Под износом контактов понимают разрушение рабочей поверхности коммутирующих контактов, приводящее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала.

Износ, происходящий под действием электрических факторов, будем называть электрическим износом -- электрической эрозией. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического.

При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда. При токе и напряжении, больших минимально необходимых (например, для меди при I = 0,5 А и U = 15 В), возникнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.

Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факторов (см. ниже) часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой.

Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот.

Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги).

Износ контактов при малых токах. Эрозия контактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие рас-пыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается только анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.

Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогасительньми (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившихся, но еще не замкнутых контактах и как следствие этого -- сваривание контактов.

Износ контактов при больших токах. Износ происходит как при размыкании контактов, так и при их замыкании и зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, полученные опытным путем.

Износ контактов при размыкании.

Зависимость износа от числа размыканий. Износ контактов при данной напряженности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий. Если износ при одном размыкании равен с, то за n размыканий он будет

(1)

Зависимость износа от напряженности магнитного поля. Эта зависимость характеризуется кривой на рис.1. При малых напряженностях дуга длительное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит к увеличенному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опорных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается.

Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса.

Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует перешеек из расплавленного металла. С ростом напряженности возрастают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.

Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разойтись на 1 -- 2 мм; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.

Зависимость износа от тока. Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппаратах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательной дугогасительной катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока.

Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплавляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет изменения ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, измеряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.

Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам контур тока создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьшением скорости их расхождения.

Износ контактов при замыкании. При замыкании имеет место также электрический износ, который в ряде случаев превосходит износ при размыкании. Он вызван дребезгом контактов, возникающим при замыкании. Подвижный контакт подходит к неподвижному с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов: Упругая деформация приводит к отбросу подвижного контакта -- он отскакивает от неподвижного на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой, как показано на рис.2, а. При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их износ.

Рис. 2. Дребезг контактов при замыкании

Дребезг при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря. При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах (рис.2,б).

Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов.

Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между механической (кривая 1) и тяговой (кривые 2, 3 и 4) характеристиками (рис.3). Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следовательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

Рис. 3. Тяговые и механическая характеристики

Зависимость износа от начального нажатия Рн и жесткости контактной пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения -- это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг, а следовательно, и износ (рис. 4). На рисунке показан характер дребезга контактов при пониженном и повышенном нажатии. Кривая UK изображает напряжение на контактах, кривая IК -- ток через контакты. Как видно из гра-фиков, при пониженном нажатии контакты размыкались несколько раз. При повышенном нажатий размыкания не было.

Рис. 4. Зависимость износа контактов при замыкании от начального нажатия

Повышение начального нажатия ограничено тяговой характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение, при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформации тугой пружины и имеет место отброс всей подвижной системы, износ контактов начинает возрастать (штриховая часть кривой на рис. 4).

При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим,, а следовательно, износ несколько снизится.

2 ДРЕБЕЗГ КОНТАКТОВ И СПОСОБЫ БОРЬБЫ С НИМ

Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следующим образом. В момент t = 0 произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвижный контакт остановился. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижного контакта.

Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижный контакт по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт отходит на расстояние xк и под действием контактной пружины снова замыкается (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так - несколько раз с затухающей амплитудой. На рис.2 обозначено: хк -- амплитуда колебаний контакта; хД -- величина упругой деформации; х0 -- остаточная деформация.

Рис.2. Дребезг контактов при замыкании

Если хк > хД, то произойдет разрыв цепи со всеми вытекающими последствиями. Такой дребезг является опасным.

Если же xк < хд, то, несмотря на наличие дребезга контактов, разрыва цепи не произойдет, износа контактов не будет. Такой дребезг является неопасным.

Применяемые контактные материалы обладают достаточной упругостью, поэтому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невозможно. В таком случае необходимо конструировать аппараты и их коммутирующие контакты так, чтобы дребезг контактов был неопасным. Амплитуду хк необходимо всемерно снижать. Время дребезга не должно превосходить 0,5--1 мс.

Максимальное значение амплитуды колебаний контакта для поворотной системы с рычажным контактом определяется формулой [4]

(4)

где l -- встроенная длина контактной пружины; б0 -- первоначальный угол сжатия пружины; k -- коэффициент восстановления, характеризующий упругие свойства материала; j -- момент инерции подвижного контакта; щ -- угловая скорость подвижного контакта в момент удара; c -- жесткость пружины. Коэффициент восстановления для некоторых материалов:

Медь ……………..0,95

Латунь …………………………………0,87

Железо …………..…0,75

Поделочная сталь …………………....0,5

Увеличение начального сжатия пружины или, что то же самое, увеличение начального нажатия Pн а также увеличение жесткости с контактной пружины ведут к снижению амплитуды дребезга. При этом большее влияние на амплитуду дребезга оказывает начальное нажатие. Увеличение тягового момента М, так же как и увеличение угловой скорости щ, ведут к повышению амплитуды дребезга.

Таким образом, снижение дребезга контактов при замыкании и получение их замыкания без дребезга могут достигаться за счет увеличения начального нажатия и жесткости пружины, уменьшения массы подвижных контактов и скорости их замыкания.

Для снижения дребезга при замыкании применяют также искусственные меры, основанные главным образом на компенсации отбрасывающих усилий, возникающих при соударении контактов.

Компенсация отбрасывающих усилий может быть осуществлена за счет использования части кинетической энергии всей подвижной системы аппарата, как это показано на рис.5. В момент касания контактов происходит остановка мостикового контакта. Все другие детали подвижной системы стремятся продолжить свое движение и через амортизационную пружину временно создают дополнительное нажатие на мостиковый контакт, препятствуя тем самым его отбросу. При соответствующем подборе параметров системы (масса, жесткость пружин, скорость) можно достигнуть существенного снижения времени дребезга контактов и замыкания без дребезга.

