3-6. ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ЗАМЫКАНИИ ЦЕПИ
При замыкании и размыкании цепи контакты изнашиваются, что может привести к нарушению работы выключателя. В разомкнутом положении выключателя подвижные или неподвижные контакты имеют пружину, которая прижимает контакт к своему упору. Во включенном положении контакт, имеющий пружину, отходит от упора, и пружина прижимает контакты друг к другу. Это нажатие сохраняется до тех пор, пока контактные поверхности не износятся настолько, что контакт начнет опираться на свой упор. Мерой износа контактов является уменьшение провала — пути, на который может продвинуться точка соприкосновения контактов (на контакте c. пружиной), если во включенном положении убрать другой контакт.
Изменение провала в процессе износа (для контакта данной формы и размера) достаточно точно определяется объемом материала, удаленного с контактной поверхности. Обычно чем больше удалено материала, тем меньше провал. Чем больше поверхность контакта и
Чем менее она выпуклая, тем меньше изменится провал при данном количестве удаленного материала и тем больше будет срок его службы.
Износ контактов очень часто выражают уменьшением их объема (веса). Однако надо иметь в виду, что уменьшение веса всего контакта не всегда достаточно точно характеризует изменение провала, так как материал может переместиться с рабочей на нерабочую поверхность или быть удален с нерабочей поверхности, износ которой не влияет на провал. Это имеет место главным образом при отключении.
Износ контактов коммутационных аппаратов вызывается главным образом электрическим током. Износ стыковых * контактов под влиянием трения при включении и отключении имеет столь малую величину по сравнению с износом при отключении** номинального тока, что обычно его можно не учитывать. При скользящих и клиновых контактах механический износ составляет существенную величину, в особенности при отсутствии смазки.
*Стыковыми называются контакты, движущиеся до замыкания перпендикулярно к плоскости касания контактов
**Механический износ в воздухе может быть существен по сравнению с электрическим износом при включении тока, равного номинальному.
Электрический износ происходит как при замыкании цепи, так и при размыкании ее. В одной и той же цепи при одном и том же токе в воздухе износ в первом случае меньше, чем во втором, если только замыкание контактов не сопровождается отбросом и размыканием под действием электродинамических сил (§ 3-8). Последнее имеет место только при коротком замыкании и приводит к очень сильному износу, не поддающемуся количественному учету. Этот вопрос здесь не рассматривается.
При пуске двигателей и включении электрических лампочек ток при замыкании цепи значительно выше, чем при размыкании. Такой режим характерен для пусковой аппаратуры. Иногда и коммутационная аппаратура распределительных устройств применяется для пуска двигателей. Установленные в зданиях автоматы могут включать большую группу ламп с вольфрамовой нитью. В этих условиях износ при замыкании может быть выше, чем при размыкании.
Основная причина износа при замыкании заключается в том, что после касания контакты подпрыгивают под действием сил упругости и образуется короткая дуга. Таких подпрыгиваний может быть несколько при одной операции включения. Отбрасыванию контактов способствует испарение металла в точке их касания. Контакты могут быть отброшены под влиянием сотрясения при ударе якоря о сердечник приводного электромагнита.
При замыкании износу подвергается главным образом анод под влиянием первичных электронов, выходящих из катода с большой скоростью и не успевших снизить свою скорость в плазме короткой дуги. Весовой износ приблизительно пропорционален сумме вторых или первых степеней времен существования отдельных дуг при замыкании. Если напряжение между контактами больше напряжения, достаточного для поддержания дуги, но меньше 300 в, то время горения каждой дуги равно времени подпрыгивания при ударе подвижного контакта о неподвижный. При напряжении свыше 300 е зазор между контактами пробивается до их соприкосновения и время существования дуги больше времени подпрыгивания.
Если принять, что неподвижные контакты имеют бесконечно большую массу, удар абсолютно упругий, подвижные контакты с массой т движутся до соприкосновения с неподвижными поступательно со скоростью v а сила, препятствующая отбросу (начальное нажатие па контактах), равна f, то, исходя из равенства импульса силы и количества движения, легко установить, что время от момента размыкания контактов при отбросе до достижения максимального зазора определяется уравнением
(3-11)
Время одного отброса равно 2t. В реальных условиях упругость применяемых материалов невелика. Потому колебания быстро затухают. Сумма времен подпрыгивания контактов /общ может быть определена опытным путем простым безынерционным прибором с непосредственным отсчетом (§ 12-12). Этот прибор
определяет сумму времени, когда в процессе включения по контактам протекает ток1 и одновременно между ними имеется напряжение из-за дуги или жидкого мостика. Если вибрация вызвана соударением контактов, то порядок величины /0бЩ примерно тот же, что и времени 4 по уравнению (3-11). Для снижения ее в соответствии с (3-11) надо уменьшать v и у Однако при
скоростях, порядок которых менее 0,1 м/сек, и напряжении сети свыше 300 в снижение скорости может принести к повышенному износу из-за увеличения времени существования дуги, возникающей до соприкосновения контактов вследствие пробоя зазора между ними.
Скорости движения контактов выключателей при включении обычно значительно больше 0,1 м/сек. Не следует думать, что снижение ее всегда благоприятно отразится на износе. В момент касания контактов иногда возникает столь значительное усилие, препятствующее включению, что при ручном приводе для преодоления его желательно развить высокую скорость подвижной системы, чтобы запасти большую кинетическую энергию. В противном случае в момент касания контактов возможно длительное существование перемежающегося контакта, вызывающего сильное обгорание. Особенно важно быстрое движение при включении вручную тока короткого замыкания. Снижение скорости полезно, если добавочное механическое сопротивление, возникающее в момент касания контактов, преодолевается без задержки и если зазоры в звеньях механизма не вызывают перемежающегося контакта (см. ниже).
