Общие сведения об электрических и электронных аппаратах

Электронная лекция

по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»

для студентов направления подготовки ______________________________ ________ форма обучения

 

 

Подготовил: ст. преподаватель

Волгунов А.Д.

 

Дзержинск, 2019 год
Содержание

1 Общие понятия. 4

1.1 Предмет и задачи дисциплины.. 4

1.2 Общие сведения об электроприемниках, электрических и электронных аппаратах. 4

1.3 Классификация электрических аппаратов. 5

1.4 Внешние воздействия на электрические аппараты.. 7

1.5 Требования предъявляемые к электрическим аппаратам. 12

1.6 Основные материалы применяемые в аппарато-строении. 13

2 Правила выполнения и анализа электрических схем. 15

2.1 Классификация электрических схем. 15

2.2 Однолинейное и многолинейное изображение принципиальных электрических схем. 17

2.3 Условное изображение электрических аппаратов и других элементов электрических схем. 18

3 Основы теории электрических аппаратов. 20

3.1 Электродинамические, индукционные и электромагнитные явления в электрических аппаратах. 20

3.2 Нагрев и охлаждение электрических аппаратов. 25

3.3 Понятие коммутации электрических цепей. 32

3.4 Электрические контакты в электрических аппаратах. 32

3.5 Электрическая дуга постоянного и переменного тока в электрических аппаратах. 46

3.6 Способы гашения дуги. 54

3.7 Электромагнитные механизмы в электрических аппаратах. 60

3.8 Способы ускорения и замедления срабатывания. 63

4 Аппараты управления. 65

4.1 Контроллеры.. 65

4.2 Командоаппараты.. 67

4.3 Путевые выключатели, переключатели и микровыключатели. 69

4.4 Реостаты.. 70

4.5 Контакторы и магнитные пускатели. 71

4.6 Электрические реле. 79

5 Аппараты распределительных устройств низкого напряжения. 94

5.1 Рубильники и переключатели. 94

5.2 Предохранители. 96

5.3 Автоматические выключатели. 104

5.4 Карты селективности защит низкого напряжения. 116

5.5 Разрядники и нелинейные ограничители пренапряжения. 124

5.6 Устройства защитного отключения. 137

6 Электронные электрические аппараты.. 149

6.1 Полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, тиристоры и др.) их основные характеристики в ключевых режимах работы.. 149

6.2 Бесконтактные коммутационные электрические аппараты.. 154

6.3 Полупроводниковые и гибридные реле защиты.. 161

6.3 Микропроцессорные контроллеры.. 165

6.4 Программируемые логические контроллеры.. 166

Логические элементы.. 168

6.4 Регуляторы постоянного и переменного тока. 171

Общие сведения. 171

Устройства плавного пуска. 172

Частотные преобразователи. 173

7 Низковольтные комплектные устройства. 174

7.1 Типовые схемы низковольтных комплектных устройств. 174

7.2 Типовые схемы управления электроприемниками с асинхронными двигателями. 174

 

Общие понятия

1.1 Предмет и задачи дисциплины

В дисциплине «Электрические и электронные аппараты» изучаются коммутационные, ограничивающие, пускорегулирующие электрические аппараты, аппараты для измерения и защиты, используемые в системах электроснабжения, релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем, промышленных предприятий, жилых и общественных зданий.

Целями изучения дисциплин является изучение круга вопросов, необходимых при выборе и применении электрических аппаратов в практической деятельности бакалавра профиля «Электроснабжение», формирование представления о принципах устройства основных видов электрических и электронных аппаратов, понимания физических процессов, протекающих в них.

В ходе освоения дисциплины студенты должны изучить основные положения теории, устройства, принципы работы и области применения электрических и электронных аппаратов, как средств автоматического и неавтоматического управления режимами работы, защиты и регулирования параметров технических систем.

