Байдак Ю.В., Слободниченко Б.И. Электрооборудование технологических комплексов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

их периодически выключать – включать, что обеспечивает механическое

снятие окисла с поверхности контакта и, более того, электрическая дуга

сжигает образовавшийся окисел металла.

4.Влияние величины (размеров) контактной поверхности на

переходное сопротивление. С увеличением кажущейся контактной

поверхности растет число точек соприкосновения и, вместе с ним,

увеличивается значение показателя степени (n) в уравнении R

пер

=ε/P

. Однако

чрезмерное увеличение поверхности контакта не целесообразно, так как

показатель степени быстро достигает своего предельного значения - n=1,0.

Увеличение размеров контакта может быть обосновано только

необходимостью отвода тепла с его поверхности.

Зависимость переходного сопротивления контакта от размера

контактной площадки устанавливается соотношением R

пер

= ρ/(2·a), где ρ-

удельное сопротивление материала контакта; а – радиус круглой

эквивалентной площадки соприкосновения, определяемый из её размеров

(площади)







. Рассчитанное таким образом переходное

сопротивление называют сопротивлением стягивания контактов - R

3.3 Нагревание контактной площадки

При протекании тока через контакт, в контактной площадке из-за

наличия переходного сопротивления, выделяется энергия W

= I

·R

пер

·dt. Так

как эта энергия много больше выделяемой в материале контакта W

·R

пр

·dt, а теплоотдача в окружающую среду осуществляется с его

поверхности, то температура контактной площадки будет значительно выше

средней температуры контакта.

Превышение температуры

контактной площадки над температурой

поверхноси контакта

макс

- θ

ср

= ∆τ

макс

= I

ρπσ/(32·λP),

ср

макс

ток

2а

Линии плотности

теплового потока

Контактная

площадка

контакт

Схема теплоотвода от контактной площадки

где ρ – удельное сопротивление мате-

риала контакта, λ – коэффициент теп-

лопроводности материала контакта,

σ – временное сопротивление смятию,

Р – сила контактного нажатия.

Если принять R

пер

= ρ/(2·a), а пло-

щадь контактной площадки







то уравнение превышения темпера-

туры сводится к виду:

∆τ

макс

пер

/(8·λρ),

где U

пер

– падение напряжения в переходном сопротивлении контакта.

Падения напряжений в переходном сопротивлении контакта, при

естественном его охлаждении и номинальном токе 10– 20 мА, приве-

дены на графике. Как правило, превышение температуры контактной

площадки над средней температурой контакта не превышает 10

С и во

внимание не принимается.

3.4 Основные конструкции контактных соединений

1.Неразмыкаемые контактные соединения.

Применяются для жесткого соединения между собой отдельных

токоведущих частей (шин) и должны обеспечить минимальное переходное

сопротивление между ними на пути тока. Шины предпочтительно соединять

несколькими меньшего диаметра болтами, нежели одним большим, так как в

этом случае число точек соприкосновения больше и, как следствие, меньше

переходное сопротивление. При стягивании шин накладками R

пер

ещё

меньше, чем при соединении сквозными болтами.

пер

604020

100

150

серебро

медь

2. Размыкаемые контактные соединения.

Являются основным элементом коммутационных аппаратов. В

контактах на малые токи (до 2А) стремятся, независимо от конструктивного

исполнения, обеспечить одноточечное соприкосновениние с тем, чтобы при

малых силах нажатия получить относительно высокое давление в

контактной точке. Контакты на средние и большие токи могут быть

подразделены на пальцевые, врубные, стыковые, мостиковые, роликовые,

розеточные, а сами контактные системы могут выполняться

одноступенчатыми и многоступенчатыми.

В одноступенчатом контакте контактная пара служит как для

длительного проведения тока во включенном состоянии, так и для разрыва

электрической дуги при размыкании цепи.

Во многих аппаратах к контактам предъявляются противоречивые

требования:

- обеспечить устойчивое длительное протекание номинальных токов во

включенном положении контактов, что возможно при малом значении

переходного сопротивления контакта;

- отключать без повреждения большие токи короткого замыкания, что

возможно при наличии дугостойких контактов, обладающих большим

значением переходного сопротивления.

шины

накладка

Соединение пакета шин, обеспечивающее

большую поверхность охлаждения

Двухточечный контакт

Одноточечный контакт

Этим требованиям удовлетворяют многоступенчатые контактные системы,

состоящие из параллельно включаемых главных и дугогасительных

контактов. Иногда, для облегчения перехода тока из дугогасительных

контактов в главные (при замыкании или размыкании) применяют

дополнительные промежуточные контакты.

