гибкой связи получается значительной, а ее надежность уменьша­ется. Поэтому она применяется при перемещениях подвиж­ного элемента  не    более 0,25 м.

При больших ходах и больших номинальных токах при­меняются контактные соединения в виде скользящих и ро­ликовых токосъемов. Принцип действия токосъема ясен из рис. 7.4 и 7.5. Подвижный контакт 1 скользящего то­косъема (рис. 7.4) выполнен в виде стержня круглого се­чения. Цилиндрическая обойма 2 соединяется с неподвижным выводом аппарата. Соединение контакта / и обоймы 2 осуществляется пальцами (ламелями) 3. Контактное на­жатие создается пружинами 4. Подвижный контакт имеет возможность перемещаться поступательно. Неподвижный контакт имеет поверхность касания в виде плоскости, по­движный — в виде цилиндрической поверхности. Контакти­рование осуществляется по линии, отчего контакт называ­ется линейным.

Недостатком скользящего токосъема является большая сила трения, которая требует значительной мощности при­водного механизма. Сила трения уменьшается при ролико­вом контакте (рис. 7.5). Подвижный контакт 1 роликового токосъема (рис. 7.5) выполнен в виде стержня круглого сечения и имеет поступательное движение. Токосъемные стержни 2 также имеют круглое сечение и соединены с вы­водом аппарата. Соединение стержня 1 и стержней 2 осу­ществляется с помощью конусных роликов 3, которые ка­тятся по поверхности стержней 1 и 2. Контактное нажатие создается пружинами 4.

Число роликов зависит от номинального тока и тока КЗ. Этот контакт для своего перемещения требует небольших усилий и широко применяется в современной аппаратуре высокого напряжения.

 

Рис. 7.3. Передача тока с подвижного контакта на вывод аппарата с помощью гибкой связи

Рис.  7.4.  Скользящий  токосъемный розеточный контакт

Рис. 7.5. Роликовый токосъемный контакт

в) Разрывные контакты. Контакты многих аппаратов разрывают цепь с током, большим, чем минимальный ток дугообразования. Возникающая электрическая дуга приводит к быстрому износу контактов. Для надежного гашения дуги, образующейся при отклю­чении, необходимо определенное расстояние между непо­движным и подвижным контактами, которое выбирается с запасом. Расстояние между неподвижным и подвижным контактами в отключенном состоянии аппарата называется зазором контактов (рис. 7.6, 7.7). Конструкция разрывных контактов определяется значениями номинального то­ка, номинального напряжения, тока КЗ, режимом работы, назначением аппарата и рассмотрена в разделах, посвя­щенных устройству различных аппаратов. Здесь же рас­смотрим только некоторые общие вопросы.

Число площадок касания и стабильность переходного сопротивления зависят от конструкции крепления подвиж­ного и неподвижного контактов. Подвижные контакты, имеющие возможность устанавливаться в положение с мак­симальным числом контактных площадок, называются самоустанавливающимися. Контактный узел с самоустанав­ливающимся контактом дан на рис. 7.6. Неподвижные кон­такты / и подвижный мостиковый контакт 2 в месте каса­ния имеют сферические (или цилиндрические) напайки 3, выполненные из серебра или металлокерамики. Контактное нажатие создается пружиной 4. После касания контактов скоба 5, связанная с приводом аппарата, продолжает свое движение вверх на величину хода, равную провалу б. При­менительно к конструкциям, показанным на рис. 7.6 и 7.7, провалом называется расстояние, на которое переместится подвижный контакт, если убрать неподвижный.

Рис. 7.6. Контактный узел с само­устанавливающимся контактом

На рис. 7.7 показана работа контактной системы, ши­роко применяемой в контакторах с медными контактами.

Для наглядности точки начального и конечного каса­ния обозначены буквами а и б. При включении контактный рычаг 4 вращается электромагнитом вокруг центра 0₂, а точка 0_{ вращения контактной скобы 3 перемещается по радиусу 0₂0_].