Внешние воздействия на электрические аппараты

Таблица 1.6 – Классификация взрывоопасных зон по газу

Зона 0	Зона 1	Зона 2
Зона, в которой взрывоопасная газовая смесь присутствует постоянно или в течение длительных периодов времени	Зона, в которой существует вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях эксплуатации	Зона, в которой маловероятно присутствие взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях эксплуатации, а если она возникает, то редко, и существует очень непродолжительное время

 

Таблица 1.7 – Классификация взрывоопасных зон по пыли

Зона 20	Зона 21	Зона 22
Зона, в которой горючая пыль в виде облака присутствует постоянно или частично при нормальном режиме работы оборудования в количестве, способном произвести концентрацию, достаточную для взрыва горючей или воспламеняемой пыли в смесях с воздухом, и/или где могут формироваться слои пыли произвольной или чрезмерной толщины. Это может быть облака внутри области содержания пыли, где пыль может образовывать взрывчатые смеси часто или на длительный период времени.	Зона, не классифицируемая как зона класса 20, в которой горючая пыль в виде облака не может присутствовать при нормальном режиме работы оборудования в количестве, способном произвести концентрацию, достаточную для взрыва горючей пыли в смесях с воздухом. Эта зона может включать кроме прочих, области в непосредственной близости от накопления пыли или мест освобождения и области, где присутствуют облака пыли, в которых при нормальном режиме работы может создаться концентрация, достаточная для взрыва горючей пыли в смесях с воздухом.	Зона, не классифицируемая как зона 21, в которой облака горючей пыли могут возникать редко и сохраняются только на короткий период или в которых накопление слоев горючей пыли может иметь место при ненормальном режиме работы, что может привести к возникновению способных воспламеняться смесей пыли в воздухе. Если, исходя из аномальных условий, устранение накоплений или слоев пыли не может быть гарантированно, тогда зону классифицируют как зону класса 21. Эта зона может включать, кроме прочих, области вблизи оборудования, содержащего пыль, из которого пыль может улетучиваться через места утечки и образовывать отложения (например помещения, в которых пыль может улетучиваться со станка (фрезы) и затем оседать).

 

Пример маркировки ГОСТ Р для Категории смеси II по газу в соответствии со стандартом ГОСТ Р 51330: 1ExdIIAT3

1	Ex	d	IIA	T3
Знак уровня взрывозащиты	Знак соответствия стандартам	Знак вида взрывозащиты	Знак подгруппы (категория смеси)	Знак температурного класса (группа смеси)

На сегодняшний момент данный вид маркировки взрывозащищенного оборудования является основным и применяется на все взрывозащищенное оборудование, применяемое та территории РФ и стран Таможенного Союза.

Уровни взрывозащищенности электрооборудования имеют в Российской классификации обозначения 2, 1 и 0:

· Уровень 2 – электрооборудование повышенной надежности против взрыва: в нем взрывозащита обеспечивается только в нормальном режиме работы. Применяется в зонах 2 и 22;

· Уровень 1 – взрывобезопасное электрооборудование: взрывозащищенность обеспечивается как при нормальных режимах работы, так и при вероятных повреждениях, зависящих от условий эксплуатации, кроме повреждений средств, обеспечивающих взрывозащищенность. Применяется в зонах 1 и 21;

· Уровень 0 – особо взрывобезопасное оборудование, в котором применены специальные меры и средства защиты от взрыва. Применяется в зонах 0 и 20.

При классификации взрывоопасных зон по ПУЭ для выбора уровня взрывозащиты используют таблицу 1.8.

Таблица 1.8 – Допустимый уровень взрывозащиты или степень защиты оболочки электрических аппаратов и приборов

Класс взрывоопасной зоны	Уровень взрывозащиты или степень защиты
Стационарные установки
В-I	Уровень 1, уровень 0
В-Iа, В-Iг	Уровень 2 - для аппаратов и приборов, искрящих или подверженных нагреву выше 80ºС Без средств взрывозащиты - для аппаратов и приборов, не искрящих и не подверженных нагреву выше 80ºС. Оболочка со степенью защиты не менее IР54
В-Iб	Без средств взрывозащиты. Оболочка со степенью защиты не менее IР44
В-II	Уровень 1, уровень 0
В-IIа	Без средств взрывозащиты. Оболочка со степенью защиты не менее IР54
Установки передвижные или являющиеся частью передвижных и ручные переносные
В-I, В-Iа	Уровень 1, уровень 0
В-Iб, В-Iг	Уровень 2
В-II	Уровень 1, уровень 0
В-IIа	Без средств взрывозащиты. Оболочка со степенью защиты не менее IР54

Виды взрывозащиты:

· методы взрывозащиты, направленные на снижение вероятности возникновения электрической искры. По данному методу реализуются следующее виды защиты: взрывозащита вида «е» (повышенная безопасность); взрывозащита вида «n»; взрывозащита вида «s» (специальный)

· методы взрывозащиты, направленные на изоляцию электрических цепей от взрывоопасных смесей. Метод подразумевает заключение электрических цепей в специальные оболочки, заполненные газообразным, жидкостным или твердым диэлектриком так, чтобы взрывоопасная смесь не находилась в контакте с электрическими цепями. По данному методу реализуются следующие виды взрывозащиты: взрывозащита вида «m» - заливка специальным компаундом; взрывозащита вида «о» - масляное заполнение оболочки; взрывозащита вида «a» - заполнение оболочки кварцевым песком; взрывозащита вида «р» - заполнение или продувка оболочки взрывобезопасным газом под избыточным давлением.

