книги / Электрические аппараты автоматического управления
..pdf§ 4.3. ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ГАШЕНИЕ ЕЕ
Принципиальной разницы между дугой постоянного и пере менного тока нет. Однако род тока накладывает свои особенности в отношении гашения дуги. Основной особенностью дуги пере менного тока является то, что ток ее 2/ раз (где f частота тока) в секунду проходит через 0, точки а, Ъ (рис. 4.10). Это обстоя
тельство решающим образом облегчает гашение дуги перемен ного тока. Когда ток дуги проходит через нуль, энергия дуги ста новится равной 0, происходит деионизация дугового промежутка, и если извне усилить этот процесс деионизации, что и делают ду гогасительные устройства выключателей, то дуга после прохож дения тока через 0 вновь не загорится, погаснет. С точки зрения гашения различают дуги переменного тока: открытую, короткую и длинную.
Открытая дуга переменного тока гасится без участия специ альных дугогасительных устройств. Ее вольт-амперная характе ристика приведена на рис.-4.11. Из этой характеристики следует, что в открытой дуге после прохождения тока дуги через 0 дуговой промежуток мало деионизирован, и с ростом напряжения почти пропорционально (вначале) растет ток дуги. Это свидетельствует о том, что открытая дуга переменного тока по трудности гашения близка к дуге постоянного тока и, чтобы ее погасить, необходимо растянуть до критической длины. Маломощные открытые дуги, например на контактах бытовых выключателей, рубильников и т. д., гасятся простым разрывом дуги на воздухе. Мощные откры тые дуги, например на линиях высокого напряжения, можно по гасить только путем снятия напряжения. После снятия напряже ния дуга гаснет, дуговой промежуток деионизируется. Если вновь подать напряжение на линию, то дуга, как правило, не загорает ся, и линия продолжает работать. На практике это делается так:б
б В. П. Красин
защита отключает линию или другой объект, и дуга гаснет, а за тем через 0,8—1 сек срабатывает АПВ (автомат повторного включения) и подается напряжение на объект, на котором была дуга, и он удерживается в работе.
Короткая дуга переменного тока имеет длину 1,5—2 мм. В электрических аппаратах, как правило, имеют место длинные дуги, т. е. дуги длиной больше, чем 2 мм. Поэтому на практике короткие дуги получают искусственно. Для этого длинную дугу разбивают на короткие дуги с помощью металлических пластин.
Если взять несколько пластин и расположить их на расстоя нии 1,5—2 мм друг от друга, то дуга, будучи затянута между этими пластинами, разобьется на ряд коротких дуг (см. рис. 4.9, а). Известно, что всякий дуговой промежуток после прохож дения тока дуги через 0 обладает начальной электрической проч ностью. Поэтому дуга может загореться вновь после прохожде ния тока дуги через нуль только в том случае, если восстанавли вающееся напряжение на дуговом промежутке станет равным или больше начальной электрической прочности дугового промежутка. Этим свойством обладает также и дуговой промежуток короткой дуги. Поэтому если обозначить начальную электрическую проч ность одного дугового промежутка через Uнач» ТО При НаЛИЧИИ АТ таких промежутков начальная электрическая прочность составит
£ЛтчСГ=АтС/цач- |
(4.6) |
Это свойство и положено в основу гашения дуг переменного тока путем разделения их на короткие дуги. Когда дуга разбита на короткие дуги, то восстанавливающееся напряжение на дуговом промежутке после прохождения тока дуги через 0 должно достиг нуть значения не UHA4l a nUUA4t чтобы дуга загорелась вновь, а так как п находится в распоряжении конструктора, то, прини мая соответствующие п, можно добиться того, что дуга после прохождения тока через 0 вновь загораться не будет, т. е. погас нет, и таким образом цель будет достигнута.
Возникновение начальной электрической прочности Uилч дуго вого промежутка связано с тем, что после прохождения тока дуги через 0 у катода появляется положительный объемный заряд. Чтобы дуговой промежуток стал проводить ток вновь, необхо димо разрушить этот объемный положительный заряд, т. е. при ложить напряжение, которое бы его разрушило.
