книги / Электрические аппараты. Общий курс
.pdfМатериал контактов |
Коэффициент k |
для сильноточных |
|
|
контактов, н1Н!/2*-Ом |
Медь |
3,16* 10—« |
Серебро |
1,58-10—* |
Олово . |
15,8-10-4 |
Латунь |
21,2-10-4 |
Сталь . |
24-10-4 |
Алюминий |
5,05-10-4 |
Коэффициент к для слаботочных контактов (реле),
Н^-Ом
0,014—0,0175
0,006
На основании математической обработки экспери ментальных материалов H. Е. Лысов предложил форму лы для Rn контактов, применяемых в аппаратах высоко го напряжения [Л .3-2].
Одноточечный контакт применяется в основном только при малых токах. При больших токах применя ется многоточечный контакт. Поскольку ток проходит через несколько контактных переходов, включенных па раллельно, переходное сопротивление уменьшается по сравнению с одноточечным контактом при неизменном нажатии. Однако нажатие в действительности в каждой контактной точке уменьшается. Количество контактиру ющих точек увеличивается с ростом силы нажатия по весьма сложному закону. Для такого контакта переход ное сопротивление выражается уравнением
Rn = Ш т . |
(3-4) |
Показатель т меняется от 0,7 до 1.
Сопротивление Rn зависит и от обработки поверхнос ти. Шлифовка ведет к тому, что на поверхности остают ся более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов возможно только при больших силах на жатия. Поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.
До сих пор мы рассматривали только переходное сопротивление, вызванное явлением стягивания линий
тока. |
|
|
|
|
|
поверхности |
|
В действительности контактирующие |
|||||||
покрыты адсорбированными молекулами |
газа, |
в кото |
|||||
ром располагались |
контакты |
до |
их замыкания. Очень |
||||
часто эти молекулы |
вступают |
в химическую |
реакцию |
||||
с материалом контактов, в результате |
чего на |
поверх |
|||||
ности металла |
могут возникнуть |
пленки с |
очень высо |
||||
ким удельным |
сопротивлением |
(до 104 |
Ом*м [Л .3-1]). |
Если напряжение замыкаемой цепи очень мало или на* жатие на контакты недостаточно, то иногда контакты вообще не пропускают тока.
Как только свежезачищенная поверхность контактов соприкасается с воздухом, сейчас же начинается процесс образования пленки и переходное сопротивление мо жет возрасти в десятки тысяч раз [Л .1-3].
Всвязи с этим контакты на малые точки (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).
Всильноточных контактах пленка окислов разруша ется либо благодаря большим нажатиям, либо путем самозачистки при включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.
При прохождении тока через область стягивания линий тока контакт нагревается.
Согласно [Л .3-1] превышение температуры в области стягивания Атк может быть найдено приближенно с по мощью формулы
Дтк = U\!8Яр, |
|
(3-5) |
где UK— падение напряжения на |
переходном |
сопро |
тивлении, равное IRn, X— удельная |
тепло |
|
проводность; р — удельное электрическое со |
||
противление материала |
контактов. |
|
Наибольшую температуру имеет площадка касания. По мере удаления от нее температура быстро падает. Протяженность области стягивания невелика и состав ляет (5—6) а.
Тепло, выделяющееся в области стягивания (I2Rnl2), распространяется по телу контакта и отдается в окру жающую среду через боковую поверхность тела контак та. При этом возникает дополнительный перепад темпе ратуры Дт, который может быть рассчитан по формуле из [Л. 1-9]
Дт = |
- 1 / 2£ п— — ------ . |
|
|
2 |
V %k ^s |
где kT — удельный |
коэффициент теплоотдачи с поверх |
|
ности тела; р |
и 5 — периметр и сечение тела |
|
контакта. |
|
|
При прохождении тока само тело контакта нагрева ется, и превышение температуры поверхности над окру жающей средой тт определяется в простейшем случае
уравнением (2-17). Температура площадки касания равна:
|
6к = @0 + Тт + |
Ат ~Ь |
+ |
|
||
Л ^2Р |
J__ L /2 D |
____ !______ ! |
(^п)2 . |
(3-6) |
||
^ |
2 |
п V |
T k ^ |
8*е |
||
|
С ростом температуры сопротивление стягивания из меняется из-за роста удельного сопротивления материа
ла. Теоретически Р. Хольм [Л. 1-3] получил: |
|
/?(0) = Я(О)(1 + у « А т к) , |
(3-7) |
где R (0)— сопротивление стягивания при температуре, равной температуре тела контакта 0о+тт.
При увеличении тока через контакт увеличивается падение напряжения UK=IR u- Согласно уравнению (3-5) возрастает превышение температуры контактной точки Лтк. Это в свою очередь вызывает увеличение со противления Ru согласно (3-7). Зависимость сопротивле ния Ru от напряжения UK называется R— ^-характери стикой контакта и показана на рис. 3-3.