Касание пальцевых контактов 1 и 2 происходит в точ­ках а (рис. 7.7,б). При дальнейшем перемещении О_х точ­ка касания переходит в точку b (рис. 7.7,в). При этом происходит перекатывание контакта 2 по контакту1 с не­большим проскальзыванием, за счет чего пленка оксида на них стирается.. При включении контактов, отключавших ду­гу, из-за шероховатости поверхности касания появляется дополнительная вибрация контактов. Для уменьшения виб­рации проскальзывание должно быть небольшим. При от­ключении дуга загорается между точками а—а, что пре­дохраняет от оплавления точки b—b, в которых контакты касаются уже во включенном положении. Таким образом, контакт разделяется на две части: в одной происходит га­шение дуги, в другой ток проводится длительно. Поскольку для контактов по рис. 7.7 непосредственный контроль про­вала   затруднен, о нем судят по зазору б' между рычагом 4 и контактной скобой 3. Контактное нажатие создается пружиной 5.

Рис. 7.7. Контактный узел с перекатыванием  подвижного кон­такта

Во всех без исключения аппаратах имеется провал кон­тактов, который обеспечивает их необходимое нажатие. Вследствие обгорания и износа контактов в эксплуатации провал уменьшается, что приводит к уменьшению контакт­ного нажатия и росту переходного сопротивления. Поэтому при эксплуатации провал контактов должен контролиро­ваться и находиться в пределах, требуемых заводом-изго­товителем. Особенно это относится к аппаратам, работаю­щим в режиме частых включений и отключений (контак­торы), где износ контактов интенсивен. Допустимое уменьшение провала обычно составляет 50 % начального значения.

В торцевом мостиковом контакте (рис. 3.14) провал обычно составляет 3—5 мм. В мощных выключателях высо­кого напряжения он увеличивается до 8—10 мм.

В высоковольтных масляных выключателях широко применяется розеточная система (рис. 7.8). Неподвижный контакт состоит из пальцев (ламелей) 1, расположенных по окружности. Для уменьшения обгорания концы ламелей снабжены металлокерамическими наконечниками 2. Контактное нажатие создается    пружинами 3. Ламели с помощью гибких связей 5 соединяются с медным цоколем 4. Параллельное соединение шести ламелей снижает переход­ное сопротивление контакта и облегчает работу контакта при токах КЗ, так как через ламель протекает примерно '/б полного тока контакта. Контактное нажатие обратно про­порционально квадрату числа ламелей. Подвижный кон­такт выполнен в виде стержня круглого сечения, движуще­гося поступательно. Конец стержня снабжен металлокерамическим наконечником.

Рис 7.8. Неподвижный розеточный контакт

Для главных контактов применяется щеточная система (рис. 7.9). Неподвижные контакты 1 выполняются в виде массивных медных призм, часто покрываемых серебром. Подвижные контакты выполнены в виде пакета эластич­ных медных пластин 2. Большое количество пластин создает многоточечный контакт с малым переходным сопротив­лением. При нажатии на подвижный контакт происходит деформация пластин, скольжение линии касания по по­верхности неподвижного контакта и разрушение пленки оксидов.

 

Рис. 7.9. Щеточные контакты

Широкое применение получили пальцевые самоустанав­ливающиеся контакты (рис. 7.10). Неподвижным контак­том являются пальцы (ламели) /, выполняемые из меди. Пальцы крепятся к выводу 2 гибкими связями 3. Нажатие контактов создается плоскими пружинами 4. Для получе­ния наибольшего числа площадок касания пружина 4 действует на контакт 1 через сферическую по­верхность заклепки 5 (самоустанав­ливающийся контакт).

Если не имеется возможности подвижному контакту самоустанав­ливаться, то такой контакт называ­ется  несамоустанавливающимся (пружина 4 жестко соединена с кон­тактом 1). Подвижный контакт вы­полнен  в виде латунной  призмы 6.

На рис. 7.11 показана двухсту­пенчатая контактная система с глав­ными 1–1 и дугогасительными 2— 2' контактами. Главные контакты выполняются из меди, а поверхно­сти их соприкосновения из серебра, нанесенного электролитически (слой 20 мкм) или в виде припаянных пла­стин. Дугогасительные контакты вы­полняются из меди и имеют наконечники из дугостойкого материала — вольфрама или металлокерамики.

Рис 7.10. Пальцевый самоустанавливающийся контакт

Ввиду того, что переходное сопротивление цепи главных контактов значительно меньше, чем дугогасительных, через них проходит 70—80 % длительного тока. При отключении вначале расходятся главные контакты и весь ток цепи за­мыкается по дугогасительным контактам.

Дугогасительные контакты 2—2' расходятся в тот момент, когда расстояние между главными контактами достаточно, чтобы выдержать наибольшее напряжение, возникающее в процессе гашения дуги на ду­гогасительных контактах.

