3-7. ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ РАЗМЫКАНИИ ЦЕПИ а) Физические процессы
Износ контактов при размыкании электрического тока вызывается рядом физических процессов. В зависимости от тока, напряжения, материала контактов и скорости движения опорных точек дуги тот или иной процесс определяет износ.
При токе и напряжении, характеризуемых точками, лежащими ниже кривой 1~0 (рис. 3-1), при контактах из серебра, меди и т. п. не существует электрической дуги. В этой области износ контактов (в обычных условиях — анода) происходит исключительно вследствие образования между контактами мостика из жидкого металла. Контакты дают разное количество материала для образования мостика. При размыкании контактов мостик разрывается не посередине. Ввиду этого материал переходит с одного контакта на другой. Так как зазор между контактами при разрыве мостика мал, то малые соприкасающиеся участки обмениваются металлом. Поэтому на одном контакте (катоде) появляются наросты в форме игл, а на другом — глубокие кратеры. Это может привести к перемыканию контактов. Режим работы, при котором на поверхности контактов образуются иглы, характерен только для аппаратов слабого тока. При работе аппаратов сильного тока иглы обычно не образовываются из-за плавления их. Мостики могут перемещаться с рабочей на нерабочую поверхность контакта силами внешнего магнитного поля, а также магнитного поля, созданного током, проходящим по контактам, если он достаточно большой (сотни ампер). При этом обе контактные поверхности теряют металл.
Износ контактов сильноточных аппаратов при размыкании цепи, в которой не образуется электрической дуги, * практически совершенно ничтожен. Главным является износ при наличии дуги (область выше кривой /=0 на рис. 3-1). При малых токах, а также при средних значениях тока и больших скоростях движения дуги изнашивается (распыляется) главным образом катод вследствие бомбардировки его ионами, которые приобрели большую скорость в области катодного падения напряжения. При больших токах, а также при средних значениях тока и малых скоростях дуги значительные участки обоих контактов сильно разогреваются и оплавляются. Кроме того, имеют место кипение и обычное испарение материала. Сильнее всего оплавляется анод из-за нагрева при поглощении энергии электронов.
Граница между областями распыления и оплавления не установлена. Она разная у разных металлов. Ориентировочно молено указать, что при переменном токе свыше 50—200 а износ начинает носить характер оплавления. Трудность установления границы между зонами вызвана большим влиянием скорости перемещения опорных точек дуги. По внешнему виду контактов эти области можно разграничить. В области распыления износ поверхности равномерный, поверхность шероховатая без оплавленных участков и мелких шариков застывшего металла — корольков. Износ катода пропорционален количеству прошедшего электричества. В области оплавления после отключения тока появляются сначала корольки, а затем большие участки застывшего расплавленного металла с гладкой неровной поверхностью. В области оплавления износ очень сильно увеличивается при увеличении тока. Износ зависит от многочисленных факторов, ниже рассмотрено их влияние.
в) Влияние тока и материала контакта
Весовой износ контактной пары (отнесенный к одной дуге) при отключении определяется (3-12). Приблизительное значение входящего в эту формулу коэффициента k при отключении тока воздушными электромагнитными аппаратами при напряжении цепи 50—500 в указано на рис. 3-13. Из кривых видно, что k приблизительно обратно пропорционально току при малых токах и имеет постоянную величину при больших токах. Следовательно, при малых токах износ приблизительно пропорционален току (область распыления), а при больших токах пропорционален квадрату тока (область оплавления). Испытания при токах 12 000 а [Л. 3-30], при которых дуга между контактами, находящимися на расстоянии 0,8 мм в воздухе, зажигалась высоковольтным импульсом и горела в течение полупериода (при 60 Гц), дали следующие значения коэффициента k:
серебро 14
серебро—37% вольфрама 11,3
медь 10
серебро—37% карбида вольфрама 6,45
серебро—50% вольфрама. 4,9
серебро—75% вольфрама 3,3
медь—75% вольфрама 2,2
, серебро—50% карбида вольфрама 2
графит 0,1
Сравнение разных материалов, применяемых для контактов, показывает, что при малых токах, примерно до 100 а (рис. 3-13), серебро — одно из наиболее износоустойчивых материалов. Композиции на базе серебра с добавкой тугоплавких материалов (никеля, вольфрама, графита), а также окиси кадмия при малых токах изнашиваются больше серебра, причем сильнее всего изнашивается серебро — вольфрам и серебро — графит. Медь изнашивается сильнее серебра.