Начальная электрическая прочность дугового промежутка t/„aMможет достигать 300 в, однако для определения числа п про межутков берут самый неблагоприятный случай и принимают (У„ач=100 в. Гашение дуг в аппаратах низкого напряжения пере менного тока (контакторы, пускатели и т. д.) основано на исполь зовании начальной электрической прочности дугового промежут
ка коротких дуг после прохождения тока дуги через 0. Для этого аппараты снабжаются дугогасительными решетками, состоящими из нескольких стальных омедненных пластин (рис. 4.9, а). Сталь ная омедненная пластина представлена на рис. 4.9,6. Число ко ротких дуг — дуговых промежутков можно определять по выра жению
U /72 л |
’ |
(4.7) |
|
тг= 1,25 ~Т] |
|
||
^иач |
|
|
|
где Um:i — линейное амплитудное |
значение напряжения |
сети, |
|
в которой установлен аппарат; |
|
||
^ н а ч — 1 0 0 в; |
|
|
|
п — число дуговых промежутков. |
|
||
Число пластин |
|
|
|
k'=ti-\-\. |
|
(4*8) |
Короткая дуга в смысле гашения отличается от открытой дуги тем, что она гасится в условиях интенсивной деионизации дуго вого промежутка, поэтому ее вольт-амперная характеристика (рис. 4.12) будет отличаться от подобной характеристики откры той дуги.
Как следует из рис. 4.12, короткая дуга характеризуется тем, что после прохождения тока дуги через 0 дуга не загорается, пока восстанавливающееся напряжение на дуговом промежутке не достигнет величины U3, равного величине начальной электри ческой прочности nUuач дугового промежутка. Как говорят, ко роткая дуга гасится в условиях интенсивной деионизации дуго вого промежутка в отличие от открытой дуги, в дуговом проме жутке которой нет интенсивной деионизации после прохождения тока дуги через 0. В этом отличие гашения короткой дуги от га шения открытой.
Длинная дуга переменного тока может достигать нескольких сот мм и имеет место в электрических аппаратах высокого напря жения. Так как длинная дуга горит в цепях высокого напряжения, то напряжение на ней может достигать тысяч и десятков тысяч вольт на один промежуток. Понятно, что в этих условиях началь ная электрическая прочность промежутка, достигающая 300 в, не может иметь существенного значения. Поэтому процесс де ионизации дугового промежутка длинной дуги сводится к охлаж дению газов, образующих дуговой столб, и распаду дугового столба. Этот процесс осуществляется с помощью дугогасительных устройств, которыми снабжаются выключатели. Распад дугового столба протекает особенно интенсивно в момент прохождения тока дуги через 0. Если же в это время будет действовать дуго гасительное устройство, то может произойти настолько глубокая
деионизация (охлаждение до 4000° К) дугового промежутка, что дуга после прохождения тока через 0 не загорится вновь,— по гаснет. Так как гашение длинной дуги происходит в условиях ин тенсивной деионизации дугового промежутка, то вольт-амперная характеристика ее будет такой же, как и для короткой дуги, т. е.
Рис. 4.12 Рис. 4.13
такой, как это представлено на рис. 4.12. Охлаждение длинной дуги осуществляется с помощью либо продольного, либо попереч ного дутья (рис. 4.13).
На рис. 4.13 а продольное дутье, Ь — поперечное. Газы, кото рыми обдувается дуга, должны содержать значительный процент (до 60%) водорода, так как он обладает высокой теплопровод ностью и низкой температурой диссоциации. При гашении длин ных дуг используются различные тела: жидкие (трансформатор ное масло, вода), твердые (фибра, органическое стекло, вини пласт), газообразные (сжатый воздух). Однако независимо от физического состояния в исходном положении в момент гашения дуги все они становятся газообразными, гак как превращаются в газ за счет тепловой энергии дуги. В плавких предохранителях весьма широкое применение для гашения дуги получил кварце вый песок. Кварцевый песок должен быть сухим (абсолютная сухость до 95%), в противном случае влага, испаряясь, будет создавать давление пара, которое может разрушить предохра нитель.
§ 5.1. ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ
Электрическим контактом называется место перехода тока из одного токоведущего элемента в другой. Имеется большое раз нообразие форм и конструкций контактов, однако для всех них общим является параметр — переходное сопротивление контакта. Контакт — нежелательный элемент аппарата или установки, но без него обойтись нельзя. Чем меньше контактов в схеме, тем она лучше.
