книги / Электрические аппараты. Общий курс
.pdfгу, из-за шероховатости на поверхности касания появ ляется дополнительная вибрация контактов. Поэтому ве личина проскальзывания должна быть небольшой. При отключении дуга загорается между точками а —а, что спасает от оплавления точки b—b, в которых контакты касаются во включенном положении. Таким образом, удается разделить контакт на две части: в одной проис ходит гашение дуги, в другой ток проводится длительно. Поскольку для контактов по рис. 3-12 непосредственный контроль провала контактов Ô затруднен, о величине провала судят по зазору Ô', образующемуся между ры чагом 4 и контактной скобой 3.
Во всех без исключения аппаратах имеется вжим (провал) контактов, который обеспечивает необходимое нажатие контактов. Вследствие обгорания и износа кон тактов в процессе эксплуатации вжим уменьшается, что приводит к уменьшению силы нажатия и росту переход ного сопротивления контактов. Поэтому в эксплуатации вжим контактов должен обязательно контролироваться и находиться в пределах, требуемых заводом-изготови- телем. Особенно это относится к аппаратам, работаю щим в режиме частых включений и отключений (контак торы), где износ контактов интенсивен. Допустимое уменьшение провала дается заводом-изготовителем
иобычно составляет 50% начального значения.
Вторцевом мостиковом контакте (рис. 3-11) вжим обычно составляет 3—5 мм. В мощных выключателях
высокого напряжения |
он увеличивается до 8— 10 мм. |
В высоковольтных |
масляных выключателях широко |
применяется |
розеточная система. Подвижный контакт |
||
выполняется |
в виде круглого |
стержня, неподвижный — |
|
в виде розетки, состоящей из ламелей |
(рис. 19-5). Та |
||
кая система |
имеет низкое |
переходное |
сопротивление |
и позволяет резко снизить контактное давление на ла мель. При переходе от торцевого контакта к розеточному сила нажатия на ламель из условий сваривания уменьшается примерно в 1/я2 раз, где п — число ла мелей.
При больших номинальных токах (более 2000 А) при меняется сдвоенная контактная система (рис. 3-13). Ап парат имеет основные контакты 1—V и дугогаситель ные 2—2'.
Тело главных контактов выполняется из меди, а по верхности их соприкосновения из серебра, нанесенного
электролитически (слой 20 мкм) или в виде припаянных серебряных пластинок (рис. 3-13).
Тело дугогасительного контакта выполняется из ме ди. Наконечники дугогасительных контактов выполня ются из дугостойкого материала — вольфрама или ме таллокерамики.
Ввиду того, что сопротивление цепи главных контак тов значительно меньше, чем дугогасительных, 75—80% длительного тока проходит через главные контакты, имеющие малое переходное сопротивление.
При отключении вначале расходятся главные контак ты и весь ток цепи перебрасывается в дугогасительные.
Контакты 2—2' расходятся в тот момент, когда расстояние меж ду главными контактами достаточно, чтобы выдержать наибольшее напряжение, возникающее в процессе гашения дуги на дугогаситель ных контактах. Необходимо отметить, что при отключении больших токов на главных контактах возникаем дуга [Л. 3-7, 3-15]. Дело в том, что после размыкания главных контактов весь ток цепи начина ет проходить через дугогасительную систему и на главных контак тах появляется напряжение. Допустим, что дугогасительная система имеет сопротивление R2 и индуктивность L2, а скорость нарастания тока в этой цепи di2/dt. Тогда напряжение на главных контактах равно uv = i2R2-\-L2di2/dt. Оно может быть достаточным для про боя промежутка между главными контактами. Согласно рекоменда ции [Л. 3-7] для уменьшения обгорания главных контактов необхо димо стремиться уменьшить индуктивность L, равную:
L = L2 + Ц — 2М,
где L>2—индуктивность дугогасительного контура; Lx— индуктивность главного контура;
М— взаимная индуктивность этих контуров.
