Електричні апарати

В окремих точках шороховатості, де є виступи, вони дотикаються між собою. Збільшення сили контактного нажиму веде до збільшення кількості таких місць. Фактично розміри місць дотикання виступів порядка 2 - 3 мкм. Плівка має товщину ~ 10^-8 м, і ~ 10⁵ Ом·см. Вона займає основну площу поверхні контакту.

При замиканні контактів виникає явище, що називається фритинг. Якщо на контактах із ізолюючою плівкою підвищувати напругу, то перехідний опір, що вимірюється МЕГАОМАМИ буде зменшуватись. Вольт-амперна характеристика контакту в цьому стані нагадує характеристику напівпровідникових приладів.

При досягненні напругою деякого значення, що називається напруга фритинга, перехідний опір різко зменшується. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням тонкого металічного провідника в ній. Цей металічний провідник може лишитись і після зняття напруги.

Як уже відмічалось, перехідний опір контактів - це опір, що визначається опором звужених ділянок, по яких проходить струм до площадок стискування, а також опором плівок на поверхні контактів або опором вузьких металічних перешийків, що виникли від фриттинга.

Повний опір областей зтягування ліній струму для двох контактуючих одноточкових електродів, як відмічалось, виражається формулою (6.2).

Для багатоточкового контакту ( - точок):

 (РР включено опорів). (6.2.а)

Для опору зтягування (а це - опір двох контактуючих електродів)

(6.5)

Формула випливає із залежностей (6.1), (6.2.а),

де - опір контактного матеріалу зім'яттю.

=2 - для лінійного контакту; =3 - для площинного контакту;

- сила натискання в контактах;

~10ч10⁴ мкОм (=40Н); 2ч2·10² мкОм (=240 Н).

6.3 Матеріали контактів. Вимоги до них

До матеріалів контактів сучасних електричних апаратів ставляться вимоги:

1. Висока тепло- і електропровідність;

2. Висока корозійна стійкість в повітрі та інших середовищах;

3. Стійкість проти утворення плівок з високим опором електриці;

4. Мала твердість для зменшення необхідної сили натискання;

5. Висока твердість для зменшення механічного зношування при частих вмиканнях і вимиканнях;

6. Висока дугостійкість (висока температура плавлення);

7. Мала ерозія;

8. Високі значення струму і напруги необхідні для дугоутворення;

9. Простота обробки, низька вартість.

Вибір контактних матеріалів обумовлений тим призначенням, яке має даний апарат і відповідні контакти.

Найбільш широко використовують: мідь, алюміній, вольфрам, та композити ( композиційні матеріали). Розглянемо властивості деяких із них:

Мідь (Купрум) - висока електро- і теплопровідність, достатня твердість, простота технології.

Недоліки: відносно низька температура плавлення, схильність до окислення на повітрі, що збільшує питомий опір і силу натискання. Не рекомендовано застосовувати в апаратах з великою кількістю вмикань внаслідок малої дугостійкості.

Застосування: шини, контакти апаратів.

Срібло (Аргентум) - висока електро- і теплопровідність, мала механічна міцність оксиду AgO і її руйнівної сили натискання, малий перехідний опір, стабільність контакту.

Недоліки: мала лугостійкість і твердість, не рекомендовано при потужних дугах і частих вмиканнях.

Застосування: реле, контактори до 20 А.

Алюміній - як і у міді висока електро і теплопровідність плюс мала густина, що зменшує масу струмоведучої частини на той же струм, що і виготовленої із міді > на 48%.

Недоліки - мала дугостійкість (температура плавлення набагато менше температури плавлення міді і температури плавлення срібла) і твердість. Не рекомендовано при потужних дугах і частих вмиканнях, у контактах до 20 А, в головних до - 10 кА. Мала механічна міцність, утворення з міді гальванічного елемента - корозія пари. Утворення окисної плівки з великим питомим опором на повітрі і активних середовищах.

Застосування: матеріал для шин і конструкційних деталей апаратів.

Аурум (Золото), Платина, Плюмбум (Свинець) - висока корозійна стійкість плюс малий перехідний опір.

Застосування: малі струми з невеликою силою натискання.

Вольфрам - висока дугостійкість, стійкість проти корозії,зварювання. Висока твердість, що необхідне при частих вимиканнях і вмиканнях.

Недоліки: мала теплопровідність, висока густина, утворення міцних оксидних і сульфідних плівок вимагають великої сили натискання внаслідок утворення плівок і високої механічної міцності.

Застосування: дугостійкі і частовмикаючі контакти.

Основні необхідні властивості контактного матеріалу - висока електропровідність та дугостійкість не можуть бути отримані за рахунок сплавів таких матеріалів як срібло+вольфрам або мідь+вольфрам, бо вони не утворюють сплавів. Тому матеріали, що задовольняють необхідним вимогам, отримують методами порошкової металургії. Це - так звана металокераміка.

Металокерамічні контакти отримують методом спікання.

Отримані цим методом порошкові сплави:

- вольфрам плюс аргентум і вольфрам плюс купрум - мають властивості позитивні як першого (вольфрам) та і других (срібло, алюміній) складових, тобто високу дугостійкість, низьку величину сили контактного натискання, низький контактний опір. Також мають високу зносостійкість, довгий термін надійності та служби.

Недоліки: високий питомий опір, мала теплопровідність, велика необхідна сила натискання.

Висока дугостійкість + відносно добра провідність - головні якості металокераміки.

Аргентум (срібло) - графіт > дугогасящі контакти;

Купрум (мідь) - графіт > важливі завдяки високій стійкості проти зварювання.

Металокерамічні сплави марки КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20 застосовують для контактів матеріалів високої напруги.

Слід відмітити що, вимоги до контактів - дуже суперечливі, вони протирічать одна другій, поскільки визначаються умовами роботи в різних режимах. Розглянемо детальніше це питання.

Матеріал повинен мати найвищу електро- і теплопровідність. Тоді теплова потужність, що виділяється буде зменшуватись, а умови тепло- відведення покращуються.

Це приведе до зниження температури контактів, а, значить, зниження утворення окислів на поверхні контактів.

Скорочуються також розміри розплавленого металічного перешийка, що утворюється у контакті в момент розмикання, також знижується інтенсивність ерозії.