Переходное сопротивление представляет собой электрическое сопротивление, имеющее место в переходном слое между поверх ностями, образующими контакт. Переходный слой представляет собой сложное образование, которое возникает при смятии высту пов, когда сжимаются две контактные поверхности. Если посмот реть через микроскоп даже на хорошо обработанную поверхность, то можно видеть, что эта поверхность будет иметь выступы и впа дины (рис. 5.1). При наложении поверхности / и // одна на дру
гую они соприкасаются не всей площадью, а лишь вершинами выступов. Для того чтобы контактные поверхности касались друг друга не вершинами выступов, а контактными площадками, для этого необходимо с помощью силы нажатия F смять бугорки, об разовав из них контактные площадки а, б, в (рис. 5.2).
Таким образом, электрический контакт есть результат смятия бугорков поверхностей, образующих контакт, и превращения этих бугорков в контактные площадки. Поэтому контактная площадь контакта и площадь контакта это не одно и то же. Контактная площадь S равна сумме площадок, полученных в результате смя тия бугорков. Площадь контакта S' равна площади, которой одна контактная поверхность налагается на другую. Общая контакт ная площадь может быть определена из выражения
(5.1)
о
где F — сила нажатия, кГ\
о — временное сопротивление смятию материала контактов,
кГ/см2;
S — контактная площадь, см2.
В основу количественного определения переходного сопротив ления контактов положено переходное сопротивление контактной точки. Если взять конус (рис. 5.3) и поставить его вершиной на плоскость, а затем подействовать на него силой F, то произойдет
Рис. 5.3
смятие вершины, в результате чего образуется площадка а. Эту площадку а называют контактной точкой. Переходное сопротив ление контактной точки считают равным
R = |
(5.2) |
f F
где С — постоянная, зависящая от материала и конструкции кон такта.
Если контакт имеет п контактных точек, то сила, приходящая-
F
ся на одну точку, будет равна — , и переходное сопротивление одной контактной точки в этом случае будет
R i = |
С |
(5.3) |
|
|
i |
Общее переходное сопротивление такого многоточечного контакта
выразится так: |
С |
R1 |
Rn = |
С |
(5.4) |
|
|
fn F |
Многоточечным контактом, имеющим п контактных точек, счи тается щеточный контакт. В этом случае имеют в виду, что каж дая пружина щеточного контакта имеет хотя бы одну контактную точку, а так как пружин в контакте п, то и контактных точек как минимум п. В плоских контактах число контактных точек про порционально силе нажатия ti = aF, где а — постоянная величина. Тогда уравнение (5.4) будет записано в виде
У a/72 |
У а-/7 |
(5.5) |
F |
Исследования показали, что общим выражением переходного' сопротивления для различных контактов будет
С |
(5.6) |
R n — рт * |
Представление о значении С дает табл. 5.1, а об т — табл. 5.2.
Табл. 5.1. Значение постоянной С |
Табл. 5.2. Значение постоянной т |
М атериал контактов
Медь-медь
Луженые медные контакты
Медь-латунь Серебро-серебро
Алюмннпй-алюмп-
инн
Сталь-сталь Сталь-медь Сталь-серебро
С |
Вид контакта |
|
|
0(0,94-0,14) 10-3 |
Плоскость-плоскость |
I |
|
(0,07-4-0,1) Ю-*1 |
Острие-плоскость |
0,5 |
|
0,03-10-3 |
Шар-плоркость |
0,5 |
|
0,06-ю - 3 |
Шар-шар |
0,5 |
|
(3—6,7) 10-3 |
|||
|
|
||
4,76-10-3 |
Щетка многопластннчатая- |
|
|
3,1. ю - 3 |
плоскость |
1 |
|
0,06-10-3 |
|
|
Зависимость переходного сопротивления от силы нажатия на контакт будет такой, как это представлено на рис. 5.4. Кривая здесь в общем виде представляет гиперболу вида
RnFm = C. |
(5.7) |
Из этой кривой следует, что вначале при небольшом изменении силы нажатия переходное сопротивление резко падает, а затем
это изменение становится небольшим. Написанные выше соотно шения справедливы в том случае, когда контакты не окислены. В случае, если контакты окислены, то значение С сильно возрас тет, и переходное сопротивление не поддается аналитическому
определению. |
Окислению кон |
||||
такта в сильной мере способ |
|||||
ствует |
нагревание |
контакта. |
|||
С ростом |
температуры |
и осо |
|||
бенно |
при температурах |
выше |
|||
75° С |
кислород воздуха |
повы |
|||
шает свою активность и уси |
|||||
ленно |
способствует |
окислению |
|||
контактов. |
Зависимость |
пере |
|||
ходного сопротивления контак |
|||||
та от температуры в пределах |
|||||
до 200°С будет такой: |
|
||||
Rno=Rno ( 1+ -f-ae) |
(5.8) |
||||
где RnQ — переходное сопротивление контакта |
при температуре |
||||
0° С, ом; |
|
|
|
|
|
Rno— переходное сопротивление при 0°С, ом;
а— температурный коэффициент сопротивления материа ла контакта, 1/°С;
0 — температура контакта, °С.