Рис. 3-3. R—^-характеристика контакта.
Рис. 3-4. Токоведущая цепь контак тора в процессе включения.
При выводе (3-7) изменение прочности материала не учитывалось, поэтому оно дает хороший результат при температурах, не превосходящих температуру размягче ния материала. При температуре размягчения площадка касания увеличивается, а переходное сопротивление рез ко уменьшается при неизменном нажатии. Это состоя ние имеет место при t/K= .f/p, где Uv — напряжение ре
кристаллизации или размягчения материала. Если тем пература продолжает расти, то может быть достигнуто плавление точки касания, чему соответствует напряже ние плавления Нк=Х/Пл. В правильно рассчитанном кон такте температура не должна достигать температуры размягчения материала.
3-2. Режимы работы контактов
aï Включение напи. При включении контактов могут иметь место следующие процессы:
1)вибрация контактов;
2)эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами.
Рассмотрим природу вибрации на примере рис. 3-4. Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 через контактную пружину 3. Неподвижный контакт 4 жестко закреплен на опоре. Электромагнит контактора воздействует на рычаг 2. В момент соприкосновения кон тактов происходит удар, в результате которого происхо
дят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и загорает ся дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энер гию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под дей ствием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произой дет новый удар и новый отброс контакта.
Рис. 3-5. Вибрация контактов при замыкании цепи.
Рассмотрим этот вопрос более детально. Пусть контакты сопри коснулись в точке А (рис. 3-5, а). Напряжение на контактах стало равным нулю, ток достиг значения /. Считаем, что индуктивность Цепи равна нулю. После этого контакт продолжает двигаться вперед за счет инерции подвижных частей и деформации материала кон тактов/ В точке В контакт останавливается и начинается движение назад. Упругое восстановление деформации материала контакта прекращается в точке С, но контакт по инерции продолжает движе ние, пока не достигнет положения хк. После этого подвижный кон такт под действием пружины снова идет на замыкание и ток появ ляется в точке D. Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контактов равен xDi а за счет сил инерции хк. В точ ке tm контакты расходятся на расстояние, равное хк—Xd. Если Хв^ ^ х к, то, хотя вибрация и есть, она считается неопасной, так как размыкание контактов не происходит (рис. 3-5, а) после точки G.
Вибрация контактов — явление весьма вредное, поскольку при этом имеет место многократное обоазование короткой дуги, которая ведет. К сильному оплавлению, и .распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается их взаимное нажатие в полностью включенном положении, что приводит к повышению переходного со противления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход из строя контактов. Расчет вибрации контактов рассмотрен в [Л. 3-3].
Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предва рительную деформацию (натяг) при .разомкнутых контактах. В мо мент касания контактов сила нажатия возрастает не с нуля, а с ве личины предварительного начального нажатия контактов.
С ростом начальной силы нажатия контактов Вибрация их резко сокращается. Однако при чрезмерно большой начальной силе вибра ция может возрасти, так как при недостаточной мощности включаю щего электромагнита (привода) возможен отброс контактного рычага.
Увеличение жесткости контактной пружины способствует умень шению вибрации. Однако это влияние менее заметно, чем влияние предварительного натяга
В некоторых конструкциях между контактным рычагом и под вижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из спе циального пористого материала типа губчатой резины [Л. 3-4]. Этот материал увеличивает затухание колебаний контакта и способ ствует уменьшению вибрации ►
Увеличение тягового момента привода вначале уменьшает отброс, а затем отброс начинает возрастать. В первой области, очевидно, для данной начальной силы нажатия контактов тяговый момент не достаточен и отброс уменьшается с ростом момента. При дальней шем возрастании тягового момента увеличиваются разгон подвижно го контакта и его скорость в момент удара, что ведет к росту амп литуды отброса. В связи с этим недопустимо большое превышение тяговой характеристики над противодействующей характеристикой
(§ 5-71.
fia вибрацию контактов влияет также момент инерции, с рос том которого вибрация усиливается. В связи с этим контакты дол
жны быть возможно легкими. |
два случая. В первом включается |
|
На рис. 3-5, б |
рассмотрены |
|
цепь постоянного |
тока — кривая |
тока 7, во втором — переменного |
тока 2. Кривая 3 представляет изменение напряжения на контактах.
Время вибрации от удара контактов равно tu После удара якоря электромагнита, движущего контакт, о неподвижный сердечник снова появляется вибрация подвижного контакта. Вибрация от уда ра якоря длится t2. Поскольку к этому моменту времени ток в кон тактах достигает большой величины, то вибрация контактов особен но опасна [Л. 3-4]. С целью снижения силы удара якоря о сердеч ник тяговая характеристика электромагнита не должна значительно подниматься над противодействующей (см. § 5-7).