При больших токах серебро и медь являются наименее износоустойчивыми материалами. Они выплавляются большими кусками. Лучше себя ведет латунь, которая имеет меньший и более равномерный износ. Добавка к серебру окиси кадмия повышает износоустойчивость контакта (при токах более 100 а), так как окись кадмия разлагается и выделяет кислород, который заставляет опорную точку дуги быстро двигаться и этим предотвращает выплавление контакта.
Серебро — окись кадмия применяется для контакторов нормального режима работы (магнитных пускателей) на ток свыше 50 а, которые изредка отключают токи до 1 000—2 000 а. При больших токах этот материал работает нехорошо. В последнем случае лучше вышеуказанных материалов работают композиции, состоящие из хорошо проводящего металла (медь, серебро) и несплавляемого с ним тугоплавкого материала (карбид вольфрама, вольфрам, молибден, графит, никель).
Pиc. 3-13. Зависимость коэффициента износа k от тока при размыкании контактов в воздухе.
Тугоплавкий материал препятствует вытеканию расплавленного проводникового материала. Износоустойчивость контакта при токах порядка 10 кА и выше тем больше, чем большую температуру плавления имеет тугоплавкий материал и чем этого материала больше (до определенного процентного содержания).
Композиции с тугоплавкими материалами применяются для разрывных контактов автоматических выключателей, отключающих токи 10 — 100 кА. Ввиду большого переходного сопротивления композиций с вольфрамом, молибденом и карбидом вольфрама их применение для разрывных контактов может вызвать значительное обгорание главных контактов, параллельно соединенных с разрывными. В этом случае Для токов до 50 кА с успехом применяется контактная пара серебро — никель и серебро — никель — графит. Для токов более 50 кА очень успешно применяются меднографитовые композиции. Однако существенным недостатком композиции с графитом является выделение большого количества копоти, оседающей на аппарате и ухудшающей его изоляцию.
Композиции серебро — никель износоустойчивы в очень широком диапазоне токов — от единиц ампера до нескольких десятков килоампер, и они применяются во многих аппаратах. Однако их существенным недостатком является повышенная склонность к свариванию.
В последнее время находит применение кадмиевая медь, так как она примерно вдвое износоустойчивее меди. Кадмиевая медь, серебро — никель и серебро — вольфрам применяются для контакторов тяжелого режима работы.
Новый материал серебро — 10% окиси меди, разработанный проф. Усовым В. В., находит все более широкое применение благодаря своей износоустойчивости и хорошему сопротивлению свариванию (бытовые автоматы, контакторы).
Контакты малоамперных аппаратов (в частности, автоматов) в последнее время делают из сплавов на основе меди с добавкой 2 — 6% серебра и 0—2% кадмия. Большое распространение получает также серебро с небольшой добавкой (4%) меди ввиду износоустойчивости этого сплава [ Л. 3-33].
Износ металлокомпозиций очень сильно зависит от их структуры. Чем меньше зерна, тем выше износоустойчивость. Высокую износоустойчивость имеют серебро — окись кадмия и серебро — окись меди, полученные методом. окислительного отжига из сплавов серебро — кадмий и серебро — медь, так как они имеют очень тонкую структуру.
Вышеприведенные данные о весовом износе являются средними из ряда значений, полученных в разных условиях. Эти условия могут чрезвычайно сильно повлиять на износ. Поэтому в каких-то конкретных условиях (данный аппарат, определенный режим работы) относительная износоустойчивость контактных материалов может резко отличаться от описанной.
г) Влияние частоты операций
Вышеприведенные данные о весовом износе относятся к режиму работы коммутационных аппаратов, у которых частота отключений примерно не более I 000 в час. При частоте операций, свойственной вибрационным аппаратам (несколько циклов в секунду), износ может быть значительно больше из-за разогрева контакта и большей доли механического износа, так как коммутируемый ток в этих режимах невелик. В этом случае при гораздо меньших токах может сказаться преимущество серебро — вольфрама перед серебром. Вообще, чем больше частота операций, тем больше преимущество металлокомпозиций с тугоплавкими компонентами.
д) Влияние напряжения, числа разрывов цепи и индуктивности
Чем больше число разрывов цепи, тем меньше напряжение, приходящееся на каждый разрыв. Поэтому влияние числа разрывов определяется влиянием напряжения.
Напряжение и индуктивность цепи (при данном коммутируемом токе) могут влиять на износ, если они влияют на время нахождения дуги на рабочей поверхности контакта и на ток в дуге. Обычно при отключении токов выше критических (§ 3-3) и напряжениях на один разрыв более 50 в дуга сходит с рабочей поверхности контакта и гаснет на дугогасительных рогах. В этом случае напряжение и индуктивность мало влияют на время нахождения дуги на рабочей поверхности контактов и на ток дуги в этот период и, следовательно, на износ контактов. При малых токах или малых напряжениях (например, 24 в при двух разрывах цепи) дуга гаснет, не сходя с рабочей поверхности. Ее сопротивление существенно снижает ток, и в этом случае снижение напряжения и индуктивности уменьшает износ.