При включении системы рис. 3-13 вначале замыкаются дугога сительные контакты, а затем главные, что обеспечивает отсутствие дуги и оплавление на серебряных поверхностях главных контактов. Ввиду громоздкости это решение применяется только при очень боль ших токах в автоматах и выключателях высокого напряжения.
Во всех остальных случаях стремятся подобрать соответствую щий контактный материал и обойтись одноконтактной системой.
Герметизированные контакты (герконы). В связи с бурным развитием автоматики и вычислительной техни ки потребовались контакты, которые имели бы высокую надежность и большое быстродействие. Этим требова ниям удовлетворяют герконы. Эскиз такого контакта дан на рис. 3-14. Контакты 1 и 2, выполненные из железони келевого сплава, размещены внутри стеклянного бал лончика <3, заполненного азотом с примесью водорода или гелия. При малых токах давление газа 105 Па. Ес ли ток отключения равен 2—3 А, то давление повышает ся до (4—5) • 105 Па.
При прохождении тока через катушку 4 под действи ем магнитного поля контакты замыкаются. После отклю чения катушки контакты размыкаются под действием упругих пластин.
Управление контактами может производиться и с по мощью постоянного магнита. При приближении такого магнита поток проходит через контакты, происходит
смыкание контактов. При |
удалении — размыкание. |
Это позволяет выполнить |
путевые выключатели на |
герконах [Л. 3-16]. Геркон может иметь и размыкаю щийся и переключающийся контакты. Герконы позво ляют легко создать реле с памятью. Магнитопровод из магнитно-твердого материала примыкает к контактам 1 и имеет управляющую обмотку. При подаче сигнала магнитопровод намагничивается и контакты смыкаются. После снятия сигнала через контакты проходит остаточ ный поток, обеспечивающий замыкание контактов. Для размыкания контактов необходимо. подать импульс об ратной полярности и размагнитить магнитопровод [Л. 3-19].
Для получения надежного контакта поверхности со прикосновения покрываются тонким слоем золота, ро дия или серебра. Перед установкой контакты нагрева
ются до высокой температуры, при которой они осво бождаются от вредных окислов и загрязнений.
Благодаря тому, что контакты изолированы от окру жающей среды и работают в атмосфере инертного газа, надежность их минимум на два порядка выше, чем у обычных контактов в воздухе, и достигает 2- 108—2 - 109 коммутаций.
Отсутствие электромагнитной системы, свойственной электромагнитным реле (см. § 11-3), в 3 раза сокращает время срабатывания и отпускания. Подробные сведения по герконам даны в [Л. 3-17, 3-18].
Эти контакты благодаря своим преимуществам ши роко начинают применяться и в аппаратах высокого на пряжения, вплоть до 10 кВ. При высоких напряжениях контакты работают в вакууме (см. гл. 19).
Недостатками герконов являются вибрация контак тов при смыкании, недостаточная удароустойчивость. Длительность вибрации зависит от многих факторов и колеблется в пределах 0,3— 1 мс.
Максимальная коммутируемая мощность отечествен ных герконов пока не превышает 15 Вт (0,5 А, 30 В).
3-5. Примеры расчета контактов аппарата
Контакты образованы двумя торцами медных цилиндров. Опре делить необходимо контактное нажатие при длительном токе 1000А и токе короткого замыкания 30 кА. Диаметр цилиндра d = 0,030 м. Температура окружающей среды 0=40° С.
Необходимое нажатие (Н) исходя из длительного режима ра боты по (3-9)
/26 я Я к-10?
16A,2 j^arccos
где / — 1000А; теплопроводность меди Х=3,9-102 Вт/(м-°С) [Л. 2-11; 6=2,42-10-® (В/°С)2; Я„—число твердости по Виккерсу [Л. 2-1]; **= 12 Вт/(м2-°С) (табл. 2-1).