Добре тепловідведення перешкоджає дузі нагрівати і випаровувати контактний метал і, веде до підвищення відновлюючої міцності приелектродних ділянок.

Висока температура рекристалізації сприяє відсутності холодного зварювання контактів. Висока температура плавлення і температура кипіння збільшують зносостійкість контактів внаслідок зменшення випаровування.

Зносостійкість підвищується при збільшенні температури плавлення, але одночасно збільшується твердість, яка приводить до зменшення контактуючих площадок.

Всі необхідні якості неможливо об'єднати в одному матеріалі, тому доцільно області застосування матеріалів, що застосовуються для контактів, приблизно розділити по струмах поскільки:

1) для контактів найважливішими параметрами при розрахунках є, по-перше, сили контактного натискання, як функція матеріалу контакту , та сила струму, що по ньому протікає.

2) друга важлива характеристика - допустимі температури контакту, як функція сили струму, постійного опору, теплопровідності.

Одна із класифікацій матеріалів, класифікація по струмах, приведена на (рис.6.7).

Як видно із рисунка, струми поділяють на:

1. Слабкі;

2. Середні;

3. Сильні.

Їм відповідають певні матеріали. Особливо рідкісні і дорогі (осмій, іридій, золото, срібло) застосовують для слабких струмів.

6.4 Температура площадки контактування. Контакти в режимі проходження тривалого струму

При проходженні струму в площадці контактування внаслідок наявності перехідного опору буде виділятися енергія , що набагато більше енергії, що виділяється в об'ємі контакту. Температура, яку має площадка контактування є більшою внаслідок того, що перехідний опір (опір об'єму матеріала контакту) і того, що тепловіддача є гіршою від (бо площадка знаходиться далі від оточуючого середовища, чим контакт).

203

Якщо , то різниця температур

- спад напруги на перехідному опорі контакту. Ця величина при природному охолодженні ~ 10 - 20 мВ.

Розрахунок контактів в режимі тривалого струму зводиться до визначення сили натискання в контактах, при якій температура в контакті підвищується.

Для одноточкових контактів на великі струми для підрахунку сили контактного натискання рекомендується формула:

, (6.6)

де - твердість по Вікерсу.

Ця формула близька до експерименту.

Формула (6.6) дозволяє знайти силу контактного натискання для заданого номінального струму, знаючи відношення температур

Температуру об'єму легко знайти із формули: , відомої для нагрівання провідника площею перерізу і периметром перерізу (формула 5.7).

Тоді, поскільки , можна знайти . Це - перший спосіб оцінки (по ).

Температура нагрівання контактної точки при нехтуванні тепло-відведенням з контакт-деталі в оточуюче середовище описується формулою Хольма:

(6.7)

Допустима напруга на контакті звичайно приймається в межах (0.1ч0.3) , де - напруга, при якій матеріал контакту розм'якшується (рекристалізується). Важливою є також інша форма запису формули (6.6.), що враховує механічні властивості матеріалу () та кількість точок контактування і дає можливість визначити силу контактного натискання.

(6.)

де - сила контактного натискання;

=1ч3.

Дані розрахунки відносяться до випадку, при якому через контакти проходить номінальний струм, який і є тривалим струмом, або стаціонарним.

6.5 Розбірні контакти в режимі короткого замикання

З точки зору нагрівання, контакти - це найбільш навантажена ділянка струмоведучого кола. Звідси особливо необхідними є розрахунки параметрів контактів в умовах короткого замикання, коли виникають важкі умови роботи.

203

В розбірних контактах слабким місцем є болтове з'єднання. Болт, що стягує деталі, практично не проводить струм, його температура при короткому замиканні, внаслідок короткочасної дії не змінюється.

Теплове розширення струмоведучих деталей викликає додаткове напруження. Це додаткове напруження додається до напруження затяжки болта, що може привести до остаточних деформацій, які можуть послабити контакт з'єднання після його остигання.

Тому болтові з'єднання повинні перевірятися на додаткові механічні напруження при короткому замиканні.

7. Електромеханічні і електродинамічні сили в контактах

7.1 Контакти в режимі короткого замикання. Розмикання, замикання та зварювання контактів

Проходження струму в контакті супроводжується появою у приконтактній області сил, напружень і деформацій.

При відносно невеликих струмах їх величини є незначними, при струмах короткого замикання вони можуть досягнути великих значень.

7.1.1 Основні види сил

Основними силами, які діють в контактній системі, є сили, зв'язані із зміною густини ліній струму в місці контакту контактуючих деталей (рис.7.1).

Сила контактного настискання, яка діє в місці контакту, повинна бути такою, щоб забезпечувати надійний контакт, незважаючи на дію електродинамічної і електромагнітних сил.

1) Електродинамічна сила (), що викликає відштовхування контактів, виникає внаслідок викривлення ліній струму в контакт-деталі при підході його до місця контактування (див. рис. 7.2.) (Сила в місці звуження провідника - аналог сили на границі взаємоперпендикулярних провідників).

Згідно п.3.2 сила запишеться як:

(7.1.)

де - діаметр контакт-деталі;

- діаметр контактуючої площадки.

2) Сила електромагнітного стискання (, пінч ефект), повздовжній пінч-ефект.

Пінч-ефект (стискання електричного струмового каналу внаслідок зміни густини силових ліній магнітного поля при протіканні струму по провіднику) приводить до того, що при наявності різних діаметрів контактів в місці контакту можуть з'являтись сили, пропорційні квадрату струму і обернено пропорційні діаметру контакту. Оскільки контакти мають різні діаметри, то вздовж осі провідника з'являється повздовжня складова цієї сили, що намагається відкидати контакти один від одного при проходженні великого струму (наприклад, в умовах короткого замикання).

Чим менший діаметр контактного „перешийка”, тим більше стискаюча сила в місці контактного „перешийка”.

Крім того, внаслідок існування одночасно із поперечним звуженням повздовжнього видовження, (вони зв'язані між собою коефіцієнтом Пуассона), виникає поздовжній ефект: сила викликає появу в осьовому напрямку сили , яка може викликати розмикання контакту:

(7.2.)

де - довжина металічного перешийка в контакті;

- діаметр контакту.

