Жидкометаллические контакты

Наиболее характерные недостатки твердометаллических контактов следующие:

1. С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше резко увеличиваются габариты и масса аппарата в целом.

2. Эрозия контактов ограничивает износостойкость аппарата.

3. Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ контактные нажатия достигают больших значений, что увеличивает необходимую мощность привода, га­ариты и массу аппарата.

Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (ЖМК) (рис. 2.3). Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2. Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса запол­нены жидким металлом 4 и соединяются между собой от­верстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды 1 и 2, контактор включается.

По сравнению с твердометаллическими ЖМК обладают следующими преимуществами:

1. Малое переходное сопротивление и высокие допусти­мые плотности тока на поверхности раздела жидкий металл — электрод (до 120 А/мм²), что позволяет резко сократить габаритные размеры контактного узла и

Рис. 2.3. Контактор с жидкометаллическим контактом

контактное нажатие, особенно при больших токах.

1. Отсутствие вибрации, приваривания, залипания и окисления контактов при их коммутации.

2. Высокая механическая и электрическая износостойкость ЖМК, что позволяет создавать аппараты с боль­шим сроком службы.

3. Возможность разработки коммутационных аппаратов на новом принципе [автоматический восстанавливающийся предохранитель и др.] благодаря свойствам текучести жидкого металла.

5. Возможность, работы ЖМК при высоких внешних давлениях, высоких температурах, в глубоком вакууме.

К электрическим аппаратам обычно предъявляется требование сохранять работоспособность в интервале температур 40 . Очевидно, что жидкий металл должен сохранятьсвое состояние в. указанном интервале. Из известных материалов только ртуть находится в жидком виде при температуре ниже 0 °С и может быть в чистом виде пригодна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути существенно осложняет технологию ее применения.

В ЖМК перспективно применение диэлектрического или металлокерамического твердого каркаса, пропитанного жидким металлом.

Весьма перспективным является применение ЖМК в самовосстанавливающихся предохранителях.

Необходимо отметить и недостатки ЖМК:

1. Обычно применяемые контактные материалы галий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева контактов до момента включения, так как температура окружающей среды может быть ниже температуры затвердевания этих материалов.

2. Большинство аппаратов с ЖМК требуют определенного положения в пространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибраций), что затрудняет их применение.

2.2.6. Расчёт контактов аппаратов

Пример 1.Контакты образованы двумя торцами медных цилиндров с диаметром d=0,03 м. Определить контактное нажатие при длительном токе 1000 А и токе КЗ 30 кА. Температура окружающей среды ₀=40°С.

Необходимое контактное нажатие, Н, если исходить из длительного режима работы, по (3.10)

,

где = 1000 А; теплопроводность меди λ = Вт/( ); В=2,42х10^-8 (В/°С)²; HV — число твердости по Виккерсу, равное Па [18.2];

к_т = 12Вт/( ) (табл. 2.1).

Температура тела контакта

Т₀ = + 273 + ;

;

p = d = 0,03 = 9,45 ;

Согласно 3.2. Т_К - Т₀ = 5 – 10 К;

,

Необходимое контактное нажатие с учетом тока КЗ согласно (3.12) ; Торцевой контакт, образуемый касанием торцов двух стержней, может рассматриваться как пальцевый несамоустанавливающийся контакт. Согласно табл. 3.2 к₂=1300, следовательно,

;

Таким образом, данная система при контактном нажатии 382<3340 Н неустойчива при КЗ. Если во конструктивным соображениям контактное нажатие нельзя увеличить до 3440 Н, то надо либо переходить на розеточную или многопальцевую контактную систему, либо заменить медь на металлокерамику. Так, при использовании металлоке­рамики КМК-Б21 усилие 510 Н достаточно при ударном токе 76,6 кА.

Пример 2. Определить необходимое давление серебряных одното­чечных контактов. Длительный ток 10 А. Ток КЗ 100 А,

Для надежной работы контактов согласно (3.8)

R_К 0,5 U_К1

< 0, 5£/ _м.

Для серебра при U_К1 =0,09 В (табл. 3.1), U_{К ДОП} =0,045 В; R_К =0,045/10=0,0045 Ом.

Для одноточечного контакта при R_K=k₁/ ^1/2 [формула (3.3)], k₁= 0,006 (§ 3.1) =(k₁/ R_K) =(0,006/0,045) =1,68 Н.

Для ориентировочного расчета можно принять, что условия неприваривания для серебряных контактов такие, же, как и для медных, так как физические параметры материалов достаточно близки:

= 255 A; k₂= 1300 (табл. 3.2); = 255²/(169-10⁴*) = 0,0378 Н.

Поскольку контактное нажатие по номинальному току =1,68 Нбольше контактногонажатия, определяемого по току КЗ = 0,0378 Н, то выбираем нажатие =1,68 Н.