Глава пятая
КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
5-1. ОБЗОР РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ
В 20-х годах во всех конструкциях универсальных автоматических выключателей контактная система каждого полюса состояла из трех включенных параллельно контактов: главного, предварительного и разрывного. Во включенном положении главный контакт проводит почти весь ток. При отключении он размыкается первым, и ток проходит по предварительному и разрывному контактам. Напряжение на главных контактах в этот момент очень мало: оно равно падению напряжения на предварительном и разрывном контактах. Поэтому дуга на главных контактах быстро гаснет, и этим обеспечивается их защита от обгорания. Затем размыкается предварительный контакт, и ток проходит только по разрывному. Предварительный контакт применялся для добавочной защиты главного. После размыкания всех контактов дуга горит между разрывными контактами. Для уменьшения их обгорания и ликвидации приваривания неподвижный разрывной контакт делался из угля. Главный подвижной контакт делался щеточным. Он представляет собой пакет пластин из особо твердой меди (толщина пластины около 0,3 — 0,5 мм) с косо резанным торцом. Во включенном положении каждая пластина создает отдельный электрический контакт.
Щеточный контакт работает плохо — небольшое обгорание контактной поверхности (особенно корольки) приводит к прекращению протекания тока по одним пластинам и к перегрузке других. Неизбежное повышение переходного сопротивления вызывает повышенный нагрев пружинящих медных пластинок, которые легко отпускаются, из-за чего снижается нажатие, повышается переходное сопротивление и происходит дальнейший прогрессивный рост температуры, быстро приводящий к полному выходу щетки из строя. Щеточный контакт необходимо рассчитывать на очень низкое повышение температуры — не выше 30°, что приводит к большим размерам и большим затратам материала. Ввиду этого щеточный контакт в новых конструкциях не применяется. Щеточный контакт был заменен на сплошной, прижимаемый стальной пружиной (рис. 4-32). Были введены серебряные накладки. Благодаря этому оказалось возможным повысить допустимое превышение температуры (§ 1-5) и коммутационную способность, так как массивный контакт меньше повреждается от дуги, чем щеточный. Значительно повысилась надежность контактной системы и уменьшились ее размеры.
В дальнейшем было установлено, что при массивных контактах трехступенчатая система, состоящая из трех независимых контактов, не всегда нужна, а в некоторых случаях она даже приносит вред. Из-за большего сопротивления цепей предварительного и разрывного контактов, существенно отдаленных от главного, получается обгорание главных контактов (§ 5-2).
Наличие трех постоянно включенных контактов на каждом полюсе приводит к необходимости рассчитывать механизм автомата на большие усилия. Система получается сложной и громоздкой. Подвижная система имеет большой момент инерции, что снижает скорость отключения и вызывает повышенный износ от дуги.
В связи с этим стали уменьшать число ступеней до двух и даже одной (при малых токах). Кроме того, стали объединять два независимых контакта в один. При этом двухступенчатая коммутация получается за счет взаимного переката одной и той же контактной пары (рис. 5-1, 5-3, 5-11) [ Л. 6-4, 5-6, 5-7]. Последнее мероприятие существенно снизило полное сопротивление цепи, по которой происходит перераспределение тока, и нагрузку на механизм. Перекат контакта облегчает отрыв при приваривании. Осуществление этого особенно облегчилось после появления металлокомпозиций, стойких по отношению к привариванию, обгоранию и отличающихся хорошей способностью длительно проводить ток. Однако известны конструкции, у которых и при медных контактах были проведены эти мероприятия (рис. 5-1, 5-2) [Л. 5-4, 5-5].
Рис. 5-1. Автомат на 3 000 а, 750 в постоянного и переменного тока с однотактной двухступенчатой системой и поворотным контактным мостиком.
а — момент касания контактов; б — включенное положение.
