Электрические контакты, режимы их работы

Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся проводники называются контактами или контакт-деталями.

Контакт является одним из основных элементов электроаппаратуры, от конструктивного исполнения и состояния которого в значительной степени зависит надежность работы электроустановки.

Различают два основных вида контактных соединений: неподвижные – для жесткого соединения токоведущих частей и подвижные, контактные поверхности которых замыкают или размыкают электрические цепи.

Основным материалом для изготовления контактов является медь. Контакты, предназначенные для работы в ответственных установках с тяжелым режимом работы, имеют напаянные серебряные пластины.

Большое применение в качестве контактного материала, особенно в крановом электрооборудовании, нашла металлокерамика. Этот материал состоит из серебра с примесью 15% окиси кадмия и обозначается СОК – 15. Контакты из керамики обладают малым и стабильным электрическим сопротивлением, повышенным сопротивлением электрическому износу и привариванию при относительно больших значениях тока и небольших нажатиях на контакты. Сопротивление контакта обратно пропорционально силе нажатия.

Для медных контактов оптимальное значение усилия нажатия, обеспечивающее малую величину переходного сопротивления, составляет приблизительно (50-100) кг/см².

При размыкании контактов под нагрузкой вследствие действия ЭДС самоиндукции и ионизации воздушного промежутка между контактами возможно возникновение электрической дуги, которая вызывает оплавление или подгорание контактов.

Для защиты контактов от действия дуги и сокращения времени ее действия применяют различные дугогасительные приспособления и устройства.

Гашение дуги может быть осуществлено с помощью роговых разрядников. При этом способе электрическая дуга под действием потока горячего воздуха, перемещающегося вверх, поднимается по расходящимся рогам, удлиняется, обрывается и гаснет.

Контакты часто размещают внутри асбоцементной камеры, которая охлаждает дугу и препятствует ее распространению на соседние камеры.

В стенках асбоцементной камеры часто устанавливают деионную решетку, состоящую из ряда изолированных друг от друга луженых стальных пластин. При размыкании контактов возникшая дуга индуцирует в пластинах вихревые токи. Созданный этими токами магнитный поток смещает дугу в сторону пластин, затягивает внутрь решетки, где дуга рассекается на мелкие части, быстро охлаждается и гаснет.

Для гашения дуги широко используют и другие способы: дугогасительные катушки, минеральное масло, сжатый воздух и др.

К режимам работы контактов относятся:

· включение цепи;

· контакты во включенном состоянии;

· отключение цепи.

В режиме включения цепи в контактных системах электрических аппаратов могут иметь место следующие процессы: вибрация контактов и эрозия на поверхности контактов.

На рис. 3.1 показан процесс вибрации при включении контактов.

В точке А контакты соприкоснулись и напряжение на них (U) стало равным нулю, а ток стал равным I. После касания подвижный контакт продолжает движение за счет инерции подвижных частей и деформации материала контактов. В точке В контакт останавливается и начинает двигаться в противоположную сторону за счет упругих сил, возникающих из-за деформации контактов. Этот процесс продолжается до точки С, в которой цепь разрывается, ток становится равным нулю, но контакт не останавливается, а продолжает движение по инерции до положения X . После этого подвижный контакт под действием пружины снова стремится замкнуться, и ток появляется в точке D. Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контакта равен X , а за счет сил инерции - X . За время tm контакты расходятся на расстояние, равное X – X . Если X > X , то вибрация контактов не приведет к их размыканию (после точки G).

Рис. 3.1. Вибрация контактов при замыкании цепи:

а – процесс вибрации контактов на активную нагрузку;

б – зависимость контактного нажатия

от перемещения подвижного контакта

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к сильному износу контактов из-за плавления и распыления материала контактов. В связи с этим принимают различные конструктивные решения для уменьшения вибрации.

В процессе включения по мере приближения подвижного контакта к неподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами. При определенном расстоянии между контактами произойдет пробой межконтактного зазора. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами. Электрическая дуга при пробое не возникает, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом – анод, и его материал переходит на катод, откладываясь на нем 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. Эрозия при замыкании контактов невелика, но при малых нажатиях и малых межконтактных зазорах она может привести к их привариванию.

Во включенном состоянии контактов рассматриваются два режима: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток короткого замыкания.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе I падение напряжения на переходном сопротивлении R было меньше падения напряжения в контакте для точки размягчения материала , т. е.

. (3.1)

Вероятность приваривания контактов зависит от их конструкции и от всей токоведущей цепи аппарата. Электродинамические силы, действующие между токоведущими деталями, используют для повышения электродинамической стойкости контактов.

Так, например, при кинематической схеме аппарата представленной на рис. 3.2, а контактная пружина должна создавать усилие 2 , которое можно рассчитать по формуле:

, (3.2)

где - ток электродинамической стойкости (амплитуда ударного тока), А;

- контактное нажатие (усилие), Н;

- эмпирический коэффициент.

а б

Рис. 3.2. Использование ЭДУ контура для повышения

динамической стойкости контактов

При кинематической схеме (рис. 3.2, б) электродинамическое усилие (ЭДУ) , действующее на перемычку, позволяет выбрать контактную пружину с меньшим усилием нажатия.

В режиме отключения цепи 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.

Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией, а в обратную сторону – отрицательной. Мерой эрозии является потеря массы и объема контакта.

Для борьбы с эрозией контактов на токи от 1 до 600 A принимаются следующие меры:

· сокращение длительности горения дуги с помощью дугогасительных устройств (ДУ);

· устраняются вибрации контактов;

· применяются дугостойкие материалы контактов.