Высоковольтные выключатели переменного тока - Расчет размыкающих контактов

3-10. РАСЧЕТ РАЗМЫКАЮЩИХ КОНТАКТОВ (КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ)

Общие соображения. В токоведущей системе выключателя размыкающий контакт (или группа контактов) служит для замыкания и размыкания цепи тока в этой системе при  изменении коммутационного положения аппарата. Размыкающий контакт (контактная система) конструктивно представляет собой узел, в котором электрический контакт между подвижными и неподвижными элементами при замкнутом положении осуществляется за счет их сжатия внешними упругими силами, обычно силами контактных пружин; подвижные элементы контактных систем кинематически связаны с ведущими звеньями приводного механизма выключателя.
В контактных системах в отдельные фазы контактирования наблюдаются физические явления и процессы, которые могут находиться между собой в тесной взаимосвязи. К наиболее характерным из них относятся:
а)       механическая деформация материала контактных элементов в зоне контактирования рабочих поверхностей;      
б)      процессы нагрева контактных систем при протекании в них  тока и при воздействии внешних источников тепла, например электрической дуги;
в)       возникновение и воздействие электродинамических сил; 
г)       процессы образования, на контактных поверхностях пленок и электрохимического разрушения;
д)      процессы механического износа контактных поверхностей;
е)       разрушение контактных поверхностей при образовании., на них электрического разряда (тлеющего разряда, дугового разряда) во время размыкания электрических цепей с током;
ж)      вибрация контактных элементов при их смыкании или при воздействии внешних сил, вызывающих колебания;
з)       термоэлектрические явления.
В зависимости от того, какие из перечисленных процессов в большей степени проявляют себя и каков эффект их воздействия, мы можем иметь те или иные рабочие характеристики данной контактной системы при выбранных для нее конструктивных параметрах.
В выключателях условия работы отдельных контактных систем могут быть различны в зависимости от типа, конструкции и номинальных данных аппарата. Более того, при коммутационных операциях и при различных коммутационных положениях аппарата функции его размыкающих контактных систем могут быть различны. В этом отношении контактные системы можно классифицировать следующим образом:
. а) контакты для нечастых замыканий и размыканий электрических цепей с током большой величины (до предельных значений токов отключения и выключения) и для длительной работы в замкнутом положении при больших (или средних) значениях тока нагрузки (от сотен до нескольких тысяч ампер);
б) контакты для нечастых замыканий электрических цепей с током большой величины и для размыканий без тока (или с током малой величины), рассчитанные также на длительную работу в замкнутом положении при больших (средних) токах нагрузки; 7 в) контакты для нечастых замыканий и размыканий электрических цепей с электрической дугой при больших значениях тока, не, рассчитанные на работу в замкнутом положении при больших номинальных токах длительной нагрузки (так называемые дугогасительные контакты).
По условиям работы и по конструктивным признакам к группе размыкающих контактов в какой-то мере могут быть отнесены также и скользящие контакты, рассчитанные на длительную работу при больших токах нагрузки и при сквозных токах короткого замыкания.
В размыкающих контактных системах выключателей, рассчитанных на работу при больших  (и средних) величинах тока, основную роль играют процессы нагрева их током при различных режимах работы выключателя, а также процессы нагрева электрической дугой. Определяющее значение в работе таких контактов имеет действие электродинамических сил, а также, отчасти коррозия и износ контактных поверхностей (последнее главным образом за счет теплового действия электрической дуги).
В соответствии с перечисленным к конструкциям таких типов размыкающих контактных систем выключателя предъявляются следующие основные требования.
Температурная стабильность работы в замкнутом положении при длительной нагрузке током заданной величины.
Устойчивости при тепловом и электродинамическом кратковременном действии больших токов (например,- токов короткого замыкания): отсутствие сваривания частей контакта или значительного их оплавления при сквозном токе короткого замыкания, отсутствие сваривания или значительного оплавления частей контакта во время их смыкания при включении выключателя на короткое замыкание.
Минимальный электрический износ рабочих поверхностей контакта при размыканиях, сопровождаемых электрической дугой.
Эти требования в определенной мере отражены в нормах ГОСТ и ряде других официальных материалов, например в рекомендациях МЭК и др.
Тепловые характеристики разрабатываемых конструкций контактных систем выключателей переменного тока высокого напряжения должны прежде всего отвечать нормам ГОСТ 8024—69 на допустимые температуры нагрева токопровода, в том числе и контактных систем при длительной работе, которые приведены в табл. 3-8.
Кроме того, характеристики контактных систем выключателей также должны отвечать соответствующим требованиям ГОСТ 687—67 в отношении устойчивости при сквозных токах короткого замыкания. 
Расчет размыкающих контактов выключателя, следовательно) сводится в основном к расчету на нагрев номинальным током при длительной работе и к расчету на термическую и электродинамическую устойчивость при сквозных токах короткого замыкания.
Кроме того, в частных случаях при новых разработках могут производиться, расчеты и исследования ряда других ожидаемых тепловых процессов, например нагревания контактов электрической дугой, нагревания контактов, расположенных в агрессивных газообразных средах, и др.
Исходными данными при расчетах обычно могут быть:
а)       предварительно выбранные тип и конструкция контактной системы и сопрягаемых с ней других элементов токоведущего контура;   
б)      заданная величина номинального тока;
в)       величина предельного сквозного тока выключателя;
г)       дополнительные данные, отражающие специальные требования в отношении режима работы контактной системы и специфических условий влияния внешних факторов.
При выборе типа и конструкции контактного узла исходят из оценки величины номинального тока, предполагаемых условий работы (например, размыкание с электрической дугой или без дуги и др.). Во многих случаях конструкция контактного узла определяется общей компоновкой дугогасителя, в который встраивается контакт, а также и конструкцией приводного механизма, с которым контакт может составлять один общий конструктивный узел.
Нормы на допустимые температуры нагрева контактов аппаратов высокого напряжения при длительной работе (нормы ГОСТ 8024—69)
Таблица 3-8