стиранию оксидной плёнки и грязи с поверхности контактов, т.е.

самоочистке, а, значит, позволяет использовать в контактах медь.

Контактные пары у пальцевых контактов выполняются в виде: плоскость-

цилиндр, цилиндр-цилиндр. К недостатку следует отнести гибкий

токопровод, который невозможно использовать при больших значениях

токов.

Мостиковые контакты. Применяются в

ЭА с прямоходовой подвижной системой.

Гибкого токопровода они неимеют, но для

включения требуется удвоенное значение

Пальцевые контакты. Применяются в ЭА с

поворотной подвижной системой, т.е. когда

контакты касаются раньше, чем подвижная

система достигнет конечного положения.

Вследствие этого при замыкании и

размыкании происходит перекатывание и

проскальзывание подвижного контакта по

неподвижному. Точка (2) касания при

замыкании, она же последняя при

размыкании, оказывается смещённой по

отношению к точке (1) конечного касания

контактов, что способствует сохранению

низкого переходного спротивления контактов.

Проскальзывание контактов способствует

контактного нажатия, так как число переходных контактов удвоено.

Перекатывания и проскальзывания контактов они не имеют, поэтому

контакты изготовляют из серебра или металлокерамики. Контактные пары

выпоняют в виде: плоскость-плоскость, плоскость-сфера, сфера-сфера.

Врубные контакты. Применяют в ЭА

для видимого разрыва цепи. Содержат

неподвижную контактную стойку, кон-

тактный нож и стальную пружину, уси-

ливающую упругие свойства меди при

значительном нагреве контакта. Контакт

происходит по поверхности и небольшой перекос последней значительно

увеличивает переходное сопротивление контакта и, как следствие,

увеличивает его нагрев. Для уменьшения переходного сопротивления

контакт делают линейчатым. Разновидностью врубного контакта является

розеточный. Врубные контакты не предназначены отключать значительные

токи (токи к.з.). Электрическая эррозии, которая возникает при горении

электрической дуги, разрушает поверхность контактов, увеличивая, тем

самым, его переходное сопротивление.

Роликовые контакты. Применяются в тех

случаях, когда необходимо болшое (более

0,25 м) перемещение подвижного контак-

та ЭА, находящегося под большим током.

Подвижный ролик контакта либо цилиндри-

ческий, либо сферической формы. Соответствено этому, контакт – линейный

или точечный. Число роликов определяется значением коммутируемого тока.

Для его перемещения необходимо малое усилие и, благодаря этому, он

широко используется в современной аппаратуре высокого напряжения.

Стыковые контакты. Применяются в основном для разрыва мощных

электрических цепей. Выполненные в виде сплошных металлических

стержней, труб с плоской или сферической формой контактной поверхности,

они имеют болшое переходное сопротивле-

ние, а поэтому используются как дугогаси-

тельные.

3.4 Электродинамические усилия в контактах и способы их

компенсации

в мостиковой системе обеспечивает направление ЭДУ контура с током

= 2·10

-7

·ί

{ℓn[a/(h+√h

) - ℓn[r/(h+√h

)}

Р F

δ=I/S

Контакт может быть представлен как

проводник переменного сечения в котором

сечение контакта в области прямолинейного тока,

-действительная площадь касания. Поскольку

сечение проводника в области искривлений линий

тока меняется, то возникают продольные ЭДУ,

стремящиеся развести контакт,

)ln(10





Для одноточечных контактов

)ln(10





, для

многоточечных

)ln(10





, где n -

количество мест касания.

Действия ЭДУ способствуют вибрации

контактов при замыкании, и их стремятся

устранить: правильным выбором конструкций

контактов, использованием электродинамической

компенсации; использованием электромагнитной

компенсации.

Правильный выбор конструкции

контактов

Эпюра ЭДУ в

проводнике

неправильной формы

I h

навстречу ЭДУ F

в переходных контактах. Расчетным путём можно

подобрать такие размеры параметров h и а, при которых выполняется

соотношение F

≥F

. Следует помнить, что ЭДУ F

возникает от проводника

неправильной формы, то есть, если h стремится к бесконечности, то

=2·10

-7

·ί

ℓn(a/r),

а ЭДУ F

является результатом изменения сечения проводника на участке

переходного сопротивления контакта.