§5.2. РАБОТА КОНТАКТОВ В НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ И ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ
Внормальном режиме контакт нагревается до установившей ся температуры. В этом случае имеет место тепловое равновесие. Мощность электрической энергии, превращающейся в контакте
втепло, будет равна
P = I2R„, |
(5.9) |
где Р — электрическая мощность, превращающаяся |
в тепло, вт; |
I — ток, проходящий через контакт, а\ |
|
Rn — переходное сопротивление контакта, ом. |
|
Выделяемая мощность Р в контактном слое в виде тепла рас сеивается в окружающую среду. Пути рассеивания тепла в окру жающую среду зависят от конструкции контакта. В общем слу чае установившаяся температура контакта при равных прочих условиях будет ниже у того контакта, у которого поверхность охлаждения является более развитой. При конструировании кон тактов это обстоятельство должно учитываться.
Режим короткого замыкания является наиболее характерным аварийным режимом. При протекании тока короткого замыкания через контакт в связи с кратковременностью этого режима все тепло, выделяемое в переходном слое, идет на повышение его температуры. Так как токи короткого замыкания могут превос ходить токи нормального режима в десятки и сотни раз, то за короткое время может выделиться большое количество тепла, и если контакт не рассчитан на такой режим, то он может разру шиться.
Наиболее тяжелым повреждением для контактов, которые должны отключать электрические цепи, является их сваривание.
Минимальный ток, при котором может иметь место сварива ние контакта, называется сваривающим током. Согласно опыт ным данным, сваривающий ток может быть определен по выра жению
/ св—к У F, |
(5.10) |
где / Св — сваривающий ток, а; |
|
F — сила нажатия, кГ |
|
Представление о величине k дает табл. 5.3. |
|
Табл. 5.3. Значение коэффициента k |
|
Материал контакта |
h |
Медь-латунь |
3,8 • 103 |
Медь-медь |
4,1 • 103 |
Алюмпнии-латунь |
5,05* 103 |
На величину сваривающего тока оказывают влияние электро динамические силы, возникающие в контакте между поверхно стями. Природа этих сил может быть пояснена на рис. 5.5. Если взять две поверхности, образующие контактную площадку, и представить ток в виде линий, то можно наблюдать, что одни ли нии тока проходят нормально к контактной площадке, а другие вынуждены искривляться и стягиваться к ней. Дело в том, что на некотором удалении от контактной площадки линии тока рас пределены равномерно и параллельны между собой. Вблизи же контактной площадки линии тока вынуждены искривляться и стя гиваться к этой площадке. Как следует из рис. 5.5, направления токов на участках а и Ь и с и d противоположны друг другу. Известно, что проводники с противоположными токами отталки ваются, т. е. имеет место возникновение электродинамических сил F Они стремятся оттолкнуть одну контактную поверх-
ность от другой, т. е. действуют противоположно силе нажатия F, что приводит к ухудшению контакта. Поэтому при конструиро вании контактов необходимо учитывать это обстоятельство.
Величина электродинамической силы для точечных контактов может быть определена из зависимости
F:)= Iy In О0 10~8 кГ, |
(5.11) |
где /у — ударный тик короткого замыкания, а; FD— электродинамическая сила, кГ;
S — сечение контакта в том месте, где нет искривления ли ний тока, см2;
So — действительная площадь касания контактов, см2.
Для многоточечных контактов |
|
|
I 2 |
с |
|
П |
In Оо 10-8 кГ, |
(5.12) |
где п — число контактных точек |
|
|
|
S > S 0. |
(5.13) |
При конструировании контактов необходимо добиваться, что |
||
бы э. д. с. F:) была значительно меньше силы нажатия, т. е. |
|
|
|
FO4ZF |
(5.14) |
Электродинамические силы начинают становиться заметными с величины тока 3000 а и выше. Для малых токов они незначи