Продолжение табл. 3-8

Примечания.
Допустимые температуры контактных соединений из материалов, не указанных в таблице, указываются в стандартах или технических условиях на отдельные виды аппаратов.
Указанные в п. 4а температуры нагрева допускаются для таких контактных соединений с гальваническим покрытием серебром, в которых слой серебра не повреждается электрической дугой н не истирается в процессе типовых испытаний. В противном случае эти контактные соединения должны рассматриваться как не имеющие покрытия серебром. Под повреждением или истиранием покрытия понимается нарушение слоя серебра в процессе типовых испытаний аппарата до обнажения основного металла.
Допускается применение других композиций на основе серебра (п. 46), отличных от указанных в п. 46, если проведенными исследованиями доказана их равноценность с композициями СОК-15 или СОМ-Ш.
Указанные в пп. 56—д нормы допускаются при наличии такого же покрытия на присоединяемых проводниках, что должно быть оговорено в инструкции предприятия-изготовителя.
При расчете могут быть найдены основные характеристики и наиболее выгодные конструктивные параметры отдельных элементов контактного узла, например:
а)       число рабочих токоведущих элементов (пальцев, пластин, сегментов и др.) контактной системы, их геометрические размеры, расположение относительно других элементов контактной системы и токоведущего контура;
б)      необходимые силы нажатия для отдельных контактных пар и соответствующие характеристики контактных пружин;
в)       геометрические формы деталей и контактные материалы, обеспечивающие наименьший нагрев их. электрической дугой н высокую износостойкость рабочих поверхностей контактов.
Основы и методы расчета нагрева контактов при длительной работе. При анализе физических процессов в электрическом контакте исходят из известного факта, что при соприкосновении поверхностей, например поверхностей двух встречно сжимаемых торцов металлических массивных тел (проводников), на них образуются
площадки механического контакта. Число и размеры этих площадок обусловлены величиной сжимающей силы, формой контактирующих поверхностей и чистотой предварительной их обработки, а также механическими (упругими, пластическими) свойствами материала в области контактирования. При относительно небольших силах нажатия (что обычно принимается для размыкающих контактов выключателей) число площадок касания и их размеры могут быть весьма малы.
В зависимости от геометрической формы контактирующих поверхностей контактных элементов, например выпуклой, цилиндрической (в случае касания по образующей) и плоской, возможное минимальное число площадок касания будет соответственно равно одной, двум и трем. Эти условия обычно и принимают в практических расчетах нагрева размыкающих контактов выключателей.
При оценке размеров площадок механического контакта исходят из того, что образование этих площадок может происходить за счет упругой и пластической деформации. В отдельных случаях каждый из этих видов деформации может в какой-то степени быть преобладающим.
В случае чисто упругой деформации, согласно теории Герца [51], радиус круглой площадки механического контакта может быть рассчитан по уравнениям:
а)       для случая взаимного контактирования полусферических совершенно гладких поверхностей
(3-112)
б)      для контакта, образованного полусферой и плоскостью,
(3-113)
В этих уравнениях Ркі — сила нажатия на контакт, отнесенная к рассматриваемой площадке, кгс; R — радиус полусферы, см; Е — модуль упругости, кгс/см
При явно выраженном преобладании пластической деформации оценка размеров площадки механического контакта основана на соотношении между приложенной силой нажатия и твердостью контактной поверхности:
(3-114)
где Fi — фактическая площадь механического контакта, см2; Нк— контактная твердость материала, кгс/слі\
. Если фактическую площадь представить в виде эквивалентной площадки, имеющей форму круга с радиусом гм0, в заданном случае получим расчетную величину этого радиуса
(3-115)
Согласно данным исследований [56], контактная твердость #к в уравнении (3-114) может быть принята равной стандартной твердости данного материала, измеренной по Виккерсу.
Некоторые данные контактной твердости контактных материалов для нормальной температуры приведены в табл. 3-9.
Таблица 3-9
Физические свойства контактных материалов

