книги / Электрические аппараты. Общий курс

гу, 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

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

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;

p = nd= я-0,03 = 9,45-10—2 м;

Согласно § 3-2 разница Tт — Г0 = 5-МО К-

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

идостигает 102— 103 А/мм2.

4.Падение напряжения у катода составляет всего 10—20 В и практически не зависит от тока.

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

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

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для иони­

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

обходимых для существования дуги, может быть полу­

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:

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

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

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

число частиц в столбе дуги уменьшается, сопротивле­ ние дугового столба увеличивается.

Из теории диффузии газов известно, что скорость убывания частиц пропорциональна их количеству:

Анализ (4-3) показывает, что скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьше­ нием радиуса дуги. Поэтому в дугогасительных устрой­

рой неизменно при данном токе, d n /d t= 0, т. е. скорость

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.