Одним из эффективных путей повышения экономичности и ресурса коммутационных аппаратов является разработка новых контактных материалов, в которых сочетаются основные свойства, обусловливающие надежную работу контактно-дугогасительных устройств (стойкость к свариванию, высокая дугостойкость, механическая прочность и др.). Современные методы порошковой металлургии позволяют получить композиции, в которых необходимые характеристики материала достигаются в результате рационального подбора компонентов с учетом их теплофизических свойств, способствующих повышению эффективности дугогашения и дугостойкости. Так, подбирая оптимальный состав и структуру композиции, можно уменьшить дуговую эрозию в жидкой фазе (путем уменьшения выброса расплавленных частиц металла), повысить эффективность дугогашения в результате снижения интенсивности выброса потоков плазмы и насыщения межконтактного промежутка испарившимися частицами контактного материала. Кроме того, можно улучшить условия восстановления электрической прочности межконтактного промежутка путем применения компонентов композиции с более высокой работой выхода, что снижает интенсивность эмиссии электронов с контактной поверхности в зоне оснований дуги.
В качестве примера рассмотрим влияние паров контактного материала на электрическую проводимость межконтактного промежутка в воздухе и элегазе. Из рис. 1 видно, что даже незначительное содержание (1 — 5 %) паров меди приводит к существенному повышению электрической проводимости промежутка. Это объясняется тем, что энергия ионизации меди (7,72 эВ) значительно меньше, чем у атомарного азота (14,54 эВ), получающегося при диссоциации азота, или у атомарной серы (10,36 эВ), образующейся при диссоциации элегаза.
Рис. 9. Зависимость отношения электрической проводимости межконтактного промежутка, насыщенного парами меди к проводимости чистой дугогасящей среды от температуры: 1 — азот, 1 % паров меди; 2 — азот, 10 % паров меди: 3 — элегаз, 5 % паров меди
Для повышения эффективности дугогасительного устройства необходимо снизить до минимума содержание паров контактного материала при подходе тока к нулевому значению. С этой целью в состав композиции вводят металлы, имеющие наиболее высокие пороговые значения тока, при которых образуются потоки плазмы, поскольку последние способствуют интенсивному испарению контактного материала и насыщают парами межконтактный промежуток. На испарение единицы объема контактного материала затрачивается значительно больше энергии (для меди в 10 раз), вводимой в электрод при дуговом разряде, чем для его плавления. Поэтому при одинаковом количестве подводимой энергии дуговая эрозия контактов меньше, если она происходит в результате испарения, по сравнению с механизмом эрозии, обусловленным выбросом расплавленного металла.
Более высокая эрозионная стойкость металлокерамических композиционных контактных материалов W-Cu, Mo-Cu по сравнению с монометаллами (Cu, Ag) обусловлена значительными потерями энергии, затрачиваемой на испарение одного из компонентов (легкоплавкого), а также более прочной структурой композиции. Однако следует иметь в виду, что использование дугостойких композиций (в частности, W-Cu) в элегазовых дугогасительных устройств приводит к существенному разложению дугогасящей среды. Из табл. 1, в которой представлены результаты экспериментальных исследований дуговых и эрозионных процессов при магнитном дутье в элегазе, видно, что контакты из композиции W-Cu в наименьшей степени подвержены дуговой эрозии, и в то же время при использовании этой композиции разложение дугогасящей среды наиболее интенсивно. Это обстоятельство следует учитывать при разработке элегазовых коммутационных аппаратов с продольным дутьем, требующих для эффективного дугогашения более высоких (чем при магнитном дутье) давлений [(4-6)-105 Па], поскольку, как показывают эксперименты (см. рис. 1, б), с увеличением давления резко усиливаются дуговая эрозия и процесс разложения элегаза. Поэтому широкое использование в некоторых существующих конструкциях элегазовых аппаратов композиции W-Cu является нерациональным. Более предпочтительны для них композиции на основе углеграфита, которые по дугостойкости не уступают композиции W-Cu, и в то же время при их применении значительно уменьшается количество образующихся продуктов разложения элегаза и более стабильны электрические характеристики межконтактного промежутка. В элегазовых коммутационных аппаратах с магнитным дутьем давление в дугогасительном устройстве значительно меньше, чем при продольном дутье, и составляет (2-5-2,5)-105 Па. Поэтому процесс разложения элегаза происходит менее интенсивно.
Таблица 1
Дуговая эрозия и разложение элегаза для различных контактных материалов
При выборе контактного материала следует учесть особенности горения дуги на контактах из композиционных материалов. В этом случае уменьшается тепловой поток, вводимый от дуги в электроды, что повышает их дугостойкость. Это обусловлено фиксацией оснований дуги на отдельных участках в зонах интенсивного испарения одного из компонентов, вследствие чего дуга стремится сохранить свою диффузную форму. При этом снижаются плотность тока и локальное тепловое воздействие дуги на электрод. Входящие в состав композиции компоненты (например, W и Cu) имеют различные физические свойства, поэтому характер протекания тепловых процессов в области оснований дуги на контактах из композиций и однородных металлов существенно различается. При одномерном распределении теплового потока q в однородном металле температура поверхности контакта Тк за время горения дуги определяется по формуле
где Лм, см, ум — теплопроводность, теплоемкость и плотность материала контактов соответственно.
В композициях типа W-Cu коэффициенты аккумуляции теплоты компонентов резко различаются, вследствие чего в приповерхностном слое контакта появляются горизонтальные тепловые потоки, обусловленные различием скорости роста температуры компонентов.
Таблица 2
Значения коэффициента аккумуляции для различных материалов
Материал | Температура. °С | Коэффициент аккумуляции, Дж/(см2-°С-с) |
Медь | 20 900 | 3,66 3,64 |
Серебро | 20 | 3.15 |
Молибден | 20 2427 | 2,05 1,95 |
Вольфрам | 20 2427 | 1.83 1.81 |
Железо | 20 1127 | 1.64 |
Титан | 20 70 | 0,625 0.73 |
Чем больше различаются коэффициенты ка, тем больше разность температур компонентов и больше горизонтальный тепловой поток от более к менее нагретому. В результате этого один из компонентов нагревается до температуры интенсивного испарения. На это перераспределение температуры и испарение расходуется значительная часть всей подводимой к электроду энергии, и на проплавление электрода остается лишь незначительная ее часть, вследствие чего глубина проплавления и дуговая эрозия уменьшаются. Рассмотренные особенности дуговых и эрозионных процессов, происходящих на контактах из металлокерамических композиций, необходимо учитывать при создании новых конструкций элегазовых коммутационных аппаратов.