С целью снижения вибраций, возникающих от удара якоря, магнитопровод с обмоткой крепится не жестко, а на пружинах (§ 10-3).
Как показали исследования [Л. 3-3], допустимое время вибра ции не превышает 0,5—1,0 мс.
При включении на существующее короткое замыка ние вибрация контактов усиливается из-за возникнове ния отбрасывающих сил в точке касания (§ 1-6). Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их соприкосновения, необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электроди намические силы отброса и создать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивле нии не приводит к плавлению точки касания [уравнение (3-5)].
В аппаратах на большие токи короткого замыкания электродинамические силы в торцевых контактах (рис. 3-2) получаются столь большими, что контактные пружины должны развивать усилия в несколько тысяч ньютонов. Очевидно, что в подобных случаях необходи мо переходить к другой конструкции контактов, кото рая дает меньшую электродинамическую силу отброса (рис. 3-9, 19-5).
При включении цепи по мере приближения подвиж ного контакта к неподвижному возрастает напряжен ность электрического поля между контактами и при оп ределенном расстоянии произойдет пробой промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами (сотые доли миллиметра).
В дуговую форму разряд не переходит, так как под вижный контакт продолжает двигаться и, замыкая про межуток, прекращает разрядные процессы. Однако воз никающие при пробое электроны бомбардируют анод и вызывает его износ. Металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл.
Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т. е. испарение в окружаю щее пространство без изменения состава материала на-
Зывается физическим износом или эрозиейЭрозия при (*замыкании невелика, но при малых нажатиях и малых расстояниях между контактами она может повести к их спеканию [Л. 3-5].
В аппаратах высокого напряжения при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом воз можно сваривание контактов, особенно при включении на существующее короткое замыкание. За счет примене ния большого числа последовательно соединенных раз рывов уменьшается напряжение, приходящееся на раз рыв (см. § 19-2), что дает возможность снизить время предварительного пробоя до 0,005 с, которое признано
безопасным для масляных |
выключателей. |
|
б) |
Пооведение тока |
во включенном состоянии. В этом |
режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток короткого замыкания.
В табл. 3-1 приведены температуры и падения напря жения в контакте для двух характерных точек — точки размягчения материала 0i; t/Ki и точки плавления мате риала 02; £/к2. Для надежной работы контактов необхо димо, чтобы при номинальном токе /н падение напряже ния на сопротивлении Ru было меньше t/Ki [Л. 3-14] :
/н я „ < ^к.доп = (0,5 -4- 0,8) и к1. |
(3-8) |
Т аб л и ц а |
3-1 |
Температура и падение напряжения в контакте для точки размягчения и точки плавления материала
Материал ' |
|
01, °С |
< V B |
02, °С |
УК2-В |
Алюминий..................... |
|
150 |
0,1 |
658 |
0,3 |
Ж елезо......................... |
|
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 |
О л о в о .......................... |
|
100 |
0,07 |
232 |
0,13 |
П л ати н а ..................... |
|
540 |
0,25 |
1773 |
0,7 |
Графит......................... |
|
■■ |
|
4700 |
5 |
Д ля расчета контактов на небольшие токи использу ется формула (3-8). По заданному току / н и допустимо-, му значению напряжения £/к.доп определяем переходное сопротивление Rn, после чего находим необходимое кон тактное нажатие с помощью (3-3).
Для одноточечных контактов на большие токи Г. А. Кукековым [Л. 2-1] аналитически получена формула
|
|
, |
В п Дк*107 |
(3-9) |
|
|
F —/ - ----------- 5---------- |
||||
|
л к |
/н |
/ |
Т \ 2 * |
|
|
|
|
16Я2 (arccos |
|
|
где |
Z7*—сила натяжения, |
Н; |
|
|
|
|
/н— ток, действующее значение, А; |
|
|||
|
В— число Лоренца |
2,42»10~8 |
В2/(°С)2; |
|
|
|
Як — число твердости по Виккерсу [Л. 2-1]; |
|
|||
|
а —удельная теплопроводность, Вт/(м*°С) ; |
|
|||
|
Тк— температура точки касания, К; |
|
|||
|
Т0 — температура тела контакта, К. |
|
|||
|
Согласно (2-17J |
|
|
|
|
|
г " |
- ( 5 ' +в<+273) ’ |
(3-9а) |
||
|
|
||||
где |
/— действующее значение тока, А; |
Ом-м; |
|||
|
Р— удельное сопротивление материала контактов, |
||||
|
kg— удельный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С); |
р — периметр сечения контакта, м; q — сечение тела контактов, м2;
0о—температура окружающей среды, °С; обычно 0о=4О°С.
Результаты расчета силы FKпо этой формуле хорошо совпада ют с опытными данными.