Использование электродинамической ком-

пенсации для пальцевого контакта приве-

дено на рисунке. Здесь проводники, по

которым протекает ток в противополож-

ном направлении, отталкиваются и их

ЭДУ F

направлена вверх, а ЭДУ F

переходном контакте – вниз. Расчётным

путём можно подобрать такое значение

размера плеча контакта ℓ

при котором F

ℓ

. В этом случае, при к.з. в

линии контакты будут прижиматься с большим усилием, чем отталкиваться

Электромагнитная компенсация ЭДУ,

создающего вибрацию контакта, приведена

на рисунке. Здесь, магнитное поле, замы-

кающееся вокруг токопровода подвижного

контакта (4) стремится притянуть якорь (1)

магнитопровода компенсатора к неподвиж-

ной части (2). Через рычаг (3) ЭДУ F

пере-

даётся на подвижный контакт (4), препят-

ствуя его отбрасыванию, вызванному действием ЭДУ F

3.5 Формы электрического разряда в газах

Размыкание электрических цепей, находящихся под напряжением и

содержащих реактивные потребители энергии – индуктивности и ёмкости,

ℓ

сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами.

Воздушный промежуток ионизируется и становится на некоторое время

проводником для тока, в нем возникает электрическая дуга. В течение этого

времени энергия, запасённая до размыкания цепи в виде магнитного или

электрического полей, уменьшается до нуля, а вместе с ней и ток

поддерживающий горение дуги. Таким образом, физический процесс

отключения цепи сопровождается деионизацией воздушного промежутка

(раствора контактов), а именно, превращением его в диэлектрик и

прекращением электрического разряда.

Основной характеристикой дугового разряда между разомкнутыми

электродами является его вольтамперная характеристика (ВАХ), то есть

зависимость падения напряжения в стволе дуги от тока

)(IfU 



ВАХ электрического разряда в газах приведена на рисунке.

Дуговой разряд между

контактами

3.6 Процессы при ионизации дугового промежутка

Воздух в обычных условиях хороший изолятор. Чтобы он стал

проводником в нем необходимо создать определенную концентрацию

заряженных частиц электронов и ионов. Процесс отделения от нейтральных

частиц газа одного или нескольких электронов и образование свободных

зарядов называется ионизацией.

Область

дугового

разряда

1000

10010

1,00,1

300

200

100

эм

=const

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских

лучей, высокой температуры, электрического поля и ряда других факторов. В

ЭА низкого напряжения наибольшее значение имеют четыре вида процессов

при ионизации.

1.Термоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из

накаленной поверхности.

При расхождении контактов из-за уменьшения числа площадок

соприкосновения растет их эквивалентное переходное сопротивление

пер

и,

следовательно, растет плотность тока

конт

SI /



. Возросшая плотность тока



повышает температуру контакта. Контактная площадка разогревается до

температуры плавления металла и образования мостика из его паров, который

затем рвется при расхождении контактов. На отрицательном электроде

образуется так называемое катодное пятно (раскаленная площадка), которая

служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент

расхождения контактов. Термоэлектронная эмиссия может быть

достаточной для возникновения электрической дуги, но недостаточной для

поддержания ее горения.

2. Автоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из

катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва контактов можно представить как конденсатор

переменной емкости.







; При расхождении контактов (электродов)

)0( U

конденсатор заряжается и напряжение на нем растет до

сети

E 

;[В/м]

На начальном этапе напряженность электрического поля может достигать

значений

10E

В/см, что достаточно для вырывания электронов из

холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии тоже мал и может служить только началом

развития дугового разряда.

Таким образом , возникновение дугового разряда на расходящихся контактах

объясняется наличием термоэл-ной и автоэл-ной эмиссий.

Преобладание того или иного фактора зависит от силы тока , скорости

контактов , частоты их поверхности , материала и другого.

3.Ионизация толчком.

Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью (и

энергией ), то при столкновении с нейтральной частицей он может выбить из

нее электрон , что приведет к увеличению числа заряженных частиц

(отрицательных и положительных) в данном объеме газа.

Скорость электрона зависит от разрядности потенциалов на длине его

свободного пробега , т.е. от потенциала ионозации

Например.

Для водорода

=15,4В

Для меди (пары)

=7,72В- в два раза ниже.

4.Термическая ионизация-это процесс ионизации под воздействием

высокой температуры.

Температура ствола дуги достигает 4000-7000

К(и даже 15000

с).При такой

температуре сильно возрастает как число быстродвижущихся частиц газа ,

так и скорость их движения.

Поэтому поддержание дуги после ее возникновения объясняется основным ,

и практически, единственным видом ионизации – термической ионизацией.