Пособие Теория электрических аппаратов
.pdfне более, чем на 50% от начального значения.
Достоинства мостиковых контактов:
-Двойной разрыв между контактными деталями
-Отсутствие гибких связей между подвижными и неподвижными токоведущими частями.
Недостаток:
-Отсутствует перекатывание и самоочищение, поэтому контакты изготавливают не из меди, а из серебра или металлокерамикинаосновесеребра.
4.5.3. Врубной контакт
Врубные контакты образуются введением плоской контакт-детали между двумя пружинящими деталями (рис.4.10). Применяются в рубильниках, разъединителях, предохранителях и других аппаратах. Контактное нажатие осуществляется за счёт упругих свойств материалов контактдеталей (твёрдо-натянутая медь, специальная бронза). Для увеличения усилия нажатия у врубных контактов на большие токи устанавливают стальные пружины. В высоковольтных аппаратах на большие токи используют врубные контакты клинообразной формы (рис.4.11).
Рис. 4.10 – Врубной контакт
50
4.5.4. Кольцевые контакты
Кольцевые контакты применяют при больших перемещениях подвижного контакта и больших номинальных токах. Они состоят из подвижного контакт–стержня и двух неподвижных контакт–стержней, а также двух роликов, которые зажимают подвижный контакт с помощью контактных пружин (рис.4.12). Подвижный контакт выполнен в виде стержня круглого сечения и имеет поступательное движение. Токосъёмные неподвижные контакты также имеют круглое сечение и соединены с выводом аппарата. Соединение подвижного и неподвижных стержней осуществляется с помощью конусных роликов, которые катятся по поверхности стержней. Число роликов зависит от номинального тока и тока КЗ. Этот контакт для своего перемещения требует небольших усилий и широко применяется в современной аппаратуре высокого напряжения.
51
4.5.5. Стыковой контакт
Стыковые контакты образуются перемещением одной контактдетали в направлении, перпендикулярном поверхности другой контактдетали до первого соприкосновения (рис.4.5.7). Контакты изготавливают из полых труб, сплошных металлических стержней и используют в основном в высоковольтных выключателях. Поверхности контакт-деталей выполняют плоскими или сферическими. Стыковой контакт состоит из неподвижной и подвижной контакт-деталей, гибких связей и контактных пружин.
52
4.5.6. Герметичные контакты
Осуществляют замыкание или размыкание цепи в условиях инертного газа или вакуума. Конструкции контактов могут быть различными. Условное изображение герметичного контакта представлено на
(рис.4.14).
1.Элегазовый выключатель.
Коммутационный аппарат, использующий элегаз (SF6) в качестве среды гашения электрической дуги. Предназначен для оперативных включений и отключений отдельных цепей или электрооборудования в энергосистеме.
Достоинства:
-возможность применения на все классы напряжений свыше 1кВ;
-быстрота действия;
53
-гашение дуги происходит в замкнутом объёме без выхлопа в атмосферу;
-высокая отключающая способность;
-малый износ дугогасительных контактов;
-бесшумная работа.
Недостатки:
-сложность и дороговизна изготовления;
-высокие требования к качеству элегаза;
-необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки
иочистки элегаза;
-относительно высокая стоимость SF6.
2.Вакуумный выключатель.
Высоковольтный выключатель, в котором вакуум служит средой для гашения электрической дуги. Поскольку разряжённый газ обладает электрической прочностью, в десятки раз превышающий прочность воздуха при атмосферном давлении, то при размыкании контактов в вакууме, сразу же после первого прохождения тока в дуге через ноль, изоляция восстанавливается, и дуга вновь не загорается. В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда – вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счёт металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгно-
54
венно (за 7-10 мкс) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведённых контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение.
Достоинства:
-простота конструкции;
-простота ремонта;
-отсутствие загрязнения окружающей среды;
-высокая коммутационная износостойкость.
Недостатки:
-небольшие номинальные токи и токи отключения.
3.Геркон (герметичный магнитоуправляемый контакт). Электромеханическое устройство, представляющее собой пару фер-
ромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную капсулу (колбу). При поднесении к геркону постоянного магнита или включении электромагнита контакты замыкаются. Герконы используются как бесконтактные выключатели, датчики близости и т.д. Геркон с электромагнитной катушкой составляет герконовое реле. Также существуют герконы, размыкающие цепь при возникновении поля.
По конструктивным особенностям герконы различают на:
-сухие (с сухими контактами);
-ртутные (капля ртути смачивает контактирующие поверхности, уменьшая их электрическое сопротивление и предотвращая вибрацию пластин во время работы).
Достоинства:
-контакты находятся в вакууме или в инертном газе и слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра;
-долговечность, т.к. считается, что если не бить геркон и не пропус-
кать через него очень большие токи, то срок службы не ограничен ( около 109 срабатываний);
-меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на тот же ток;
-высокое быстродействие.
Недостатки:
-наличие дребезга при включении, что влечёт за собой множественные срабатывания за небольшой промежуток времени;
-хрупкость;
-необходимость создания магнитного поля.
