Понятие коммутации электрических цепей

 

Электрические контакты в электрических аппаратах

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.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют окисных плёнок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с иридием, молибденом или палладием.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полно­стью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.

Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии. Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контак­тов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими ме­таллами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переход­ного сопротивления контакта в качестве второго компонента используют серебро или медь. Наиболее распространёнными композициями металлокерамики являются: серебро – вольфрам; серебро – молибден; серебро – никель; серебро – окись кадмия; серебро – графит; серебро – окись меди и др.