· методы взрывозащиты, направленные на сдерживание взрыва. По данному методу реализована взрывозащита вида «d» (взрывозащитная оболочка).
Данный метод подразумевает, что электрические цепи помещены в специальную прочную оболочку с малым зазором. При этом не исключается контакт электрических цепей с взрывоопасной смесью и возможность ее воспламенения, но при этом гарантируется, что оболочка сдерживает возникшее в результате взрыва избыточное давление, т.е. вспышка не выходит за пределы ограничений взрывонепроницаемой оболочки.

· ограничение мощности искры. По данному методу реализована защита вида «i» (искробезопасная цепь). Данный метод подразумевает, что в случае возникновения искры ее мощности будет недостаточно для воспламенения взрывоопасной смеси. Однако данный метод не исключает контакта взрывоопасной смеси с электрическими цепями.

По области применения оборудование делится на следующие группы:

· I - оборудование, предназначенное для применения в подземных выработках шахт, рудников, опасных в отношении рудничного газа и (или) горючей пыли, а также в тех частях их наземных строений, в которых существует опасность присутствия рудничного газа и (или) горючей пыли (категория смеси - I);

· II - оборудование, предназначенное для применения во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок (категория смеси - II по газу);

· III - оборудование, предназначенное для применения во взрывоопасных пылевых средах (категория смеси - II по пыли).

Существуют три подкатегории категорий II и III: A, B, C. Каждая последующая подкатегория включает (может заменить) предшествующую, то есть, подкатегория С является высшей и соответствует требованиям всех категорий – А, В и С. Она, таким образом, является самой «строгой».

Таблица 1.8 – Примеры взрывоопасных смесей

Взрывоопасные смеси	Классификация аппаратуры
Метан	Группа I (шахты)
Ацетилен	Группа IIC
Водород	Группа IIC
Этилен	Группа IIB
Пропан	Группа IIA
Металлическая пыль	Группа II
Угольная пыль	-
Зерновая пыль	Группа II

Категории взрывоопасности смеси детализируются в зависимости от температуры самовоспламенения взрывоопасных газов и смесей.

Классификация по температуре самовоспламенения указана в таблице 1.9. Температурный класс (группа смеси) указывает максимально допустимую температуру частей оборудования, которые контактируют со взрывоопасной смесью, при которой взрыва не происходит.

Таблица 1.9 – Классификация по температуре самовоспламенения

Группа смеси	Максимальная температура оборудования, °С	Температура самовоспламенения взрывоопасной среды, °С
Т1	до 450	свыше 450
Т2	до 300	свыше 300
Т3	до 200	свыше 200
Т4	до 135	свыше 135
Т5	до 100	свыше 100
Т6	до 85	свыше 85

 

1.4.4 Работа электрических аппаратов в пожароопасных зонах

Пожароопасная зона: часть замкнутого или открытого пространства, в пределах которого постоянно или периодически обращаются горючие вещества и в котором они могут находиться при нормальном режиме технологического процесса или его нарушении (аварии).

Классификации пожароопасных зон:

· зоны класса П-I - зоны, расположенные в помещениях, в которых обращаются горючие жидкости с температурой вспышки выше 61°C;

· зоны класса П-II - зоны, расположенные в помещениях, в которых выделяются горючие пыль или волокна с нижним концентрационным пределом воспламенения более 65 г/м3 к объему воздуха;

· зоны класса П-IIа - зоны, расположенные в помещениях, в которых обращаются твердые горючие вещества;

· зоны класса П-III - расположенные вне помещения зоны, в которых обращаются горючие жидкости с температурой вспышки выше 61°C или твердые горючие вещества.

Выбор степени защиты оболочки электрических аппаратов, устанавливаемых в пожароопасных зонах, ведется на основании требований раздела 7.4 ПУЭ.