Ця ж сила розтягує розігрітий „перешийок”, який втрачає механічну міцність.

3) Якщо під дією струму розплавлений контактний „перешийок” переходить в пароподібний стан, то виникає пружна сила вибуху парів металу Знаходячись у вузькому шарі між „контакт-деталями”, вибухові пари здійснюють тиск на контакт діаметра „перешийка”.

Щоб не відбувалось під дією вказаних сил самовільного розмикання контактів застосовують спеціальні компенсуючі засоби і пристрої.

Важливим фактом є те, що при розрахунках електродинамічної стійкості контактів досить точною є експериментальна формула:

(вона зрозуміла із розмірності ~) (7.3)

де - амплітуда ударного струму; ;

- контактне натискання, Н;

- коефіцієнт [А/Н], (довідкова величина, залежить від типу контакту і матеріалу);

=1000ч1900 А/Н.

7.2 Зварювання контактів

При проходженні струмів короткого замикання можливе зварювання контактів і відмова роботи апарату, як наслідок цього. Це відбувається, якщо температура замкнутих контактів досягає в місці їх дотику температури плавлення. Тому треба знати, яка температура контактів, її залежність від сили струму і величину сили контактного натискання та фізичних характеристик матеріалу контакту. Із формули Хольма (6.7) можна визначити силу струму зварювання:

Звідси отримаємо:

(7.4)

де - коефіцієнт, що коливається від 1 до 3, в залежності від кількості точок, в яких відбувається контактування;

- сила контактного натискання;

- питомий опір;

- температура контакт-деталі

- температура плавлення.

Формула (7.4) є дійсною для стаціонарного режиму протікання струму (). У короткочасному режимі нагріву температура контактної точки залежить від часу протікання струму.

При цьому основною відмінністю формули для обчислення струму зварювання у цьому випадку (з похибкою < 2%) є поява множника:

(7.5)

де - час проходження струму;

- густина контакту;

- теплоємність контакту.

Тоді формула (7.4) для короткочасного режиму буде:

(7.6)

При формула (7.6) переходить в формулу (7.4).

Якщо контакти приварились струмом, то після припинення проходження струму, охолодження місця контакту і застигання, необхідна певна сила, щоб розірвати контакти.

Сила, необхідна для того, щоб розірвати контакти, що зварилися, називається силою контактного зварювання. Сила контактного зварювання в 2 - 7 раз є більшою сили контактного натискання.

При збільшенні температури кипіння, теплопровідності, теплоємності матеріалу контакту і при зниженні катодної і анодної напруги в дузі контакти зварюються менше.

Зварювання контактів залежить від конструкції самих контактів і всієї струмоведучої частини апарату.

Для визначення сили контактного зварювання при розрахунку електродинамічної стійкості контактів ударний струм, як уже відмічалось розраховується по формулі 7.3.

7.3 Зношування контактів при їх розмиканні

7.3.1 Електрична ерозія

Під зношуванням контактів розуміють руйнування їх поверхні, що приводить до зміни їх форми, розміру, маси.

Зношування поділяють по виду ерозій на:

1) хімічну (корозія) ерозію (окислення, утворення плівок на електродах хімічних з'єднань);

2) механічну ерозію (механічне руйнування поверхні контактів);

3) електричну ерозію (перенос матеріалу з одного контакту на інший при проходженні електричного струму).

Електрична ерозія особливо небезпечна при постійному струмі. Напрямок переносу речовини в цьому випадку є постійним, що веде до швидкого виходу контактів із ладу. Якщо матеріал переноситься з аноду на катод, то така ерозія називається анодною, а якщо навпаки, то катодною.

Міра ерозії - втрата маси або об'єму контакта.

Схема процесу виглядає так:

В процесі розмикання контактів контактне натискання зменшується, перехідний опір збільшується, F_к<; R_к> і за рахунок цього зростає температура точок дотику. Площадка дотику сильно розігрівається, до температури плавлення, утворюється між контактами місток із рідкого металу. При подальшому русі контактів місток обривається і виникає дуговий або тліючий розряд. Якщо < (наприклад для міді < 0.43 A) при U=270ч330 В, виникає тліючий розряд або іскра, для вольфраму розряд спостерігається при <0.9 А.

7.3.2 Ерозія контактів при малих струмах

203

Ерозія контактів при малих струмах обумовлена тим, що руйнування рідкого контактного перешийка відбувається не всередині, а з одного із країв контакту. Як показують досліди розрив розплавленої маси відбувається ближче до аноду, як правило. Внаслідок цього більше зношується анод.

Величина ерозії пропорційна кількості електрики, що проходить через контакти за час іскри і залежить від властивостей матеріалу контактів.

Зниження ерозії досягають:

А. застосування ерозійно-стійких матеріалів;

б) шунтуванням контактів іскрогасящими -колами. В цьому випадку частина енергії кола іде на заряд конденсатора. Тривалість іскрового розряду суттєво зменшується. Однак, при великих ємностях, при замиканні може відбутись в такому випадку розряд конденсаторів на контактах (що ще не замкнуті, але наблизились між собою) і, як наслідок, зварювання контактів.

Для боротьби з ерозією при малих струмах застосовують:

1) використання дугостійких матеріалів, щоб не допустити розвитку дуги в процесі розмикання контактів;

2) вмикання паралельно до контакту конденсатора ( при цьому частина енергії відводиться на конденсатор).

7.3.3 Зношування контактів при великих струмах та боротьба із ерозією

Зношування контактів при великих струмах відбувається як при їх замиканні, так і при їх розмиканні, і залежить від багатьох змінних факторів. До сьогодні немає аналітичного виразу для розрахунку величини зношування.

При орієнтовних розрахунках треба пам'ятати, що зношування контактів пропорційне величині струму. При І>5 А хороші результати дає формула Кузнєцова (основним параметром зношуваного контакту є маса втраченого контакту):

де - маса зношування контакта;

- сила струму вимикання;

- кількість вмикань - вимикань контакту;

- коефіцієнт зношування ((1 - 200)·10^-6 Г/А²).

При струмах І ? 5 А строк служби контактів визначається формулою:

де - об'єм контакту, призначений на зношування;

- густина матеріалу контакту;

- час гасіння дуги;

- коефіцієнт зношування (К~(1 - 20)·10^-9 кг/Кл.