В автоматах на токи до 800 а включительно главные контакты обычно имеют одно кратный разрыв цепи. Поэтому ток к подвижному контакту подводится через гибкое соединение, сделанное из тонких медных проволочек, сплетенных в гибкие жгутики. При токах более 800 а гибкие соединения получаются очень громоздкими, поэтому главные контакты часто выполняются в виде мостика с двукратным разрывом цепи (рис. 4-32). Двукратный разрыв цепи главными контактами, если они не рвут дугу, не нужен. В случае объединения главного и разрывного контактов он неудобен, так как дуга направляется в две стороны, а надо направлять ее в одну сторону—в дугогасительные камеры. Главный недостаток двойного разрыва главных контактов по сравнению с одинарным заключается в том, что требуется передача двойного усилия и двойной энергии от механизма. Для устранения этого недостатка- стали применять поворотный мостик, у которого только один контакт размыкается, а другой всегда соприкасается с неподвижным, и при коммутации тока он слегка перекатывается или скользит по неподвижному (рис. 5-1). При такой конструкции энергия, подводимая при включении от механизма свободного расцепления к подвижному кон-i такту и идущая на сжатие его пружины, уменьшается в 2 раза. Поворотный мостик применяется главным образом при больших токах, где нежелательно иметь гибкие соединения.
Для уменьшения отброса контактов применяют компенсацию отбрасываемых усилий или несколько параллельно включенных главных контактов.
Рис. 5-2. Контакты автомата на 1 000 а, 500 в из меди с большим притиранием с электромагнитной компенсацией, осуществляемой при притяжении якоря 1 под влиянием тока, подходящего к подвижному контакту 2.
Для компенсации электродинамических усилий, отбрасывающих контакты, ранее применялись электромагнитные устройства (рис. 5-2) [Л. 5-3], однако они сложны и недостаточно эффективны, так как стальные детали при больших токах насыщаются и компенсирующее усилие оказывается недостаточным. В настоящее время в автоматах с механизмом свободного расцепления компенсация осуществляется электродинамическими усилиями, создаваемыми путем соответствующего расположения токоведущих частей. Для этого удобно подвижный контакт делать без пружины, создающей контактное нажатие (рис. 4-34, 5-3, 6-11) [Л. 4-29, 5-6, 6-7], и жестко соединить его с механизмом свободного расцепления, а пружину перенести на неподвижный контакт, который при включении немного перемещается, сжимая пружину, создающую контактное нажатие. Детали, подводящие ток к неподвижному контакту, в этом случае располагаются так, чтобы образовалась петля тока, вызывающая компенсирующие электродинамические усилия. Для увеличения компенсирующего усилия иногда делают двойную петлю (рис. 5-4). Расположение пружины главных контактов на неподвижной части облегчает подвижную систему, что, как это указано выше, весьма целесообразно. Расположение главных подвижных контактов в полости между неподвижными (рис. 4-34) также создает электродинамическую компенсацию.
Электродинамическая компенсация увеличивает усилие, требующееся для включения. Применение разрывных контактов специальной конструкции (§ 4-9) существенно облегчает включение, особенно при переменном токе.
При применении п параллельно включенных контактов общее отбрасывающее усилие уменьшается в п раз, как это следует из уравнения (3-7). Чем больше число параллельных контактов, тем меньше будет отброс при коротком замыкании, появившемся при включенном автомате (испытание по циклу О). Если же автомат включает цепь, в которой уже имеется короткое замыкание (испытание по циклу ВО), то из-за неодновременности касания контактов ток первоначально пойдет только по одному из параллельно включенных контактов и вызовет его отброс.
Рис. 5-3. Контакты и камера автомата на 600 а, 250 в постоянного и 600 в переменного тока с несколькими параллельными перекатывающимися контактами. Токи на участках, отмеченных стрелками, создают электродинамическую компенсацию отбрасывающих усилий. Разрывная способность 20 tea (действующее значение симметричной составляющей).
Так будут отбрасываться поочередно все подходящие контакты. Чем больше параллельных контактов и чем, следовательно, меньше нажатие на каждом из них, тем тяжелее могут быть условия работы по циклу ВО. Поэтому чрезмерное дробление контактов на параллельные также нежелательно. Оптимальное решение принимается на основании результатов испытания. Обычно число параллельно включенных главных контактов выбирается так, что на каждый из них приходится рабочий ток порядка 300—700 а. При переменном токе из-за поверхностного эффекта крайние контакты сильнее нагружены и на них полезно иметь несколько большие нажатия, чем на средних. Конструкции с несколькими параллельными контактами показаны на рис. 4-34, 5-3, а также в [ Л. 5-8].