Таблица 1.9 – Минимальные допустимые степени защиты оболочек электрических аппаратов в зависимости от класса пожароопасной зоны

Вид установки и условия работы	Степень защиты оболочки для пожароопасной зоны класса
	П-I	П-II	П-IIа	П-III
Установленные стационарно или на передвижных механизмах и установках (краны, тельферы, электротележки и т.п.), искрящие по условиям работы	IP44	IP54	IP44	IP44
Установленные стационарно или на передвижных механизмах и установках, не искрящие по условиям работы	IP44	IP44	IP44	IP44
Шкафы для размещения аппаратов и приборов	IP44	IP54 IP44	IP44	IP44
Коробки сборок зажимов силовых и вторичных цепей	IP44	IP44	IP44	IP44

 

Аппараты и приборы, устанавливаемые в шкафах, могут иметь меньшую степень защиты оболочки, чем указано в таблице 1.9 (в том числе исполнение IP00), при условии, что шкафы имеют степень защиты оболочки не ниже указанной в таблице 1.9 для данной пожароопасной зоны.

Требования предъявляемые к электрическим аппаратам

1. При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить значений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ или другим нормативным документов. При КЗ токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и динамическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ.

2. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую износостойкость.

3. Контакты аппаратов, предназначенных для отключений токов КЗ, должны быть рассчитаны на этот режим.

4. Изоляция электрических аппаратов должна выдерживать перенапряжения, которые имеют место в эксплуатации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вследствие осаждения пыли, грязи и влаги.

5. К каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, обусловленных его назначением. Так, например, выключатель высокого напряжения должен отключать ток КЗ за малое время (0,04 – 0,06 с). Трансформатор тока должен давать токовую и угловую погрешности, не превышающие определенного значения.

6. В связи с широкой автоматизацией производственных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе электрических аппаратов требует их резервирования и создания специальной системы поиска неисправностей. В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью.

7. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, необходимые для установки и обслуживания электрических аппаратов, должны быть минимальными.

Проводниковые материалы

Главным образом медь, сталь, алюминий, латунь применяются для соединительных проводников.

Требования предъявляемые к проводниковым материалам в контактных соединениях:

1. Обеспечение высокой проводимости.

2. Высокие механические свойства (твердость, прочность).

3. Дугостойкость (высокая температура плавления и испарения).

4. Стойкость против коррозии и наличие токопроводящей оксидной пленки.

5. Невысокая стоимость.

Магнитные материалы

Различные стали и сплавы применяются для изготовления магнитопроводов.

Ферриты, электротехнические стали.

Изоляционные

Для изоляции токоведущих частей друг от друга и от других частей электрического аппарата.

Текстолит, детинакс, электротехнический картон, ПВХ и др.

Дугостойкие изоляционные

Для изготовления устройств гашения дуги.

Асбест, керамика, различные пластмассы.

Контактные

Для увеличения высокой электрической износостойкости контактов

Серебро, платина, золото, молибден, вольфрам и его сплавы, металлокерамика (механическая смесь двух почти не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого).

Биметаллы

Два механически соединенных металла в виде пластины, с различными температурными коэффициентами расширения.

Применяются в автоматических аппаратах, используя линейное удлинение различных металлов при нагревании током.

Полупроводниковые материалы

Для изготовления электронных электрических аппаратов и бесконтактных электрических аппаратов.

Конструкционные материалы

Для изготовления корпусов и устройств обеспечивающих высокую механическую прочность электрических аппаратов.

 

Определение направления ЭДУ

Направление индукции B, создаваемой другим проводником, определяется по правилу буравчика, а направление усилия по правилу левой руки.

При определении направления усилия учитывается индукция, создаваемая всеми остальными проводниками, за исключением того проводника, для которого оно находится.

Линии магнитной индукции входят в ладонь, а пальцы направлены по направлению тока, большой палец указывает направление ЭДУ.

Термическая стойкость

Предельные температуры элементов аппаратов определяются свойствами примененных проводниковых, изоляционных и конструкционных материалов, длительностью температурных воздействий и назначением аппарата.

Способность аппарата выдерживать кратковременное тепловое действие тока КЗ без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью.

Токоведущие элементы аппарата, рассчитанные для длительного режима, должны быть проверены на термическую стойкость при КЗ.