Температура тела контакта Г0:
То 0в+ 273 /*Р . krpq’
Р = Ро (1 + <*0Т) = 1,55-10-* (1 + 0,004-70) = 1,99- Ю~*Ом-м;
<7= |
лсР |
я-0,032 |
4 |
7,07-10—4 м2; |
|
|
4 |
p = nd= я-0,03 = 9,45-10—2 м;
î„ = 40 + 273- |
l000M,99-10—s |
338 К. |
|
12.9,45-7,07-Ю-» |
|||
|
|
Согласно § 3-2 разница Tт — Г0 = 5-МО К-
„ 10002-2,42-10—8.3,14-52-107 |
|
1 |
!----------- » 538. |
Г |
33812 |
16-3,92-104 arccos — |
|
L |
348J |
Необходимое нажатие исходя из тока короткого замыкания со* гласно (3-10)
F > /* д /* 2.
Согласно табл. 3-2 k=1300, следовательно,
5820-10е
F> 169.10е = 3340Н.
Таким образом, данная контактная система при силе нажатия 538 Н не может быть устойчивой при коротком замыкании. Сила нажатия должна быть увеличена до 3440 Н. Если такое нажатие нельзя создать по конструктивным соображениям, то надо либо пе реходить на розеточную или многопальцевую контактную систему, либо применить металлокерамику. Так, использование КМК-Б21 де лает достаточным усилие 510Н при ударном токе 76,6 кА [Л. 3-2].
2. Определить необходимое давление серебряных одноточечных контактов. Длительный ток 10А. Ток короткого замыкания 100А.
Для надежной работы контактов согласно (3-8)
iн^п ^ 0,5£/р.
Для серебра £/р=0,09 В (табл. 3-1), £/к.доп=0,045 В.
0,045
Rn = = 0,0045 Ом.
Для одноточечного контакта Ra= k /F 2 ; £=0,006;
1,68 Н.
Для ориентировочного расчета можно принять, что условия неприваривания для серебряных контактов такие же, как и для мед ных, так как физические параметры материалов достаточно близки:
/уд = 255А; Æ= 1300 (табл. 3-2)
255а
0,0378 Н.
169-104
В данном случае нажатие определяется номинальным током.
Г л ав а ч ет в е р та я
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
4-1. Общие сведения
В коммутационных электрических аппаратах, предна значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает р а з р я д в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250— 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма ломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде э л е к т р и ч е с к о й дуги.
Если ток в цепи и напряжения выше значений, ука занных в табл. 3-3, то имеет место дуговой разряд.
Основные свойства дугового разряда.
1.Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины. Минимальный ток дуги для различ ных материалов приведен в табл. 3-3 и для металлов со ставляет примерно 0,5 А.
2.Температура центральной части дуги очень вели
ка и в аппаратах |
может достигать 6000— 18 000 К. |
3. Плотность |
тока на катоде чрезвычайно велика |
идостигает 102— 103 А/мм2.
4.Падение напряжения у катода составляет всего 10—20 В и практически не зависит от тока.
В дуговом |
разряде можно различить |
три |
характер |
ные области: |
о к о л о к а т о д н у ю , область |
с т о л б а |
|
д у г и и о к о л о а н о д н у ю . |
|
|
|
В каждой |
из этих областей процессы |
и о н и з а ц и и |
и д е и о н и з а ц и и протекают по-разному в зависимо сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес печивающие возникновение необходимого количества за рядов.
а) Околокатодная область. Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство. Длина ее обычно не более 10~6 м. На протяжении этой области создается к а т о д н о е п а д е н и е н а п р я ж е н и я , равное 10—20 В. Средняя напряженность электрического поля у катода достигает 107 В/м. Основными носителями
Тока в катодной области являются электроны, получае мые с катода. Около катода расположен положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле, в котором двигаются элек троны, вышедшие из катода. Силы электрического поля воздействуют на электрон и увеличивают его скорость. При соударении такого электрона с нейтральной части цей может произойти ионизация. Д ля того чтобы иони зировать нейтральный атом, необходимо, чтобы электрон обладал определенной энергией.