Для боротьби із ерозією на струми від 1А до 600А необхідно:

а) скорочувати час горіння дуги за допомогою дугогасящих пристроїв;

б) боротись із тремтінням контактів, що виникають при замиканні. Це досягається за допомогою зменшення маси рухомих контактів і швидкості їх замикання, а також збільшенням початкового натискання і жорсткості пружини. Останнє приведе до росту протидії відкиданню контактів, зменшить амплітуду відхилень.

в) застосування (як і у випадку малих струмів) дугостійких контактів.

7.4 Конструктивна форма контактів і контактних з'єднань.

7.4.1 Найважливіші параметри контактних конструкцій

Класифікація контактів проводиться по декількох напрямках. Із яких можна виділити:

а) класифікацію на розбірні і нерозбірні; рухомі контакти, що не розмикаються і рухомі контакти, що розмикаються (розривні контакти); рідко-металічні контакти;

б) контактні системи, що визначаються струмом, який проходить через контакти, і напругою сітки. У випадку (б) контактні системи електричних апаратів поділяються на три характерних групи:

I. - апаратів релейного типу (струми не > 5 A, напруги - сотні вольт);

II. - контакти апаратів керування і розподільних систем (і~сотень-тисяч А; U_сітки~тисяч B);

III. I~: десятків кА, U_c > сотень кВ.

Приклад контактів I групи - рис. 7.5 (а), ІІ групи - рис. 7.5 (б), ІІІ групи - рис. 7.5(в).

В пластинчастих пружинчастих контактах реле (застосовуються) контактні накладки 1 різної форми, що встановлені на струмоведучих пластинах 2.

Стальна пружина 3 створює попередню деформацію верхньої частини, так що уже в момент дотикання контактів створюється необхідна сила натискання на контакт. В залежності від форми контактних накладок 1 контакт здійснюється по площині, лінії або в точці.

7.4.2 Конструкції контактних вузлів і їх типи

Уже відмічалось, що класифікація контактів і вузлів проводиться по декількох напрямках, в тому числі в залежності від сили струму. В свою чергу контактні вузли на середні і великі струми можна поділити на 5 основних типів:

1. Важільні.

2. Мостикові.

3. Врубні.

4. Роликові.

5. Розеточні.

Вони можуть бути одноступінчасті і багатоступінчасті.

В одноступінчастому контакті контактна пара служить як для тривалого протікання струму, так і для розриву дуги при розмиканні.

Для багатоступінчастих контактних груп характерним є поділ на основні, що покривають сріблом (аргентумом), і служать для пропускання струму в стаціонарному режимі і дугогасящі, що виконуються із дугостійких матеріалів і відіграють основну роль при вмиканні і вимиканні. Замикаються контакти так: спочатку дугогасящі, потім - основні.

А вимикаються в зворотній послідовності: основні - дугогасящі. При розмиканні розриву спочатку не відбувається - струм тече через дугогасящі контакти, а потім розмикаються дугогасящі, на яких виникає дуга. Іноді додають паралельно ще і проміжні контакти. На рис. 7.5 - 7.7. показано різні типи контактів.

Мостикові контакти застосовують в прямоходових рухомих системах (див. рис. 7.6).

1. Слабострумовий контакт (показано на рис 7.5 (а)) складається із:

1) контактної накладки;

2) струмоведучих пластинчастих пружин;

3) стальних пружин для попередньої деформації верхньої пружини.

2. Важільний контакт (рис. 7.5 (б)). Нажим здійснюється силою контактної пружини. У важільних контактах роблять перекат, щоб зменшити вплив шороховатості контактів. Шороховатість збільшує опір контактів.

3. Розеточний контакт (рис. 7.5 (в)) утворений сегментами 2 навколо струмоведучого контакту 1, який при розриванні кола відходить від сегментів.

4. Роликовий контакт (рис. 7.5 (г)) служить для знімання струму з нерухомих деталей. Застосовують при великих переміщеннях і великих струмах.

5. Врубний контакт (рис. 7.5 (д)). Врубні контакти мають ніж (нерухомий контакт), пружину, ламель (рухомий контакт).

Контакти поділяються також на:

1) твердометалічні;

2) рідкометалічні.

Характеристикою контактів є:

1) зазор - найкоротша відстань між розімкнутими контактуючими поверхнями рухомого і нерухомого контактів; зазор вибирається із умови гасіння дуги при малих струмах;

2) провал. Оскільки при роботі контакти зношуються, то для забезпечення нормальної роботи кінематика електричних апаратів виконана таким чином, щоб забезпечити якість контакту після певного зношування. Для цього контакти дотикають раніше, ніж система доходить до упора. Якщо при замкнутому положенні рухомої системи забрати нерухомий контакт, то рухомий посунеться на відстань, що називається провалом. Провалом визначається запас на зношування контактів при заданій кількості їх спрацювань.

3) контактний нажим - сила, що стискає контакти в місці їх дотику. Ця сила по мірі зношування контактів зменшується;

4) додатковий стиск пружини - забезпечує провал. По мірі зношування додатковий стиск пружини зменшується, працездатність контакту погіршується.

Недоліки твердометалічних контактів:

1) окислення поверхні, що веде до їх зварювання і зменшення їх надійності;

2) ерозія;

3) чим більший номінальний струм, тим більша сила контактного натискання необхідна. При великих струмах КЗ контактні натискання вимагають великих значень сили, що збільшує необхідну потужність привода апарату, його габарити і масу.

Цих вад немає в рідкометалічних контактах. Вони можуть працювати в умовах зовнішніх високих тисків, температур, глибокого вакууму; в них відсутнє зношення і окислення, вони мають малий перехідний опір, а тому можуть працювати при високих густинах струмів ( А/см²).

Недоліки:

1) обмеженість температурного інтервалу (не можуть працювати при низьких температурах);

2) небезпечність з точки зору техніки безпеки (ртуть, галій).

7.5 Способи компенсації електродинамічних сил в контактах

Контакти можна представити як провідники змінного перерізу, в місці звуження яких виникають повздовжні електродинамічні зусилля, що намагаються розімкнути контакт.