Износ контактов аппаратов при напряжении 24 в может быть существенно меньше указанного на рис. 3-13. Эти данные при токах ниже критических (~10 а) также не распространяются на контакты, отключающие индуктивные цепи постоянного тока. В этих цепях время горения дуги приблизительно пропорционально индуктивности. Оно может быть очень большим, что ведет 110 к большому износу контактов. Так, например, по испытаниям Г. О. Фейлера при отключении блок-контактами цепи постоянного тока 220 в с постоянной времени 0,1— 0,2 сек коэффициент износа серебряных контактов при токе 0,5 — 1 а был приблизительно 600, а при отключении слабо индуктивной цепи при токе 1—6 а он был соответственно 20 и 8. Даже при небольших переменных токах заметно влияние индуктивности. Так, при напряжении 220 в, токах 2 — 12 а коэффициент износа серебряных контактов в индуктивной цепи при coscp=0,3 был 2,5 — 1,1, а в безындуктивной цепи он составлял 0,6 — 0,4.
е) Влияние кривизны контактной поверхности
Чем больше кривизна поверхности, тем больше весовой износ, так как больше разогрев контактных точек и меньше возврат жидкого или газообразного металла на контактную поверхность. Так, например, при отключении переменного тока 20 а серебряными контактами средний коэффициент износа был fJT. 3-31]:
Радиус кривизны, ям k
18 0,039
9 0,046
0,125
0,172
Влияние кривизны поверхности на износ очень велико, так как при данном весовом износе уменьшение кривизны поверхности ведет к меньшему изменению провала. Однако контакты обычно не делают плоскими, так как в этом случае затруднена очистка их от грязи и плохо проводящих пленок (§ 3-9).
ж) Влияние места контактирования
Чем ближе место контактирования к краю контактов, тем сильнее их износ, так как тем меньшее количество расплавленного или испарившегося металла оседает на контактной поверхности. Например, в одной конструкции при касании контактов в середине рабочей поверхности износ был в 6,6 раза меньше, чем при касании с края [Л. 3-32].
з) Влияние раствора контактов, скорости их расхождения
и направления движения контактной поверхности
(При токе 100—400 а и напряженности поля 100— 1 000 э максимальная скорость движения дуги между контактами получается при зазоре 1—2 мм. При зазоре 10 мм скорость движения дуги равна 70% максимальной [Л. 3-10].
При малых зазорах дуга не выходит из области между контактами. По исследованиям, Мюллера [Л. 3-47] в случае отсутствия постороннего дугогасительного поля для движения дуги под влиянием магнитного поля контура тока, образованного контактами, сходящимися под углом 20°, при ширине контакта 10 мм и толщине контакта 5 мм необходим минимальным зазор определяемый уравнением
(3-13)
где для меди М = 0,18 кА-мм; для серебра М = 0,85 кА-мм;
I — ток, кА; формула справедлива при 2 <</-<20 кА.
4шн приблизительно пропорционально квадрату толщины контакта.
Чем больше скорость движения дуги, тем меньше износ. При малых растворах контактов имеет место более интенсивная конденсация паров металла на поверхности контакта и оседание на ней частичек жидкого металла. Поэтому износ будет меньше при малом растворе (не менее 1 мм), если дуга выходит из области между контактами и если отсутствуют повторное зажигание, затяжное горение дуги и повторное касание контактов после отброса подвижной системы от упора. Особенно эффективен малый раствор контактов при переменном токе, если дуга гаснет в первом нуле тока. В этом случае будет выделяться меньше энергии, чем при большом растворе, что снижает износ. Испытания одного контактора показали, что при отключении переменного тока 300 а напряжением 380 в при двукратном разрыве цепи износ контактов уменьшился в 1,5 раза при уменьшении раствора контактов с 7 до 2 мм.
Для снижения износа важно, чтобы была больше начальная скорость движение контактов, пока не достигнут раствор контактов порядка 1 мм. При этом уменьшается разогрев контактов от Прохождения тока по жидким мостикам и интервал времени, когда возможен перемежающийся контакт в процессе размыкания. Поэтому на износ сильно влияет направление движения контактов. Наименьший износ получается при движении контактов в направлении, перпендикулярном в плоскости касательной к контактной поверхности в точке их соприкосновения. Чем меньше угол между направлением движения контактов и вышеуказанной плоскостью, тем больше износ. Это связано с тем, что при перпендикулярном направлении движения скорее достигается вышеуказанный раствор 1 мм.