Напряжение Ui (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, не
обходимой |
для |
ионизации, |
называется п о т е н ц и а |
||||
л о м |
и о н и зац и * и . Для |
газов этот |
потенциал |
колеб |
|||
лется |
от |
24,58 В |
(гелий) |
до |
13,3 В |
(водород). |
Пары |
металлов имеют значительно меньший потенциал иони зации. Так, для паров меди он равен 7,7 В.
Положительные ионы, так же как и электроны, раз гоняются электрическим полем, но из-за большой массы скорость их незначительна. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии пе
редается па ионизацию, так что |
и о н и з а ц и я т о л ч |
ком происходит в основном за |
счет электронов. |
Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для иони
зации ударом. Чаще всего после удара |
атом переходит |
|
в в о з б у ж д е н н о е с о с т о я н и е |
(электрон |
атома |
переходит па более удаленную от ядра орбиту). |
Для |
ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал иониза ции уменьшается. Такая ионизация называется ступен чатой. При ступенчатой ионизации необходим много кратный удар электронов по атому: на каждый об разующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на на личие положительных ионов, носит электронный ха рактер.
Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катод ного падения напряжения и бомбардируют катод. Бла годаря этому температура катода поднимается и дости
гает точки испарения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия ка тода, которая в сильной степени зависит от температуры
электрода. Исследования, |
проведенные Л. А. Сена |
[Л. 4-1], говорят о том, что |
количество электронов, не |
обходимых для существования дуги, может быть полу
чено и за |
счет а в т о э л е к т р о н н о й э м и с с и и . |
б) |
Область дугового столба. Расчеты показывают |
что энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит. Основ ным источником ионов и электронов является т е р м и ч е с к а я и о н и з а ц и я .
При большой температуре скорость частицы возра стает до величины, при которой удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Чем меньше масса час тицы, тем больше ее скорость движения. Количество за рядов, появляющихся в результате термической иониза ции, можно определить с помощью уравнения, получен ного индийским ученым Саха:
2 |
116001/; |
|
•10“ 5р = 315,87,2'5е - _ Г — -10-8, |
(4-1) |
|
1 —X2 |
|
|
где х — с т е п е н ь |
и о н и з а ц и и , равная отношению |
числа ионизированных частиц к полному числу атомов в данном объеме;
р— абсолютное давление газа, Па;
Т— абсолютная температура газа, К; Ui— потенциал ионизации, В.
Анализ (4-1) показывает, что чем больше давление газа, тем ниже степень ионизации. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает температура. Для большого числа двухатомных газов из-за ступенча той ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6-103 К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. В связи с этим в дуго гасительных устройствах необходимо принимать меры, препятствующие попаданию металлических паров элек тродов в столб дуги (уменьшение сечения плавких вста вок предохранителей, перемещение дуги по электродам,
уменьшающее температуру электродов, а следовательно, ях испарение, и ряд других м ер).