В апаратах на великі струми намагаються виконати таку контактну систему, щоб компенсувати або послабити дію електродинамічних сил. Наприклад, в так званій мостиковій схемі на рис. 7.6 показано напрямок протікання струму та напрямок дії сили. В цьому випадку електродинамічні сили F, прижимають контакт до перемички.

- важільний контакт:

1,2 - нерухомий контакт (складається з двох частин);

4 - рухомий контакт;

3 - пружинний контакт.

Для електродинамічної компенсації контактів важільного типу нерухомий контакт роблять із двох частин (1,2) з'єднаних шарнірно. Рух частин в нейтральному положенні утримується двома пружинами (3), що діють одна на зустріч другій. Електродинамічна сила намагається розсунути контактні паралельні пластини (2) контакту і (1); підібравши довжину певним чином, можна зробити так, що контакт (2) буде прижиматись до рухомого контакту і контактне натискання буде зростати.

Інша конструкція мостикової схеми, для компенсації електродинамічних сил приведена на рис. 7.8.

7.6 Задача

Визначити контактне натискання при тривалому струмі 1000 А і струмі короткого замикання 30 кА, якщо контакти утворені двома торцевими поверхнями мідних циліндрів із діаметром 0.03 м.

Температура оточуючого середовища . Коефіцієнт теплопровідності міді . Твердість по Вікерсу , . Вважати, що допустима температура (номінальна) 70. Коефіцієнт - це коефіцієнт, який враховує зв'язок між ударним струмом і силою контактного прижиму.

8. Вимикання електричного кола постійного і змінного струму

Велика група електричних апаратів - комутаційні пристрої, за допомогою яких вимикаються електричні кола. Процес вимикання при різних умовах розглянуто в даному розділі.

8.1 Загальна характеристика вимикання електричних кіл. Відновлювана напруга та відновлювана міцність. Умова вимикання кола апарату

Характер процесів при відключенні електричного кола змінного і постійного струму показано на рис. 8.1, 8.2:

По осі абсцис відкладено час t, а по осі ординат значення напруги та струму в різні моменти часу.

Uc - напруга сітки;

I₀ - струм в колі;

U_Bм - відновлювана міцність;

МРК - момент розмикання контакту.

U_к ? спад напруги на контакті (рис. 8.2);

Електричний розряд в контактних апаратах, що виникає при розмиканні контактів, приводить до зношення контактів, і в значній мірі це визначає надійність і тривалість роботи апарату. Розряд зв'язаний із електромагнітною енергією, що запасається в індуктивності при вимиканні кола. В контактних апаратах комутуючим елементом є електрична дуга або інший вид газового розряду, що виникає при вимиканні. Електромагнітна енергія кола перетворюється в цих комутуючих елементах в теплову енергію, яка розсіюється в просторі. В цьому полягає позитивна роль дуги. Якби дуга не виникала, то електромагнітна енергія поля перетворювалася би в електростатичну енергію і виникала область перенапруги недопустимої величини, а коло неможливо було б відключити. Коли апарат ввімкнений, то спад напруги на комутуючих елементах складає долі вольта - в контактних апаратах і вольти в безконтактних.

Якщо апарат розірве коло, напруга на його комутуючому елементі стане рівною напрузі джерела живлення. Таким чином, в процесі вимикання апарату напруга на комутуючому елементі буде різко зростати від дуже малих до дуже великих значень.

Напруга на комутуючому органі, що наростає в процесі вимикання апарату називається відновлюваною напругою.

При вимиканні кола комутуючий орган переходить із стану провідника електричного струму в стан діелектрика. Характерна комутуючому органу зростаюча в часі при вимиканні електрична міцність називається відновлюваною міцністю (визначається в даний момент часу максимальною напругою, що може витримати без пробою комутуючий орган). Щоб успішно відключити електричне коло, необхідно створити в вимикаючому апараті такі умови, при яких його відновлювана міцність була б вищою за наростаючу на ньому відновлювану напругу.

- умова вимикання кола.

Розглянемо трифазне коло. Припустимо, що наше коло має індуктивний характер.

Поскільки коло - чисто індуктивне, то , і при проходженні струму фази А через 0 миттєве значення е.р.с. в цій фазі дорівнює амплітуді, а е.р.с. фаз В і С - 0.5 амплітуди.

Тоді миттєве значення напруги промислової частоти на розриві А дорівнює:

Частоти коливань у верхньому та нижньому контурі однакові:

Індуктивність .

Якщо виразити струм через і напругу , то матимемо:

Підставимо у формулу такі числові значення величин і знайдемо індуктивність.

Гн

Відомо, що при підвищеній частоті індуктивність зменшується на 30%, тоді 0.7·0.126=0.088Гн.

А загальна ємність фази пФ

Частота =Гц.

Середня швидкість відновлення напруги:

.

Після вимикання фази А в наступний нуль струму гаситься дуга у фазах В і С (рис. в.). В фазах В і С приймемо, що напруга поділяється порівну. Тоді:

.

Порівняння швидкостей відновлення напруги у фазах А, В і С показує, що вимикання фаз В і С іде в більш легких умовах, ніж у фазі А: швидкість наростання напруги в рази менша.

8.2 Стадії в міжконтактному проміжку при вимиканні кола. Дуга і її властивості

При вимиканні електричного кола із струмом в міжконтактному проміжку проходять наступні стадії:

1) початок вимикання, якому відповідає стан металічного провідника (замкнутий стан контактів);

2) утворення розплавленого металічного містка в початковій стадії розходження контактів, що супроводжується, внаслідок зменшення сили натискання, збільшенням перехідного опору і ростом виділення тепла в контакті;

3) вибух металічного містка під дією великої концентрації теплової енергії в ньому;

4) утворення електричної дуги (іскри) між контактами апарату. В процесі її гасіння комутаційний орган за допомогою дугогасильної системи збільшує її електроопір;

5) перетворення проміжку в діелектрик, коли всі іонізовані частинки із проміжку розсіюються, і він стає ізолятором.

В процесі вимикання кола можливе виникнення тліючого або дугового розряду. Нагадаємо, що електричний розряд - це процес протікання електричного струму в газі. Він буває самостійним і несамостійним. Тліючий, дуговий, іскровий - це види самостійних розрядів.