Существенное снижение усилий, отбрасывающих мостик, может быть достигнуто увеличением угла наклона контактных площадок (рис. 5-5). Слишком большой угол может вызвать заклинивание контактов; кроме того, при этом потребуется чрезмерный провал контактов для компенсации их износа.
Рис. 5-4. Схема двойной петли для компенсации отбрасывающих электродинамических усилий в контакте.
1 — неподвижный контакт; 2 — подвижный контакт; 3 — неподвижный токопровод.
Рис. 5-5. Мостиковый подвижный главный контакт 1, опирающийся на неподвижные контакты 2 с наклонной контактной поверхностью.
Когда один полюс автомата состоит из нескольких параллельно соединенных элементов, надо, чтобы дуга горела на всех разрывных контактах, находящихся в разных частях камеры, разделенных перегородками, или в разных камерах. Однако из-за неодновременного расхождения контактов этого может и не быть. Кроме того, если вольт-амперная характеристика дуги падающая, то дуга стремится сосредоточиться на одном из параллельно включенных контактов. Для устранения этого рекомендуется последовательно с каждым разрывным контактом включать небольшое индуктивное сопротивление.
Если не принято специальных мер, электродинамическое взаимодействие дуги и тока, идущего по контактам, приводит к тому, что опорные точки дуги прижимаются к одной стороне контакта. Это повышает износ камеры вблизи контакта. Стремление дуги сместиться в сторону тем больше, чем шире контакт. Для предотвращения этого направляют дугу посередине контакта, для чего делают специальные прорези в разрывных контактах. На контактах делают также узкие ребра, направленные к центру камеры, куда желательно, чтобы двигалась дуга. По торцу узких ребер или по узким участкам контактов между прорезями дуга движется быстрее, что снижает износ контактов. Иногда разрывные контакты делают полуцилиндрической (ложкообразной) формы. Дуга идет по их образующей к середине камеры (рис. 5-6) [ Л. 5-2, 5-3].
Чтобы дуга направлялась по середине камеры, ток подводят с двух сторон (по двум параллельным путям) к местам, по которым движется ее опорная точка. В результате этого дуга стремится занять центральное положение.
Токи короткого замыкания могут создать такое сильное магнитное поле в замкнутых (полностью или частично) контурах из стальных деталей механизма автомата, что он не сработает. Кроме механического воздействия, может быть сильный нагрев стальных деталей от вихревых токов. Поэтому следует стремиться к тому, чтобы алгебраическая сумма мгновенных значений токов, проходящих через эти контуры, была равна нулю. При номинальных токах порядка нескольких килоампер даже при частоте 50 Гц желательно, чтобы токоведущие детали с обеих сторон охватывали стальные детали, на которых они крепятся. Это снизит потери на вихревые токи.
С увеличением частоты нагрев от вихревых токов сильно возрастает и приходится снижать номинальный ток. Если автомат при постоянном токе допускает длительное прохождение тока 1 000 а, то при повышенной частоте этот ток ориентировочно будет: при 60 Гц — 950 а, при 200 Гц — 800 а, при 400 Гц — 700 а, при 2 000 Гц — 400 а.
Рис. 5-6. Пути тока в ложкообразных разрывных контактах с прорезями. В результате взаимодействия с током опорная точка дуги быстро движется в направлении стрелки к середине камеры.
Процентное снижение номинального тока тем больше, чем больше токи. У высокочастотных автоматов избегают применять ферромагнитные детали, и в особенности массивные. Иногда для снижения потерь высокочастотный автомат для однофазного тока выполняют трехполюсным и включают полюсы так, чтобы по среднему полюсу протекал полный ток в одном направлении, а в каждом из крайних полюсов токи были вдвое меньше и протекали в противоположном направлении.