Поскольку степень ионизации определяется темпера, турой, во всех без исключения дугогасительных устрой ствах стремятся отводить тепло от дуги либо за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздуш ные, масляные выключатели), либо за счет отдачи теп
ла стенкам дугогасительной камеры. |
|
||
В.дуговом столбе наряду |
с ионизацией протекают |
||
процессы . деионизации |
за |
счет р е к о м б и н а ц и и |
|
и диффузии. |
нейтрализация частиц за |
счет |
|
Рекомбинация — это |
|||
соединения ионов с зарядами |
различных знаков. |
Как |
показали исследования, в дуговом столбе рекомбинация электрона и положительно заряженного иона из-за боль шого различия в их массе маловероятна. Обычно реком бинация происходит таким образом, что сначала элек трон отрицательно заряжает нейтральную частичку, пос ле чего происходит рекомбинация положительного и образовавшегося отрицательного иона. Очевидно, что чем больше зарядов в единице объема, тем сильнее бу
дет |
рекомбинация. |
Уменьшение числа зарядов за счет |
||||||
рекомбинации можно найти с помощью уравнения |
||||||||
|
|
|
dn |
= an*, |
|
|
(4-2) |
|
|
dn |
|
dt |
р |
|
|
|
|
где |
— скорость уменьшения |
числа |
заряДов за |
|||||
dt |
||||||||
|
) |
|
|
|
|
|
||
|
|
счет рекомбинации; |
|
|
|
|||
|
|
а — коэффициент рекомбинации; |
|
|
||||
|
|
п — число |
ионов |
одного |
знака |
(в |
стационар |
|
|
|
ном режиме число положительных и отри |
||||||
|
|
цательных ионов в столбе дуги одинако |
||||||
|
|
во) . Вывод уравнения |
(4-2) |
дан в [Л. 4-2]. |
Коэффициент рекомбинации зависит от рода газа, давления и температуры.
При спадании температуры коэффициент рекомби нации сильно возрастает. Ориентировочно можно счи тать, что коэффициент рекомбинации а обратно пропор
ционален |
абсолютной температуре в третьей степени. |
|||
Деионизация в |
столбе идет также за |
счет |
д и ф |
|
ф у з и и . |
Вследствие |
теплового движения |
частиц |
про |
исходит |
выравнивание плотности заряженных частиц, |
число частиц в столбе дуги уменьшается, сопротивле ние дугового столба увеличивается.
Из теории диффузии газов известно, что скорость убывания частиц пропорциональна их количеству:
|
dn 1 |
2Dn |
|
(4-3) |
|
|
|
|
|
где |
— скорость убывания |
частиц |
за счет диф- |
|
|
д |
|
|
|
|
фузии; |
|
|
|
|
D — коэффициент диффузии; |
|
||
|
п — число заряженных |
частиц одного знака,; |
||
|
г — радиус дуги. |
|
|
|
|
Коэффициент диффузии равен D==Xv/3, где К — дли |
|||
на |
свободного пробега иона; |
v — средняя |
скорость дви |
|
жения иона. |
|
|
|
Анализ (4-3) показывает, что скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьше нием радиуса дуги. Поэтому в дугогасительных устрой
ствах широко |
используется |
принцип |
узкой |
щели |
(дуга |
|||
горит в |
щели, |
образованной |
дугостойкими |
стенками с |
||||
высокой |
теплопроводностью). |
Суммируя |
результаты |
|||||
ионизационных процессов в дуге, можно записать: |
|
|||||||
|
|
dn |
dn I |
dn |
|
dn |
|
(4-4) |
|
|
И Г ~ |
dt It |
dt |
p |
ИГ |
|
|
|
|
|
|
|||||
В уравнении (4-4) величина |
dn I |
— скорость возник |
||||||
|
|
|
|
|
n r l |
|
|
|
новения зарядов за счет термической ионизации. |
|
|||||||
Для |
стабильно горящей |
дуги, сопротивление |
кото |
рой неизменно при данном токе, d n /d t= 0, т. е. скорость
роста числа ионизированных частиц |
равна скорости их |
||||
исчезновения. Устанавливается динамический |
баланс. |
||||
В случае погасания дуги, очевидно, |
d n /d t< 0. |
Зарядов, |
|||
которые образуются при ионизации, |
меньше, |
чем исче |
|||
зает при деионизации. |
|
|
|
|
|
Очевидно, что при переходе к большему току вначале |
|||||
d n /d t> 0. |
Затем устанавливается |
динамический |
баланс |
||
dn/dt— 0, |
соответствующий этому |
значению тока. |
в) Энергетический баланс дуги. Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определя ются температурой дугового промежутка. Последняя зависит от количества тепла, выделяемого в дуге, и ко личества тепла, отводимого от дуги.