Тліючий розряд виникає при розмиканні при І < 0.1 А і напругах 250 - 300 В. Це спостерігається в малопотужних реле, в більш потужних апаратах спостерігається розряд у вигляді електричної дуги. Дуговий розряд виникає в першу чергу внаслідок термоелектронної емісії. Електрони іонізують молекули газу.

Особливості дугового розряду:

1) має місце тільки при відносно великих густинах струмів і відносно невеликих напругах між електродами;

2) температура центральної частини дуги від 6000 до 25000 К;

3) густина струму при дуговому розряді від 100 до 1000;

4) спад напруги біля катода 10 - 20 В, і не залежить від струму.

Розрізняють три характерні області дугового розряду:

· прикатодна область;

· область стовпа дуги;

· прианодна область.

Області мають різну концентрацію носіїв, різну температуру, спад напруги та її градієнт. У короткої дуги, характерної для апаратів низької напруги, спад напруги на стовпі дуги є малим в порівнянні із спадом напруги (в сумі) у катода і анода. У довгої дуги, характерної для апаратів високої напруги - навпаки, тому біляелектродним спадом можна знехтувати.

8.3 Статична і динамічна вольтамперна характеристика (ВАХ) дуги. Умови стабільного горіння та гасіння дуги

На рис. 8.3 приведено типову схему кола, що вимикається, для апаратів, коли коло підключено до джерела з напругою . Послідовно з'єднані опір , комутуючий елемент апарату, індуктивність L. Опір R_Ш - опір розтікання по ізоляції, або опір комутуючого елемента в момент відновлення напруги. Ємність C включає ємність провідників, струмоведучих частин і т.д.

Як правило, R_Ш - дуже великий (кіло- і мегаоми), а C - мала - долі мікрофарад. Якщо вважати, що R_Ш > ?, а C > 0, то отримаємо схему, представлену на рис. 8.5.

Розрізняють ВАХ статичну і ВАХ динамічну. ВАХ, що знята при повільній змінні струму називається статичною. Динамічні характеристики - це характеристики, які знімаються, коли швидкість струмозміни є великою і внаслідок теплової інерції дугового стовпа зміна опору дуги не встигає за струмом. Тому динамічних характеристик є багато, в залежності від швидкості наростання струму, а статична характеристика є одна (див. рис.8.4). Як видно із рисунка, статична характеристика іде вище і крутіше. Для схеми рис.8.5 можна записати:

1) (8.1)

2) (8.2) (а)

3) (б)

Розглянемо рис.8.6.

1- напруга джерела U_C;

2 - спад напруги на активному опорі (відраховується від прямої 1);

3 - ВАХ-дуги.

Точки а і б - точки, де виконується рівність (8.3).

При стабільно „горящій” дузі =0, тому

4) (8.3)

Проаналізуємо графічний розв'язок рівняннь (8.2), (8.3), представлені на рис. 8.6.

Стан дуги в точках (а), (б) для нашого випадку є рівноважним.

1) якщо коло складається з R, L, то для будь-якого моменту часу процес описується в загальному формулою 8.2 (а), або для дуги - 8.2 (б);

2) при стабільно горящій дузі формула 8.2 переходить у формулу 8.3;

3) для того, щоб дуга погасла необхідно, щоб струм з часом зменшувався, тобто було <0.

4) В нашому випадку це означає, що при ; ; <0 (бо <0). З урахуванням знаків це показує, що, якщо по якійсь причині струм стане менше і_а, то він впаде до нуля. Дуга погасне;

5) якщо по якійсь причині струм стане дещо більше і_а, то отримаємо . Тобто в колі з'явиться „надлишкова” напруга, яка приведе до зростання струму до значення І_б. Між точками а і б >0. Зростання струму супроводжується накопиченням енергії.

6) при струмі для підтримки цього струму напруги недостатньо, і струм впаде до значення його в т. (б). Дуга буде горіти стабільно, коли І=І_б.

Для гасіння дуги необхідно, щоб виконувалась умова:

Це означає: якщо забезпечити такий режим, що ВАХ лежить вище , то дуга обов'язково загаситься.

Це твердження відповідає загальному правилу, яке описує процес вимикання кола.

Апарат вимикає коло, а комутуючий елемент стає діелектриком, якщо його електрична міцність в процесі вимикання вища напруги на ньому.

На рис. 8.8 якісно показано залежність від часу відновлювальної міцності (U_Bм) і напруги (U_вн).

Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму при вимиканні (попередні відомості)

Якщо навантаження в колі активне, то cos=1. При цьому залежність від часу буде такою, як показано на рис. 8.9. Опір дуги носить активний характер.

Для активного характеру навантаження процес протікає наступним чином:

1) В момент появи струму різко наростає напруга на дузі і досягає значення напруги запалювання. Із ростом струму спад напруги на дузі падає і досягає мінімуму при .

2) Після цього напруга дуги зростає і досягає напруги гасіння.

3) Якщо струм вимикається, то відбувається гасіння. Якщо струм продовжує проходити, то ця система відновлює попередній стан і, горіння дуги продовжується.

Згасне чи не згасне дуга залежить від процесу деіонізації, який в свою чергу залежить від того, які властивості має дуговий розряд (довжина дуги, величина концентрації іонів в дузі) і відношення фаз між напругою і струмом. Якщо наростання опору в проміжку стовпа дуги буде випереджувати наростання напруги в цьому проміжку, то дуга погасне. Якщо ж наростання опору в проміжку буде іти повільніше, то може відбуватися повторне запалювання дуги (рис.8.9).

При гасінні дуги процес відновлення напруги на дуговому проміжку може носити аперіодичний і періодичний характер. Зв'язане це з накопиченням та перерозподілом електромагнітної енергії в контурі, що утворено індуктивністю, ємністю кола сітки і дугою при аперіодичному характері - дуга гаситься за 1 період.

9. Відновлювана міцність та особливості горіння дуги

Розглянемо детальніше процес відновлювання електричної міцності та особливості горіння і параметри дуги при різних умовах.

9.1 Відновлювана міцність та її стадії відновлення.

Закономірності наростання в часі відновлюваної міцності міжконтактного проміжку апарату є основною характеристикою дугогасильного пристрою.

Електрична міцність, що утворюється в процесі вимикання кола, називається відновлюваною міцністю.