Исследование вопроса о рациональном применении приведенных выше соотношений при практических расчетах контактов показывает, что уравнения (3-112), (3-113) и ряд возможных других, выведенных для случая чисто упругой деформации, справедливы для контактных систем, у которых силы нажатия на контакт относительно малы, а контактная твердость материала велика.
В других случаях, которые являются более характерными для контактных узлов мощных выключателей, более справедливыми являются соотношения, подобные уравнению (3-114).
В контактных системах электрических аппаратов площадки механического контакта образуют места перехода тока из одной части в другую, если рассматриваемая система включена в цепь тока. В реальных условиях при относительно малом размере сечения контактной площадки в этом месте происходит стягивание линий тока, этим обусловлена физическая природа переходного электрического сопротивления стягивания рассматриваемой контактной области.
В реальных условиях площадка механического контакта может быть частично покрыта пленкой (окислы, сульфиды и др.), обладающей большим электрическим сопротивлением. В этом случае общее переходное сопротивление контакта приближенно можно представить как сумму сопротивлений:
(3-116)
в котором RKi — контактное сопротивление стягивания; Rn — переходное контактное сопротивление поверхностной пленки. «Последнее приближенно может быть рассчитано по уравнению
(3-117)
где рп —   сопротивление поверхностной пленки, отнесенное к единице площади поверхности, ом/см2; Fn— площадь поверхности, покрытой пленкой, см2.
В конструкциях контактных узлов выключателей обычно предусматриваются способы ограничения или почти полного исключения возможности образования поверхностной пленки на контактных площадках. Поэтому расчеты размыкающих контактов выключателей обычно ведутся без учета влияния коррозии, т. е. производится расчет свежезачищенного контакта, с внесением иногда некоторых поправок в полученные результаты.
При некотором токе / в контакте возникает дополнительный источник тепла мощностью
(3-118)
Этим создается условие для дополнительного прироста температуры как непосредственно около контактной площадки, так и на участках деталей контактной системы, расположенных вблизи места контакта.       
В практике электроаппаратостроения под температурой контакта обычно понимают температуру наиболее нагретого места в контактном узле, которая может быть измерена в доступных для измерения точках обычными методами (термопара, термометр и др.). Из рассмотрения физической сущности электрического контакта следует, что во всех случаях наибольшей температурой нагрева должна обладать площадка касания и непосредственно прилегающие к ней области, которые в реальных конструкциях контактных систем малодоступны или вовсе недоступны для измерения в них температур»; последняя может быть определена либо путем расчета, либо специально поставленным лабораторным экспериментом. В практике инженерных расчетов интересно знать температуру как на поверхности контактных элементов, так и в месте касания. Температуру наиболее нагретого места на поверхности необходимо знать, поскольку она должна находиться в пределах, установленных нормами ГОСТ. Температуру площадки касания необходимо знать как температуру наиболее нагретой точки, во многом определяющую работу контакта.
Следовательно, при расчете стационарного нагрева контактов задача расчета может быть в той или иной постановке, например:
а)       определить температуру площадок касания в контактной системе при заданном значении тока и заданных конструктивных параметрах;       |
б)      определить необходимую силу нажатия на контакт при заданной максимальной температуре точек касания, токе нагрузки и прочих конструктивных параметрах;
в)       определить температуру в отдельных точках на поверхности контактных элементов при заданных прочих условиях.
Общее решение данной задачи основывается на решении уравнения распространения тепла от места контакта в теле контакта при наличии в нем внутренних источников тепла.