Формула (3-9) позволяет по заданному току /н сразу найти не обходимое контактное нажатие FK, если известно отношение Т0/Тк. Температура тела контакта Г0 может быть легко найдена по (3-9а). Температуру контактной точки можно определить, воспользовавшись тем, что для надежно работающих контактов разность Тк—То не должна превышать 5—10° С.
Если имеется п контактных точек, то расчет проводится для од ной контактной точки (ток U/ri). Полная сила нажатия
FК.полн — Fкп•
При коротком замыкании через контакты проходят токи, в 10— 20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоян ной времени нагрева температура контактной площадки практиче ски мгновенно поднимается и может достигнуть температуры плав ления.
Аналитический расчет плавящего тока при коротком замыкании затруднен, так как существующие формулы не учитывают размягче ния материала при высокой температуре. Поэтому при практических расчетах контактов рекомендуется пользоваться опытными данными,
непосредственно связывающими сваривающий ток и силу нажатия. При расчетах электродинамической стойкости контактов хорошие результаты дает экспериментальная формула, полученная F. В. Бут кевичем [Л. 3-6]:
I < k V F , |
(3-10) |
где / —ток электродинамической стойкости |
(обычно берется амп |
литуда ударного тока), А; |
|
F— сила нажатия, Н. |
|
Значения коэффициента k приведены в табл. 3-2.
Сваривание контактов зависит от конструкции самих контактов и токоведущей цепи аппарата. Электродинамические силы, возника ющие в токоведущих частях, необходимо использовать для повыше ния устойчивости контактов. Так, например, при кинематической схеме рис. 3-6, а контактная пружина F должна создать силу 2Fb полученную расчетом с помощью (3-10), и силу F2, действующую на перемычку от вертикальных токоведущих частей.
Рис. 3-6. Использование э. д. у. контура для повышения динамиче* кой стойкости контактов.
При схеме рис. 3-6, б электродинамическое усилие F2, действую щее на перемычку, позволяет выбрать меньшую силу нажатия кон тактной пружины F.
В болтовом шинном соединении при коротком замыкании токо ведущий проводник нагревается до температуры 200—300°С.
Стягивающие стальные болты нагреваются в основном за счет теплопроводности, так как ток через болты практически не проходит. Температура болтов обычно не превосходит 20% температуры шин. Температурный коэффициент расширения у меди и алюминия значи тельно выше, чем. у стали, поэтому шины, увеличиваясь по толщине больше, чем удлиняются болты, растягивают их. При этом дефор мация болтов может перейти за пределы упругости. Тогда после от ключения цепи и остывания контакта из-за вытягивания болтов на жатие в контактах уменьшится, что приведет к увеличению его со противления, сильному нагреву и последующему разрушению.
Для того чтобы избежать пластической деформации шин, ста вятся соответствующие шайбы. Вследствие малой прочности алюми ниевых шин может произойти пластическая их деформация, что при ведет к порче контакта. Поэтому для стабильности .алюминиевого контакта необходимо либо производить предварительный обжим,
Коэффициент k для расчета динамической стойкости контактов
Тип контакта |
|
Материал |
ft, А/Н1/2 |
||
Щеточный |
............................. |
|
|
Медь—латунь |
950—1270 |
Пальцевый |
несамоустанавли- |
|
|
||
ваю щ ийся......................... |
|
|
Медь—медь |
1300 |
|
Пальцевый |
несамоустанавли- |
|
|
||
ваю щ ийся..................... |
|
„ |
Латунь—медь |
1200 |
|
Пальцевый |
несамоустанавли- |
|
|
||
вающийся |
|
|
|
Латунь—сталь |
1520 |
Пальцевый |
несамоустанавли- |
|
|
||
ваю щ ийся..................... |
|
.... |
Латунь |
1600 |
|
Пальцевый |
самоустанавливаю- |
|
|
||
щийся .................................. |
|
|
|
Медь—латунь |
1820 |
Розеточный |
(на |
один элемент |
|
|
|
розетки) |
............................. |
|
|
Медь—латунь |
1740 |
Розеточный |
(на |
один |
элемент |
|
|
розетки) |
.............................. |
|
|
Медь—-медь |
1900 |
уплотнение шин, либо ставить под гайки пружинящие шайбы или специальные пружины, которые ограничивают деформации элемен тов контактов. Расчет шинного болтового соединения при коротком замыкании приведен в [Л. 1-5].
в] Отключение цепи. При размыкании контактов сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление воз растает, и поэтому растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достига ет температуры плавления и между контактами возни кает мостик из жидкого металла. При дальнейшем дви жении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает либо дуго вой разряд (табл. 3-3), либо тлеющий.
При возникновении дугового разряда температура катодного и анодного пятен дуги достигает точки плав ления материалов. Высокая температура контактов при водит к их интенсивному окислению, распылению мате риала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образова нию пленок. Все это влечет за собою износ контактов.
Износ, связанный с окислением, образованием на