55
Коммутирующие контакты бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. В первом случае имеют место только два контакта, которые служат и для проведения тока, и для разрыва дуги. В электрических аппаратах часто устанавливают несколько контактов: главные (для проведения электрического тока) и дугогасительные (для гашения дуги). На (рис.4.15) представлена двухступенчатая контактная система с главными контактами (1) и дугогасительными (2). Главные контакты выполняются из меди, а поверхности их соприкосновения из серебра, нанесённого электролитически или в виде припаянных пластин. Дугогасительные контакты выполняются из меди и имеют наконечники из дугостойкого материала – вольфрама или металлокерамики.
Ввиду того что переходное сопротивление цепи главных контактов значительно меньше, чем дугогасительных, через них проходит 70-80% длительного тока. При отключении вначале расходятся главные контакты и весь ток цепи замыкается по дугогасительным контактам. Дугогасительные контакты расходятся в тот момент, когда расстояние между главными контактами достаточно, чтобы выдержать наибольшее напряжение, возникающее в процессе гашения дуги на дугогасительныхконтактах.
При включении двухступенчатой системы вначале замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные, что обеспечивает отсутствие дуги и оплавления серебряных поверхностей контактов. Ввиду своей сложности двухступенчатые системы применяются только при очень больших токах (более 2000А) в автоматах и выключателях высокого напряжения. Во всех остальных случаях надёжная работа контактов обеспечивается выбором их материала и конструкции при использовании одноступенчатой системы.
56
4.5.7. Жидкометаллические контакты
Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (рис.4.16). Внешняя цепь подключается к электродам (1) и (2). Корпус (3) выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса заполнены жидким металлом (4) и соединяются между собой отверстием (5). Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры (6). При подаче напряжения на катушку (7) цилиндры опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие (5) соединяет электроды (1) и (2), контактор включается.
По сравнению с твёрдометаллическими жидкометаллические контакты (ЖМК) обладают следующими преимуществами:
-малое переходное сопротивление и высокие допустимые плотности тока на поверхности раздела жидкий металл – электрод (до 120 А/мм2), что позволяет резко сократить габаритные размеры контактного узла и контактное нажатие при их коммутации;
-отсутствие вибрации, приваривания, залипания и окисления контактов при их коммутации;
-возможность разработки коммутационных аппаратов на новом принципе (автоматический восстанавливающийся предохранитель), благодаря свойствам текучести жидкого металла.
57
К электрическим аппаратам обычно предъявляют требование сохранить работоспособность в интервале температур ±40 . Очевидно, что жидкий металл должен сохранять своё состояние в указанном интервале. Из известных материалов только ртуть находится в жидком виде при температурах ниже 0 и может быть в чистом виде пригодна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути существенно осложняет технологию её применения.
Недостатки жидкометаллических контактов:
-Обычно применяемые контактные материалы галий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева контактов до момента включения, так как температура окружающей среды может быть ниже температуры затвердевания этих металлов (около 20 );
-Большинство аппаратов с ЖМК требуют определённого положения
впространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибрации), что затрудняет их применение.
4.6. Основные характеристики контактов. ЭДУ в зоне контакта. Особенность работы контактов в режиме протекания токов КЗ
Коммутационная способность – это способность аппарата производить включение и отключение электрических цепей при заданных условиях, оставаясь при этом в исправном состоянии.
Предельная коммутационная способность – это максимальное значение тока КЗ [кА], которое способен несколько раз выключать данный выключатель, оставаясь в исправном состоянии.
Одноразовая предельная коммутационная способность - максимальное значение тока КЗ [кА], которое способен отключить данный аппарат, после чего его исправное состояние не гарантируется.
Для оценки коммутационной способности автоматического выключателя сравниваются расчётное значение ударного тока с предельной коммутационной способностью.
Термическая устойчивость контактов – способность контактов в течение определённого времени проводить большие токи, не оплавляясь и не свариваясь.
В зоне электрического контакта всегда действует ряд механических усилий, влияние которых особенно сказывается при протеканиитоковКЗ.
При возникновении токов КЗ контакты могут разомкнуться преждевременно из-за больших сил ЭДУ (рис.4.17). В результате может возникнуть мощная электрическая дуга, которая приведёт к оплавлению и преждевременному выходу контактов из строя. По этой причине в конструкцию некоторых электрических аппаратов вводят специальный элемент, компенсирующий увеличивающиеся отталкивающие силы - электродинамический компенсатор(рис.4.18).
-К – усилие контактной пружины;
-ЭДУ – электродинамическое усилие отталкивания;
-ЭС – электростатические силы притяжения (возникают из-за того,
58
что контакты находятся под некоторой разностью потенциалов);
-ЭМ – электромагнитные силы сжатия, действующие на перемычку
между контактами.
Контрольные вопросы
1.Действие каких сил проявляется в зоне электрического контакта?
2.Приведите примеры конструкций электрических контактов, обеспечивающих компенсацию электродинамических усилий.
3.Что такое размягчение контактов, и как его можно использовать для определения необходимой силы контактного нажатия?
59