Величину mjf во всех случаях желательно иметь возможно меньшей — порядка не более 0,01 г/А Во многих существующих аппаратах ее можно значительно уменьшить путем снижения массы подвижного контакта, а иногда и увеличения предварительного нажатия. Предел уменьшения массы контакта определяется главным образом прочностью его, термостойкостью при больших токах и необходимостью иметь достаточный запас материала на контактной поверхности для предотвращения быстрого износа. Нагрев контактов при протекании номинального тока в данном случае обычно не препятствует облегчению его ввиду того, что главная доля мощности выделяется в месте контакта (§ 3-9). В магнитных пускателях серии !П v~\ ujceK, mjf — 0,05г/Г, при этом сумма времен подпрыгивания общ=3 мсек; после уменьшения скорости до 0,4 м/сек и отношения массы к усилию до 0,01 г/Г 4бщ стало около 0,3 мсек.
Особенно большое подпрыгивание и, следовательно, «большой износ получаются, если после момента касания контактов нажатие в контактной точке возрастает не скачкообразно до величины, равной расчетному предварительному нажатию. Это имеет место при неудачной кинематике, когда после касания контактов требуемое нажатие устанавливается только после того, как будут выбраны зазоры в шарнирах. На рис. 3-9 даны примеры удачных и неудачных конструкций. Зазоры в шарнирах во включенном положении и до касания контактов должны быть выбраны в одну и ту же сторону.
Рис. 3-9. Устранение вредного влияния зазора в шарнирах.
1 — неподвижные контакты; 2 — подвижный контакт; а — после соприкосновения контактов нажатие на них имеет величину, близкую к пулю, до тех пор, пока не будут выбраны зазоры в шарнирах; б — после соприкосновения контактов нажатие на них сразу скачкообразно возрастает до полной величины предварительного нажатия.
Стрелкой показано направление движения при включении.
На рис. 3-10 и 3-11,а показаны случаи, когда действительное нажатие получается значительно меньше расчетного.
На рис. 3-12 показан случай, когда может быть очень сильное обгорание контактов, так как они касаются Друг друга почти без нажатия из-за того, что в механическом отношении система статически неопределенна.
Скользящие контакты изнашиваются при включении значительно больше стыковых, так как у них при касании не так быстро создается полное нажатие и так как при скольжении по шероховатой обгоревшей поверхности получается сильный разогрев точек касания и даже короткие дуги.
Притирание стыковых контактов увеличивает электрический износ при включении. Поэтому желательно, чтобы оно было насколько возможно малым. Однако контакты должны притираться в той мере, в какой это необходимо для очистки от токопроводящих пленок (§ 3-9).
Анализ приблизительно 500 испытаний разных аппаратов в разных условиях показал [ Л. 3-29], что средний суммарный весовой износ Q двух контактов при включении или отключении (отнесенный к одной дуге) после N коммутационных операций при токе / может быть приблизительно определен по формуле
Рис. 3-10. При касании контакта краем мало усилие, препятствующее отбросу.
У —неподвижные контакты; 2 — подвижный контакт; стрелкой показано направление движения при включении.
(3-12)
При многополюсных аппаратах Q является средним износом всех контактов. Например, для определения
Рис. 3-11. Устранение уменьшенного нажатия на одном из контактов мостика. 1—неподвижные контакты; 2 — подвижный контакт; а — при относительно большом диаметре пружины точка приложения равнодействующей силы может быть сильно смещена с центра, что приведет к малому нажатию на одном из контактов; б — при небольшом диаметре пружины или при наличии чашечки, опирающейся в центре, нажатие на обоих контактзх практически одинаково.
значения Q при трехполосном аппарате с мостиковымй контактами суммарный весовой износ 12 контактов надо делить на 6.
Пропорциональность между Q и N обычно сохраняется, пока контакты сильно не изношены, на этот случай и распространяется формула (3-12).
Сильно изношенные бугристые контакты, а также контакты с сильно окисленной поверхностью имеют больший весовой износ на одну операцию, что связано с большим разогревом контактных точек и ухудшенными условиями возвращения материала контактов при меньшем радиусе кривизны места контактирования.
Рис. 3-12. Устранение неопределенного нажатия на скользящих контактах при включении.
мостик, опираясь на три плоские детали на значительном участке пути при включении, не создает определенного нажатия в месте контакта; б — мостик с цилиндрической поверхностью после соприкосновения с двумя неподвижными контактами
Нажатие на изношенных контактах также ниже, что увеличивает износ из-за подпрыгивания. По этим причинам после некоторого числа коммутационных операций износ растет прогрессивно, и контакт быстро выходит из строя. Поэтому по формуле (3-12), исходя из геометрической связи между изменениями провала и убылью материала, не всегда можно правильно определить полный срок службы контакта. Однако относительную износоустойчивость контактов формула (3-12) характеризует достаточно хорошо. Значения величины k, которую мы назовем коэффициентом износа, приведены в табл. 3-4. Эти значения относятся к аппаратам с электромагнитным управлением, главная цепь которых работает при напряжении 50 500 в.
Износ при включении переменного тока обычно больше, чем больше индуктивность из-за того, что апериодическая слагающая тока переходного режима увеличивает первый пик тока.
Износ при включении постоянного тока тем больше, чем меньше индуктивность, так как при меньшей индуктивности больше скорость роста тока в момент касания контактов и к моменту их отброса может быть больший ток.
Уменьшая величину /общ, можно практически совершенно ликвидировать износ контактов при включении> а также уменьшить возможность приваривания их (§ 3-8). Износ при включении становится ничтожным при общ<0,3 мсек. Снижение вибрации контактов — главное и практически единственное мероприятие по снижению износа их при включении.