Рис. 7.11.Двухступенчатая контактная система

Необходимо отметить, что при отключении больших токов на глав­ных контактах может возникнуть дуга. Дело в том, что после размыкания главных контактов весь ток цепи начинает проходить через дугогасительную систему и на главных контактах появляется напряже­ние. Допустим, что дугогасительная система имеет сопротивление    и индуктивность , а скорость нарастания тока в этой цепи. Тогда напряжение на главных контактах может оказаться достаточным для пробоя промежутка между ними. Для уменьшения обгорания главных контактов необ­ходимо уменьшать индуктивность L.

При включении двухступенчатой системы вначале замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные, что обеспечивает отсутствие дуги и оплавления серебряных поверхностей главных контактов. Вви­ду своей сложности двухступенчатые системы применяются только при очень больших токах (более 2000 А) в автоматах и выключателях вы­сокого напряжения. Во всех остальных случаях надежная работа кон­тактов обеспечивается выбором их материала и конструкции при ис­пользовании одноступенчатой системы.

В заключение отметим, что в настоящее время начинают широко применяться электрические аппараты с герметизированными контактами и контактами, работающими в глубоком вакууме.

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ?

Наиболее характерные недостатки твердометаллических контактов следующие:

1.С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше резко увели­чиваются габариты и масса аппарата в целом.

2.Эрозия контактов ограничивает износостойкость ап­парата.

3.Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ контактные нажатия достигают больших значе­ний, что увеличивает необходимую мощность привода, габариты и массу аппарата.

Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (ЖМК) (рис. 3.20). Внешняя цепь подключается к электродам / и 2.   Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса запол­нены жидким металлом 4 и соединяются между собой от­верстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды / и 2, контактор включается.

Рис. 7.12.   Контактор с жидкометаллическим контактом

По сравнению с твердометаллическими ЖМК облада­ют следующими преимуществами:

1.  Малое переходное сопротивление и высокие допусти­
мые плотности тока на поверхности раздела    жидкий ме­ электроизоляционного материала. Полости корпуса запол­нены жидким металлом 4 и соединяются между собой от­верстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды / и 2, контактор включается.

По сравнению с твердометаллическими ЖМК облада­ют следующими преимуществами:

1.  Малое переходное сопротивление и высокие допусти­мые плотности тока на поверхности раздела    жидкий ме­талл—электрод     (до     120 А/мм²), что позволяет резко         сократить   габаритные   размеры    контактного   узла   и контактное нажатие, особенно при больших токах.  

2. Отсутствие   вибрации,  приваривания, залипания  и окисления контактов   при их коммутации.         

3. Высокая механическая и электрическая износостойкость ЖМК, что   позволяет создавать аппараты с большим сроком службы.- 

4. Возможность      разработки   коммутационных   ап­паратов на новом принципе [автоматический   восстанавли­вающийся предохранитель  и др.] благодаря свойст­вам текучести жидкого металла.

5. Возможность работы ЖМК при высоких внешних давлениях, высоких температурах, в глубоком вакууме.

К электрическим аппаратам обычно предъявляется тре­бование сохранять работоспособность в интервале темпе­ратур ±40^СС. Очевидно, что жидкий металл должен со­хранять свое состояние в указанном интервале. Из извест­ных материалов только ртуть находится в жидком виде при температуре ниже 0°С и может быть в чистом виде при­годна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути суще­ственно осложняет технологию ее применения.

В ЖМК перспективно применение диэлектрического или металлокерамического    твердого    каркаса,    пропитанного жидким металлом.

ГЕРМЕТИЧНЫЕ КОНТАКТЫ (ГЕРКОНЫ)

Наименее надежным узлом электромагнитных реле яв­ляется контактная система. Электрическая дуга или искра, образующиеся   при   размыкании и замыкании   контактов, приводят к их быстрому разрушению. Этому также способ­ствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным не­достатком электромагнитных реле является и наличие трущихся механических деталей, износ которых также сказывается на их работоспособности. Попытки разместить контакты и электромагнитный механизм в герметизирован­ном объеме с инертным газом не приводят к положительным результатам из-за больших технологических и кон­структивных трудностей, а также из-за того, что контак­ты при этом не защищаются от воздействия продуктов износа и старения изоляционных материалов. Другим не­достатком электромагнитных реле является их инерцион­ность, обусловленная значительной массой подвижных де­талей. Для получения необходимого быстродействия при­ходится применять специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.