В процесі відновлення електричної міцності комутуючий орган і його міжконтактний проміжок перетворюється із провідника електричного струму в діелектрик.

(Перехід метал - діелектрик)

Процес розбивається на характерні стадії (див. рис. 9.1):

В стадії I - горіння дуги - міжконтактний проміжок теж має певну міцність, під якою розуміють значення напруги, необхідної для підтримання незмінної провідності дугового стовпа.

Це поняття базується на наступному: якщо потужність, яка підводиться до дуги, що дорівнює більше потужності, яка відводиться від дуги, то дуга буде існувати.

Якщо ж навпаки, відводитись буде більша потужність, ніж підводитись, то умови існування дуги порушуються, і вона гаситься. При рівності цих величин - дуга знаходиться в стійкому стані.

Звідси (9.1)

- потужність, що відводиться від дуги з одиниці її довжини.

Найбільш інтенсивне зростання і великі значення відновлюваної напруги досягають в недугових стадіях газового розряду, коли в процесі вимикання кола струм уже не проходить, а лише безпосередньо за переходом струму через нульове значення по проміжку проходить невеликий залишковий струм (~мА).

В стадії II відновлювана міцність утворюється на приелектродних ділянках, а її зростання визначається відведенням теплоти в контактні елементи. Для II стадії характерним є тліючий розряд: величини міцності співрозмірні із катодним падінням при цьому розряді.

В III стадії міцність відновлюється на довжині стовпа газового розряду, що закінчується руйнуванням стовпа і його перетворенням в ізолятор (IV стадія).

Математична теорія відновлюваної міцності ще не розроблена. Тому достовірним є лише її експериментальне визначення по величині пробивної напруги, що викликає пробій проміжку в той, чи інший момент часу в стадіях II - IV.

Варіант експерименту по дослідженню відновлюваної міцності показано на рис 9.2.

Кожна точка U₁, U₂, U₃ окремих кривих U(t) характеризує певну точку лінії пробою проміжка між електродами. Міняючи ємність С, міняємо U_пробоя і час t_пробоя , при сталому , будуємо криву U(t).

9.2 Загальні характеристики дуги

9.2.1 Електрична міцність. Теплова стала дуги. Перенапруга. Швидкість відновлення напруги

Як уже відмічалось, з інженерної точки зору найбільш важливою характеристикою апарату, що вимикає, є притаманна комутуючому елементу електрична міцність.

Вона протистоїть наростанню на комутуючому елементі напруги.

Нагадаємо ще раз загальне правило: апарат вимикає коло, а комутуючий елемент стає діелектриком, якщо його електрична міцність в процесі вимикання вище напруги на ньому. Якісно це показано на рис.9.3.

U_{В. міц} - відновлювана міцність;

U_відн - відновлювана напруга.

Після моменту t_кр відновлювана напруга, коливаючись, затухає, наближаючись до U₀.

t_кр =, (9.1)

де - власна частота кола.

Важливими характеристиками також є наступні:

а) Теплова стала часу дуги - час протягом якого дуга змінює свій опір в е раз ( ~ 10 - 1000мкс).

б) Питома відведена потужність - інтенсивність відбору тепла від одиниці довжини дуги (Р₀~ 100 - 10⁴ Вт/см).

в) Середня швидкість відновлення напруги - величина, яка визначається похідною:

, (9.2)

де - напруга, що з'являється на контактах після проходження струму через нуль.

- коефіцієнт амплітуди відновлюваної напруги = 1.0 ч 2.0.

- напруга джерела струму в момент переходу струму через нульове значення. Збільшення напруги на контактах відносно напруги джерела живлення називається перенапругою. Чим більші індуктивність та швидкість спаду струму, тим більша перенапруга.

,

де - кут зсуву фаз між струмом і напругою.

- коефіцієнт схеми = 1.5 для 3-ох фазної і = 1.73 для 1-о фазної схеми.

г) Власна частота кола :

Припустимо, що напруга сітки ще не відключена (генератор працює, контакти розійшлись, а навантаження - ємнісне). Якщо міцність між контактного проміжку недостатня, то відбуватимуться пробої проміжку. Повторні пробої проміжку в контактах високовольтних установок ведуть до небезпечних перенапруг на конденсаторах кола.

9.2.2 Опір і потужність дуги. Енергія, що виділяється в дузі

Опір дуги , незалежно від роду струму, можна вважати активним.

Він є змінною величиною, падає із ростом струму і може бути визначений із ВАХ дуги. .

Потужність дуги (9.3).

Енергія, що виділяється в дузі за час її горіння:

(9.4).

Для вимикаючих апаратів суттєво знати цю енергію за одне вимикання.

Із формули (8.2) відомо, що

(9.5).

Тому: ,

де ,

- початкове значення струму.

Підставимо в формулу (9.4) і отримаємо:

,

де - енергія магнітного поля кола;

- енергія, що поступає від генератора в дугу за час її горіння.

Таким чином, незалежно від способу гасіння дуги постійного струму в ній виділяється енергія, що запасена в магнітному полі кола, яке вимикаємо, плюс ще енергія, яка поступить від генератора під час горіння дуги (в стійко горящій дузі, (коли ) вся енергія, що виділяється в дузі, поступає від генератора).

Зміну струму в дузі при вимиканні можна характеризувати емпіричною формулою:

де - час гасіння;

n - деяка стала для даних умов, може бути >1 і <1, в залежності від типу дугогасящих засобів

Енергія, що виділяється в дузі при вимиканні постійного струму:

де =0 ч 5;

- стала часу кола, яке вимикається.

Для дуги, коли в колі тече змінний струм, якщо гасіння відбувається в момент переходу струму через нуль, виділяється тільки енергія

де - число періодів гасіння дуги;

f - частота.

9.3. Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму при вимиканні активного навантаження

Якщо для гасіння постійного струму необхідно, щоб струм впав до нуля, то при змінному струмі струм в дузі, незалежно від ступеня іонізації дугового проміжку, переходить через нуль кожен напівперіод. Тобто кожен напівперіод дуга гаситься і запалюється знову. При цьому задача гасіння дуги дещо полегшується. Тут треба створити умови, щоб струм не поновився після проходження через 0.