Термический ток короткого замыкания:

где  – действующее значение периодической составляющей тока трехфазного короткого замыкания, кА;

T_a – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, с;

t_откл. – расчетная продолжительность короткого замыкания (время отключения), с.

Формулу можно использовать при условии:

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания:

где x _Σ, r _Σ – суммарные индуктивное и активное сопротивления цепи короткого замыкания, мОм;

ω_с – синхронная угловая частота напряжения сети, равная для 50 Гц –
314 рад/с.

Общие сведения

Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся проводники называются контактами или контакт-деталями.

Электрический ток проходит между контактами только в отдельных точках, в которых их поверхности касаются, потому что получить абсолютно гладкую поверхность не возможно.

Благодаря нажатию одно контакта на другой вершины выступов деформируются и образуются площадки действительного касания 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. Это сопротивление называется переходным сопротивлением стягивания контакта.

где ρ – удельное сопротивление материала контакта;

σ – сопротивление материала на смятие;

P_конт – сила контактного нажатия.

При многократном замыкании и размыкании сопротивление меняется, т.к. в каждом случае касание происходит в различных точках.

С ростом контактного нажатия переходное сопротивление уменьшается. При уменьшении нажатия зависимость идет ниже из-за наличия остаточных деформаций контактирующих выступов.

Сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой, т.к. при шлифовке поверхность выступов более пологая и смятие этих выступов возможно только при больших силах нажатия.

Переходное сопротивление обусловлено также наличием молекул газа, в котором располагались контакты до их замыкания. Часто молекулы газа вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверхности могут возникать пленки с высоким удельным сопротивлением.

.

Пленки особенно опасны для контактов на малые токи, т.к. при большом радиусе площадки касания их влиянием можно пренебречь. Поэтому контакты на малые токи изготавливаются из золота, платины и др. материалов не поддающихся окислению.

В сильноточных контактах пленка разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.

В процессе работы переходное сопротивление контактов не остается постоянным. При определенных значениях напряжений и температуры происходит электрический пробой пленки, после чего сопротивление контакта падает (фриттинг).

Для защиты контактов от воздействия окружающей среды они могут быть размещены в герметичном баллоне с инертным газом (герконы).

При увеличении тока через контакт увеличивается падение напряжения на контактном сопротивлении, возрастает температура контактной площадки, что вызывает увеличение сопротивления. Зависимость сопротивления контакта от напряжения называется R(U)-характеристикой контакта.

При температуре размягчения площадка касания увеличивается, а переходное сопротивление резко уменьшается при неизменном нажатии, если температура продолжает расти то площадка касания может расплавиться, чему соответствует напряжение плавления. Температура контакта не должна достигать температуры размягчения материала.

Режимы работы контактов

Включение цепи.

При включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы:

· вибрация контактов;

· эрозия на поверхности контактов в результате образования электрического разряда между ними.

Эрозия или физический износ – износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала.

Рассмотрим контактную систему контактора.

Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 и контактной пружиной 3. Неподвижный контакт 4 жестко закреплен на опоре. При включении контактора его электромагнит воздействует на рычаг 2, перемещение которого приводит к соприкосновению контактов 1 и 4. В момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и под воздействием приложенного к ним напряжения загорается электрическая дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начинает перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта, но уже на меньшее расстояние. Это называется вибрацией контактов. После нескольких циклов соприкосновения-отброса вибрация прекратится.

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к их сильному износу из-за оплавления и распыления материала контактов. В связи с износом контактов уменьшается усилие их нажатия во включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход контактов из строя.

Для уменьшения вибрации создается предварительная деформация контактной пружины при разомкнутых контактах. С ростом начального усилия нажатия вибрация контактов резко сокращается. Однако при чрезмерно большом начальном усилии вибрация может возрасти из-за недостаточной мощности включающего электромагнита. Увеличение жесткости контактной пружины также влияет на уменьшение вибрации. Однако это влияние слабее влияния предварительного натяга.

Иногда между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из пористого материала, например в виде губчатой резины. Этот материала способствует затуханию колебаний контакта и уменьшению его вибрации.

Как показали исследования, в низковольтных аппаратах время вибрации контактов не превышает 0,5-1 мс.

При включении на существующее КЗ вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания.

Контакты во включенном состоянии.

В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток КЗ.

В следующей таблице приведены температуры и падения напряжения в контакте.