Перечисленные недостатки электромагнитных реле при­вели к созданию реле с герметичными магнитоуправляемыми контактами (герконами).

Простейшее герконовое реле с замыкающим контактом изображено на рис. 7.13, а. Контактные сердечники (КС) 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (пермаллоя) и вварива­ются в стеклянный герметичный баллон 3. Баллон запол­нен инертным газом — чистым азотом или азотом с не­большой (около 3 %) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (0,4—0,6) • 10⁵ Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавлива­ется в обмотке управления 4. При подаче тока в обмотку возникает магнитный   поток Ф, который проходит по КС1 и 2 через рабочий зазор б между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4.     Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Р_э, которая, преодолевая упругость КС, соединяет их между собой. Для улучшения контактирования поверхно­сти касания покрываются тонким слоем (2—50 мкм) золота, родия, палладия, рения, серебра и др.

При отключении обмотки магнитный   поток и электро­магнитная сила   спадают и под   действием сил упругости  КС размыкаются. Таким образом, в герконовых реле отсутствуют детали, подверженные трению (места крепления якоря в электромагнитных реле), а КС одновременно вы­полняют функции магнитопровода, токопровода и пружины.

В связи с тем что контакты в герконе управляются маг­нитным полем, герконы называют магнитоуправляемыми контактами.

Рис. 7.13. Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом

На основе герконов могут быть созданы также реле с размыкающими и переключающими контактами. В гер­коне с переключающим контактом (рис. 7.14, а) неподвиж­ные КС 1, 3 и подвижный 2 размещены в баллоне 4. При появлении сильного магнитного поля КС 2 притягивается

Рекомендуем посмотреть лекцию "14 Корпоративная ответственность".

 

Рис. 7.14. Переключающие герконы

к КС 1 и размыкается с КС 3. Один из КС переключаю­щего геркона (например, 2) может быть выполнен из не­магнитного материала (рис. 7.14,б). Герконовое реле (рис 11.4, в) имеет два подвижных КС 1, 2, два неподвижных КС 5, 6 и две обмотки управления 7, 8. При согласном включении обмоток замыкаются КС 1 и 2. При встречном включении обмоток КС 1 замыкается с КС 5, а КС 2 с КС 6. При отсутствии тока в обмотках все КС разомкнуты. Гер­коновое реле (рис. 7.14, г) имеет переключающий контакт 3 сферической формы. При согласном включении обмоток 7 и 8 контакт 3 притягивается к КС   и КС 2 и замыкает их. После отключения обмоток 7 и 8 и при согласном вклю­чении обмоток 9 и 10 контакт 3 замыкает КС 5 и КС 6. Так как КС герконов выполняют функции возвратной пружины, им придаются определенные упругие свойства. Упругость КС обусловливает возможность их вибрации («дребезга») после удара, который сопутствует срабаты­ванию. Длительность   такой   вибрации   достигает 0,25 мс при общем времени срабатывания 0,5—1 мс. Одним из способов устранения влияния вибраций является исполь­зование жидкометаллических контактов. В переключаю­щем герконе (рис. 7.15, а) внутри подвижного КС 1 име­ется капиллярный канал, по которому из нижней части баллона 4 поднимается ртуть 5. Ртуть смачивает поверх­ности касания КС 1 с КС 2 или КС 3. В момент удара контактов при срабатывании возникает их вибрация. Из-за ртутной пленки на контактной поверхности КС 1 вибрация не приводит к разрыву цепи. В кон­струкции на рис. 7.15,б между КС 2, КС 3 и ртутью 5 находится ферромагнитная изоляционная жидкость 6. При возникновении магнитного поля ферромагнит­ная жидкость 6 перемещается вниз, в положение, при котором поток будет наибольшим. Ртуть вытесняется вверх и замыкает КС 2 и КС 3. Следует отметить, что жидкометаллический контакт позволяет уменьшить переходное сопротивление и значительно увеличить коммутируемый ток. На­личие ртути удлиняет процесс разрыва контактов, что уве­личивает время отключения реле.

Управление герконом можно осуществлять и с помощью постоянного магнита. Если постоянный магнит установлен вблизи геркона, его магнитный поток замыкается через КС, которые в результате этого находятся в замкнутом состоянии. Использование постоянного магнита совместно с управляющей катушкой позволяет создать герконовое реле с размыкающим контактом.

Рис.7.15. Ртутные герконы