Криві зміни струму і напруги на дуговому проміжку при змінному струмі показано на рис 9.4.

В момент появи струму різко зростає напруга на дузі і досягає . Із ростом струму спад напруги на дузі падає і досягає мінімуму при . При цьому зростає і досягає , коли .

Вольт-амперна характеристика дуги змінного струму за період приведена на рис. 9.5. Напруга запалювання залежить від сили струму і при більших струмах вона є меншою. При змінному струмі температура дуги - змінна величина. При переході через нуль струму відбувається зниження температури дуги; відбувається деіонізація, гасіння полегшується.

При переході через нуль струм в дузі змінюється за законом, відмінному від sin: .

Трохи раніше моменту природного переходу через нуль струм в дузі падає майже до нуля, а після переходу через нуль скачком знову досягає свого значення (рис. 9.6.).

Суцільною лінією показано дійсний хід струму за час так званої „безструмової паузи” (), коли відбувається деіонізіція дугового проміжку.

При більшій індуктивності пауза менша і навпаки (~).

Інтенсивна деіонізація приводить до зменшення провідності дугового проміжку. Чим більше проміжок деіонізується, тим більше треба напругу для його пробоя і повторного запалювання дуги.

Умова гасіння дуги змінного струму може бути сформульована так:

Якщо наростання опору проміжку, що виражено його пробивною напругою (крива 1 рис 9.7.), буде випереджувати наростання напруги на цьому проміжку (крива 2), то дуга погасне при переході струму через нуль.

Якщо ж наростання опору проміжку піде повільніше (крива 3), то в момент часу, що відповідає точці 0 відбудеться повторне запалювання дуги, в колі з'явиться струм і відповідний йому спад напруги на дузі (крива 4).

При гасінні дуги напруга на дуговому проміжку зростає від напруги гасіння дуги до відповідного значення миттєвої напруги сітки або е.р.с. джерела струму. Цей процес носить назву відновлення напруги на дуговому проміжку.

9.4 Вимикання індуктивного кола змінного струму

Процес гасіння дуги в колі з великою індуктивністю, при , відповідає випадку, коли струм відстає від напруги практично на 90. Явище є характерним для режиму короткого замикання в промислових сітках змінного струму. Процес відновлення напруги здійснюється за короткий проміжок часу ~ десятків або сотень мкс е.р.с. джерела струму, що змінюється із частотою 50 Гц (тобто T=0.02 c.=20 мс=2·10⁴ мкс.), за такий час можна приймати сталою. Миттєва е.р.с. джерела , що відповідає перехідному процесу на дуговому проміжку, носить назву відновлюваної напруги промислової частоти. Відновлення напруги на дуговому проміжку може відбуватись аперіодично (рис. 9.8.а.), або через коливальний процес (рис. 9.8.б.).

В першому випадку, при аперіодичному процесі, напруга не може бути більшою е.р.с. джерела .

В другому випадку відновлювана напруга може теоретично бути нескінченно велика, а практично вона не перевищує 2. Частота, період і амплітуда коливань залежать від індуктивності, ємності, опору джерела та сітки. Частота, як правило, лежить в межах 1-2·10³ Гц. Для активного навантаження струм і напруга співпадають по фазі із е.р.с. Струм і е.р.с. переходять через нуль одночасно - відновлювана напруга проміжку є рівною нулю. Тим самим вимикання активного навантаження проходить суттєво легше, ніж індуктивної. (рис. 9.8.в.).

9.4 Вимикання змінного струму трьохфазної сітки

При вимиканні апаратом трифазного струму особливості процесу обумовлені тим, що струми в кожній із фаз проходять через 0 не одночасно, а із зсувом в часі. Характер процесу відключення трьохфазних індуктивних кіл пояснено на рис. 9.9. Припустимо, що в момент часу t₀ усі три полюси

апарату розмикаються і на них виникають дуги.

1) Струм I фази i₁, що першим проходить через нуль, в момент часу t₁ переривається і в подальшому лишається рівним нулю. По двох інших фазах проходять струми i₂ і i₃, які мають стати рівними за величиною і знаходяться в протифазі.

2) В момент зникнення струму i₁ відбувається скачкоподібна зміна фази і двох інших струмів, що лишились. Їх вектори змінять положення і будуть протилежними.

3) Амплітуди струмів i₂ і i₃ зменшуються в раз.

4) Починаючи з моменту часу t₁, їх миттєві значення змінюються за синусоїдним законом.

5) В момент часу t_2-3 обидва струми досягають нульового значення. Відбувається остаточне вимикання трифазного кола, дуги на полюсах 2 та 3 обриваються.

6) Характер зміни напруг на полюсах наступний: в момент t₁, коли струм i₁ припиняється, вектори напруг і змінюються скачком. Вони тепер в протифазі одна до другої. Напруга , яка діє в фазі, що відключається першою, скачком зростає в 1.5, на величину .

7) Таким чином, напруга на I-му полюсі буде відновлюватись від нуля до 3/2 .

8) В момент остаточного розриву трихфазного кола (це - момент t_2-3) напруги на полюсах 2 та 3 відновлюються до значення .

9) Після вимикання двох останніх фаз векторна діаграма напруг приймає свій початковий вигляд. Причому зміна напруги відбувається скачком.

Цей опис характера процесів зроблено для трьохфазного короткого замикання. Вид навантаження Н може вплинути на характер процесів.

Так, при вимиканні двигунів в обмотках статора з'являється проти е.р.с., що знаходиться в проти фазі з напругою джерела. Це приводить до зменшення відновлюваної напруги.

В процесі гасіння дуги змінного струму до переходу його через нульове значення відновлювана міцність міжконтактного проміжку є невеликою у вимикаючого апарату і, звичайно, в цей час не створюється необхідних передумов для гасіння дуги.

Інтенсивний ріст міцності наступає за переходом струму через нуль. Тому загальна умова гасіння дуги при змінному струмі відноситься до цієї стадії процесу.

Умова гасіння дуги змінного струму, що відноситься до розрахунку дугогасящих пристроїв формулюється так: дуга змінного струму буде погашена, якщо за переходом струму через нульове значення крива відновлюваної міцності міжконтактного проміжку вимикаючого апарату буде лежати вище кривої відновлюваної напруги на цьому проміжку.