Материал	Точка размягчения		Точка плавления
	Θ 1, °С	Uконт 1, В	Θ 2, °С	Uконт 2, В
Алюминий	150	0,1	658	0,3
Сталь	500	0,21	1530	0,6
Никель	520	0,22	1455	0,65
Медь	190	0,12	1083	0,43
Серебро	150	0,09	960	0,35
Кадмий	-	-	321	0,15
Вольфрам	1000	0,4	3370	1,0
Олово	100	0,07	232	0,13
Платина	540	0,25	1773	0,7
Графит	-	-	4700	5

 

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на переходном сопротивлении контакта было меньше U_{конт 1}.

При КЗ через контакты проходят токи, в 10-20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки поднимается практически мгновенно и может достигнуть температуры плавления.

Электродинамические силы, действующие между токоведущими деталями, необходимо использовать для повышения электродинамической стойкости контактов.

На первой схеме аппарата контактная пружина P должна создавать усилие 2 P ₁, и усилие P ₂ создаваемое вертикальными токоведущими деталями. На второй схеме электродинамическое усилие P ₂, действующее на перемычку, позволяет выбрать контактную пружину с меньшим усилием нажатия.

Отключение цепи.

В процессе размыкания контактов контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и за счет этого растет температура точек касания. В момент разъединения контакты нагреваются до температуры плавления и между ними возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает дуговой либо тлеющий разряд.

Высокая температура приводит к интенсивному окислению и распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов. Износ, связанный с окислением и образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом или коррозией.

Перенос материала с одного электрода на другой наиболее вреден при постоянном токе. Направление переноса в этом случае постоянно, что ведет к быстрому выходу из строя контактов.

Для существования дугового разряда необходимо, чтобы значения напряжения и тока превышали минимальные значения, приведенные в следующей таблице.

Материал	U 0, В	I 0, А	Материал	U 0, В	I 0, А
Платина	17	0,9	Вольфрам	17	0,9
Золото	15	0,38	Медь	12,3	0,43
Серебро	12	0,4	Уголь	18-22	0,03

 

Для борьбы с эрозией контактов на токи от 1 до 600 А:

· сокращается длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

· устраняются вибрации контактов при включении;

· применяются дугостойкие материалы контактов.

Для контактов на токи от долей ампера до нескольких ампер применяются схемные методы уменьшения эрозии.

При отключении ток протекает через шунтирующий резистор R_ш и сопротивление нагрузки R_н и электромагнитная энергия, накопленная в индуктивности, переходит в тепловую.

При включении цепи через диод протекает только небольшой обратный ток. При отключении на нагрузке (индуктивной) появляется ЭДС самоиндукции для которой диод оказывается открыт и он закорачивает нагрузку. Вся электромагнитная энергия выделяется в сопротивлении нагрузки.

Контактный промежуток шунтируется резистором R_ш, что облегчает гашение дуги и уменьшает износ контактов. Другой контакт полностью отключает цепь после отключения первого контакта.

Наличие конденсатора в четвертой схеме уменьшает ток, текущий через контактный промежуток и снижает скорость нарастания напряжения на контактах.

Материалы контактов

К материалам контактов предъявляются следующие требования:

· высокая электрическая проводимость и большая теплопро­водность;

· стойкость против коррозии в воздухе и других газах;

· стойкость против образования окисных плёнок с высоким удельным сопротивлением;

· малая твердость для уменьшения необходимой си­лы нажатия;

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

· малая электрическая эрозия;

· высокая дугостойкость (температура плавления);

· высокие значения тока и напряжения, необходи­мые для дугообразования;

· простота обработки, низкая стоимость.

Для контактных соединений применяются следующие материалы, свойства которых рассмот­рены ниже.

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

Недостатки: низкая температура плавления, на воздухе образуется плёнка прочных окислов, имеющих высокое сопро­тивление, требует больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. На главных контак­тах 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.

Серебро. Положительные свойства: высокая электропроводность и тепло­проводность, плёнка окислов серебра имеет малую механическую проч­ность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Устойчивость контакта и малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.

Отрицательные свойства: малая дугостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и при частых включениях и отключениях. Применяется при токах до 20 А.

Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокую электри­ческую 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 алюминия:образование на воздухе и в актив­ных средах плёнок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); малая механическая прочность; при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при механическом 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. Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии и сварива­ния. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатками вольфрама являются: высокое удельное сопротив­ление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большой силы на­жатия.