Режимы работы контактов

а) Включение цепи.При включении контактов могут иметь место следующие процессы:

1) вибрация контактов;

2) эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами

Рассмотрим природу вибраций на примере рис. 5. 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 сопротивления контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и загорается 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 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта.

Вибрация контактов - явление весьма вредное, поскольку при этом имеет место многократное образование короткой дуги, которая ведет к сильному сплавлению и распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается их взаимное нажатие в полностью включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход из строя контактов.

Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предварительную деформацию (натяг) при разомкнутых контактах. В момент касания контактов

сила нажатия возрастает не с нуля, а с величины предварительного начального нажатия контактов. В некоторых конструкциях между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из специального пористого материала типа губчатой резины. Этот материал увеличивает затухание колебаний контакта и способствует уменьшению вибраций.

На вибрацию контактов влияет также момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается. В связи с этим контакты должны быть возможно легкими.

С целью снижения вибраций, возникающих от удара якоря, магнитопровод с обметкой крепится не жестко, а на пружинах.

При включении на существующее короткое замыкание вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания. Для того чтобы не было сплавления контактов в момент их соприкосновения, необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электродинамические силы отброса и создать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению касания.

При включении цепи по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии произойдет пробой промежутка. В аппаратах НН пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами.

В дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако возникающие 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 окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией.

В аппаратах ВН при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов, особенно при включении на существующее короткое замыкание. За счет применения большого числа последовательно соединенных разрывов уменьшается напряжение, приходящееся на разрыв, что дает снизить время предварительного пробоя до безопасного значения.

б) Проведение тока во включенном состоянии.В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток КЗ.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на сопротивлении было меньше :

,

где К1 – точка размягчения материала;

К2 - точка плавления материала.

Для расчета контактов на небольшие токи используется эта формула. По заданному току и допустимому определяем , после чего находим необходимое контактное нажатие.

Для одноточечных контактов на большие токи

,

где:

Fk - сила нажатия;

- ток действующий;

В -число Лоренца ;

- число твердости по Виккерсу;

λ - удельная теплопроводность;

- температура точки касания;

- температура тела контакта.

Формула позволяет по заданному сразу найти , если известно соотношение

,

где:

- действующее значение тока;

- удельное сопротивление материала контактов;

- удельный коэффициент теплоотдачи;

- периметр сечения контактов;

q - сечение тела контактов;

- температура окружающей среды.

Температуру контактной точки можно определить, воспользовавшись, что для надежно работающих контактов не должна превышать 5 - 10°С.

Если имеется n контактных точек, то расчет проводится для одной контактной точки (ток ) и

При расчете динамической стойкости контактов

,

где:

I - ток электродинамической стойкости;

F - сила нажатия;

r - коэффициент, определенный экспериментально, и сведен в таблицу для различных материалов контактов.

Сваривание контактов зависит от конструкции самих контактов и токоведующей цепи аппарата. Электродинамические силы, возникающие в токоведущих частях, необходимо использовать для повышения устойчивости контактов.

в) Отключение цепи.При размыкании контактов сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и поэтому растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает либо дуговой разряд, либо тлеющей.

Это приводит к интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающее пространство, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок, что влечет износ контактов.

Износ, связанный с окислением, образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой называется химическим износом или коррозией. Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией и наоборот отрицательной эрозией.

Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависят от вида разряда и величины тока.

При срок службы контактов

,

где:

N - число допустимых отключении;

Vo - объем контакта, предназначенный на износ;

ν - плотность материала;

- эмпирический коэффициент износа;

- количество электричества, протекающего через промежуток за одно отключение.

Количество электричества, протекающего через дугу

и находится на осциллограмме.

При ориентировочных расчетах

,

где:

- значение тока в момент размыкания;

- время гашения.

При

,

где:

Q - износ контакта;

N - число отключений - включений (операций);

- ток отключения;

- эмпирический коэффициент; определенный: для различных материалов.

г) Способы уменьшения износа контактов.Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются:

1. сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств;

2. устранение вибрации при включении;

3. применение дугостойких контактных материалов.

Для контактов, управляющих токами от долей ампера до нескольких ампер, применяются схемные методы уменьшения эрозии. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схемы для уменьшения износа контактов

Вся электромагнитная энергия цепи при отключении выделяется в дуговом промежутке. Исследования показали, что чем меньше эта энергия, тем меньше эрозия контактов. В схеме рис. 3.2,а электромагнитная энергия, накопленная на индуктивности L , тратится в активных сопротивлениях r и R Искра отсутствует, если

Дуга отсутствует при условии

и берутся по таблице. Наличие резистора r увеличивает токовую нагрузку контактов, что является недостатком схемы. В связи с широким выпуском высококачественных диодов рекомендуется схема рис. 3.2,б. В этой схеме контакты нагружаются только током и обратным током диода D. При отключении магнитный поток в системе начинает падать. При этом обмотка будет закорочена на сопротивление диода в проводящем направлении. Для схемы рис. 3.2,в выполнено условие отсутствия искрового разряда, если

Однако с уменьшением r растет ток, который должен отключаться другими контактами для полного обесточивания цепи. Хорошие результаты дает схема рис. 3.2,г. Наличие конденсатора уменьшает ток между контактами, так как в

конденсатор ответвляется ток, равный ; где U - напряжение на контактах. Наличие емкости снижает скорость нарастания напряжения на контактах, в результате чего разряд может прекратиться. При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии конденсатора, разряжающегося на промежуток. Для ограничения тока разрядки ставится сопротивление r.

При правильном выборе r и C эрозия должна отсутствовать.

Для обеспечения гашения дуги и уменьшения обгорания контактов сильноточные аппараты (контакторы, автоматы, высоковольтные выключатели) снабжаются дутогасительными камерами.

С этой же целью подвижный контакт должен иметь определенную скорость движения и определенный ход в зависимости от конструкции аппарата и его номинального напряжения.