Раствор контактов коммутационных аппаратов делают значительно больше 1 мм, что необходимо для гашения дуги, компенсации производственных допусков и предотвращения касания контактов при отбросе от упора. Скорость движения контактов при размыкании приблизительно постоянна, так как наибольшее ускорение имеет место в течение хода, когда выбирается провал контактов. В этих условиях ,при переменном токе к концу полупериода, когда гаснет дуга, раствор контактов будет тем больше, чем больше скорость их размыкания и, следовательно, при скоростях, больших некоторой оптимальной (необходимой для достаточно быстрого разрыва мостика), с увеличением скорости можно ожидать увеличения износа. При переменном токе 20 а оптимальная скорость равна приблизительно 2 см!сек. При больших токах оптимальная скорость размыкания не установлена. Испытания [Л. 3-53] показали, что при токе 20—100 а, напряжении 220 в переменного тока и активной нагрузке уменьшение скорости размыкания с 0,3 до 0,1 м]сек снизило износ контактов в 3 — 2 раза. Раствор контактов при этом был 2 и 6 мм. Дуга почти всегда гасла до того, как достигался полный раствор контактов. Однако при растворе контактов 2 мм износ их был в 1,25 раза меньше, чем при растворе 6 мм, что является следствием более интенсивной конденсации материала контактов при меньшем растворе их. Испытания [8]в аналогичных условиях при токах 100-—300 а тоже показали снижение износа при снижении скорости раздвижения контактов.
и) Влияние магнитного поля
Для уменьшения износа соприкасающихся контактных поверхностей рекомендуется делать контакты с рогами. По ходу дуги не должно быть ступенек на поверхности электродов, чтобы не задерживать дугу. Надо создавать достаточное электродинамическое (или электромагнитное) усилие, чтобы дуга достаточно быстро сходила с контактной поверхности на рога. Однако чрезмерное магнитное поле может создать повышенный износ, так как будет выбрасывать жидкие мостики между контактами за пределы контактной поверхности до того, как контакты успеют раздвинуться на величину порядка 1 мм, при которой мостик уже должен разорваться. Вследствие этого иногда (например, при медных контактах) имеется оптимальная напряженность магнитного поля гашения дуги, при которой получается наименьший износ. При меньшей напряженности увеличенный износ получается из-за малой скорости дуги, образующейся после разрыва мостика, а при большей напряженности увеличенный износ получается из-за слишком большой скорости движения жидкого мостика. Чем больше ток, тем выше скорость движения перешейка под влиянием собственного магнитного поля контура тока и тем при меньшей напряженности внешнего магнитного поля имеет место оптимум. При токе 100 а оптимальная напряженность внешнего поля для контакторов постоянного тока с медными контактами на напряжение 250 в равна 130 э и уменьшается примерно на 30 э при увеличении отключаемого тока на каждые 100 а (до 600 a) fJT. 3-2]. Испытания показали, что износ контактов с тугоплавкими компонентами (серебро — вольфрам) значительно уменьшается при увеличении напряженности магнитного поля (испытано до 500 э) и становится значительно меньше износа медных контактов.
к) Влияние рода тока
При токах, больших критических (порядка более 10 а), когда дуга до гашения ее сходит с рабочей поверхности контактов, суммарный износ обоих контактов при постоянном и переменном токах приблизительно одинаков. При токах, меньших критических, см. п. «д».
Однако при постоянном токе контакты изнашиваются неравномерно. При токах менее 4 а износ одного из электродов при отключении может во много раз (а иногда во много десятков раз) превосходить среднюю потерю веса обоих электродов, так как перенос материала с одного электрода на другой значительно больше уноса материала в окружающую среду. Данными рис. 3-13 (о средней потере веса) нельзя пользоваться для определения потери веса наиболее изношенного контакта при постоянном токе менее 10 а. При токах более 20 а анод обычно изнашивается сильнее катода. В интервале токов 20—150 а износ анода превышает полусумму износа анода и катода в 1,1—3 раза.
При переменном токе контакты также изнашиваются неравномерно из-за неодновременности замыкания к размыкания, а также из-за того, что электромагниты переменного тока в цепях управления срабатывают при одних фазах тока чаще, чем при других, и контакты одних полюсов обычно размыкают цепи при большем мгновенном значении тока, чем контакты других полюсов.
Так как выход из строя контактной системы определяется выходом из строя первого (наиболее износившегося контакта), то для определения срока службы контактов надо знать, во сколько раз максимальный износ контактов больше среднего износа. Для трехполюсных аппаратов максимальная потеря веса контактов одного полюса в 1,1—2,5 раза больше средней потери веса (отнесенной к одному полюсу).
