Глава десятая
ИЗНОС КОНТАКТОВ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
10-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Износ контактов коммутационных аппаратов является одной из важнейших характеристик, определяющих устойчивость работы аппарата в эксплуатации.
Износ контактов может происходить как вследствие механических явлений (трение, соударение), так и электрических процессов, главным образом за счет образования и горения электрической дуги на контактах при размыкании цепи. Преобладание того или иного вида износа зависит от режима работы аппарата, величины коммутируемого тока, материала контактов и пр. Износ контактов у слаботочных аппаратов носит иной характер, чем у сильноточных. Мы не ставим своей задачей рассмотреть здесь вопрос эрозии контактов в целом. Нас интересует главным образом износ контактов, порождаемый дуговым разрядом, возникающим как при размыкании, так и замыкании электрической цепи контактами сильноточных аппаратов.
В сильноточных аппаратах дуговой износ является основным, определяющим долговечность аппарата. Особенно велики дуговые разрушения контактов при коммутации цепей в режиме короткого замыкания, когда возникает необходимость смены контактов после нескольких (трех—пяти) циклов срабатывания аппарата.
Дуговой износ контактов может проявляться не только в процессе размыкания цепи, но также и в процессе ее замыкания. Соотношение этих процессов может быть различным в зависимости от напряжения, действующего в цепи. Дуговые процессы при замыкании контактов аппарата наиболее сильно проявляются в коммутационных аппаратах высокого напряжения и сравнительно слабо в аппаратах низкого напряжения.
В процессе отключения цепи при рабочих режимах и коротких замыканиях между контактами коммутирующего аппарата возникает дуговой разряд, приводящий к оплавлению и испарению металла контакта. Степень износа контактов за одну операцию зависит от величины тока в цепи, длительности горения дуги, от материала контактов и конструктивных особенностей аппарата. Общий износ контактов обычно находится в прямой зависимости от числа операций, выполненных аппаратом.
Образованию дуги между контактами часто предшествует так называемая мостиковая стадия процесса. Эта стадия знаменуется тем, что при размыкании контактов в точках их окончательного отрыва, благодари значительному локальному выделению тепла металл плавится и между расходящимися поверхностями контактов вытягивается жидкий мостик, через который продолжает протекать весь ток цепи. Жидкий мостик нагревается до температуры кипения и испарения металла. При этом часть материала мостика выбрасывается за пределы контакта в виде пара, а другая часть в виде капель жидкого металла. Выбрасыванию жидкого металла мостиков часто способствует поперечное магнитное поле. В некоторых типах контактов и режимах их работы мостиковая фаза занимает ведущее место в общем износе.
В процессе включения между контактами аппарата также может возникать дуговой разряд, который является или следствием пробоя промежутка при сближении контактов, или следствием вибрации контактов после их соударения. Дуговой разряд при смыкании контактов может возникать при большем или меньшем расстоянии между контактами в зависимости от напряжения цепи, вида и состояния газовой или жидкой среды, заполняющей межконтактное пространство (ее диэлектрической прочности, давления, динамического состояния и пр.). Износ контактов под влиянием дуги включения зависит от величины тока включения, скорости смыкания контактов и размера промежутка, при котором наступает пробой.
Износ контактов под действием дуги включения имеет серьезное значение главным образом в аппаратах высокого напряжения (несколько киловольт и выше). В аппаратах низкого напряжения дуга включения практически отсутствует.
Износ контактов под действием вибрации контактов имеет место почти в равной степени как в аппаратах высокого, так и низкого напряжения. Природа этого явления заключается в том, что при смыкании контактов в процессе включения имеют место соударения и отбросы контактов друг от друга за счет сил упругих деформаций металла. При отпрыгивании контактов друг от друга между ними возникает дуга, которая продолжает гореть, пока контакты снова нс сомкнутся, и вновь может образоваться при последующем отбросе. Таких отбросов и смыканий в процессе одной операции включения может быть несколько, а общее время вибраций достигает иногда 10 мс и более. Для уменьшения вибрации контактов применяется ряд мер и в первую очередь предварительное нажатие в контактах [Л. 68].
Рис. 10-1. Силовые характеристики пружин с предварительным натягом и без него.
На рис. 10-1 показана диаграмма, из которой ясна идея предварительного затягивания контактных пружин. Прямая 1 представляет собой зависимость силы, с которой прижимается подвижный контакт к неподвижному без предварительного нажатия, проходя путь х. При х=0, когда контакты начинают соприкасаться со значительной скоростью, благодаря соударению масс контактов возникает сила упругих деформаций металла. Поскольку в начале процесса контактная пружина еще не сжата, сила упругой деформации, направленная встречно, не встретит существенных сопротивлений и контакты будут отброшены на относительно большое расстояние друг от друга. Если контактную пружину предварительно затянуть (прямая 2 на рис. 10-1), то соприкосновение
контактов начнется сразу с начальной силой F0 и, следовательно, упругие силы при отбросе должны преодолеть прежде всего эту силу, чтобы отброс произошел. Предварительное затягивание контактной пружины позволяет для получения необходимого нажатия в контактах во включенном положении Fк брать менее жесткие пружины (прямая 3) и представляет собой наиболее простое средство для ограничения вибраций контактов при включении. Предварительное нажатие повышает значения сваривающих токов и широко применяется в коммутационных аппаратах высокого и низкого напряжения.
Существуют и другие методы борьбы с вибрацией контактов при их соударении, например, установка демпфирующих устройств на контактах, особенно когда контакты находятся в масле.