Пример другого способа компенсации отбрасывающих усилий при соударении контактов приведен на рис.6. Здесь между мостиковым контактом и ведущей траверсой помещается вкладыш из специального пористого материала (вроде пористой или губчатой резины). При ударном сжатии в момент касания контактов противодействующие усилия вкладыша весьма велики. Они препятствуют отбросу контактов. Дребезг снижается.

Снижение износа при замыкании может быть достигнуто за счет применения параллельных контактов (рис.7). Здесь многоступенчатой контактной каждым из контактов включается часть системы тока.

Вследствие разновременного размыкания контактов не возникает дуги, что также приводит к снижению износа.

Для снижения и устранения дребезга, вызываемого ударом в магнитной системе, последнюю амортизируют.

Повышению коммутационной износостойкости мостиковых контактов способствует одновременность касания обоих контактов мостика. Достигнуть этого можно при самоустанавливающемся мостиковом контакте. Будучи зажат между двумя сферическими поверхностями, мостиковый контакт после некоторого числа включений принимает положение, при котором достигается одновременное касание контактов.

3. РАБОТА КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ, В УСЛОВИЯХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для разборных, так и для коммутирующих контактов.

В разборных контактах слабым местом оказывается болтовое соединение. Болт, стягивающий детали, практически не проводит тока, и вследствие кратковременности процесса короткого замыкания можно считать, что температура болта не изменяется. Тепловое расширение токоведущих деталей вызовет дополнительное напряжение, которое, складываясь с напряжением затяжки болта, может привести к остаточным деформациям и ослаблению контактного соединения после его остывания. Поэтому болтовые контактные соединения должны проверяться на дополнительные механические напряжения, возникающие в болтовом соединении при коротком замыкании.

Для коммутирующих контактов характерны: а) момент замыкания; б) замк-нутое положение; в) момент размыкания.

При коротких замыканиях возникает опасность сваривания контактов при нахождении их в замкнутом положении (при сквозном токе короткого замы-кания) и тем более в момент замыкания (включение на короткое замыкание).

При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного нажатия, вызываемого электродинамическими силами. Тепловая энергия, выделяемая в месте контакта и равнаярезко возрастает и может вызвать расплавление и сваривание контактов. На практике вследствие кратковременности коротких замыканий такое явление наблюдается редко. Сваривание замкнутых контактов происходит, как правило, за счет электродинамического отброса, когда электродинамические силы равны контактному нажатию или превосходят его. Возникающая при отбросе контактов дуга вызывает большое оплавление рабочих поверхностей и их сваривание при замыкании.

Для определения минимального тока, при котором происходит сваривание контактов, можно пользоваться следующей опытной формулой:

(2)

где I -- допускаемая амплитуда ударного тока, А; P -- контактное нажатие, Н; K -- коэффициент, зависящий от материала контактов и числа точек соприкосновения (приведен в табл.1).

Таблица 1

Тип контакта

Материал

К, А/Н0,5

Пакетно-пластинчатый Рычажный (ламельный) Несамоустанавливающийся

Рычажный (ламельный)

Самоустанавливающийся

Розеточный (на один элемент розетки)

Медь -- латунь Медь -- медь Латунь-- латунь Медь -- латунь Медь -- латунь

Медь -- медь

300--400

410

505

575

550

600

При включении на короткие замыкание вероятность сваривания контактов возрастает как за счет возможного дребезга, так и за счет меньшего нажатия (в момент соприкосновения контактное нажатие равно начальному Pн ).

При отключении токов короткого замыкания происходит сильное выгорание и оплавление контактов. Снижение износа дугогасительных контактов достигается применением дугостойких материалов и быстрым перемещением дуги по контактам.

4. СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ В КОНТАКТАХ

Контакт (рис.8, а) может быть представлен как проводник переменного сечения. В месте сужения линий тока возникают продольные электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для одноточечных контактов значение этих сил определяется выражением

(3)

для многоточечных

(4)

где s -- сечение контакта в том месте, где нет искривлений линий тока; s0 -- действительная площадь контактирования; п -- число мест контактирования.

В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях, стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или ослабить действие электродинамических сил.

Например, в мостиковой системе (рис.8,6) электродинамическая сила F2 контура abcd действующая на мостиковый контакт и равная

направлена навстречу электродинамическим силам в переходных контактах. Можно подобрать размеры h и а так, чтобы

В контактной системе по рис.8, в электродинамическая сила F2 отсут-ствует, а в системе по рис.8, г сила F2 складывается с силами F1; С точки зрения электродинамической устойчивости последняя система является наименее устойчивой.

На рис.8, д показан пример электродинамической компенсации для рычажных контактов. Неподвижный контакт состоит из двух частей (1 и 2), соединенных посредством шарнира. Подвижная часть этого контакта удерживается в нейтральном положении двумя пружинами, действующими навстречу друг другу. Электродинамическая сила F2 стремится раздвинуть параллельные части 1 и 2 контакта. Сила F2 направлена навстречу силе F1. Можно подобрать длину петли l так, чтобы F2L > F1L. Тогда при коротком замыкании контакт 2 будет всегда прижиматься к подвижному контакту и контактное нажатие будет при этом возрастать.

Рис. 8. Примеры выполнения электродинамической и электромагнитной компенсации электродинамических сил

P -- контактное нажатие; F1 -- отбрасывающие усилия; F2 -- компен-сирующие усилия

Схема электромагнитного компенсатора приведена на рис.8, е. Магнит-ное поле вокруг токопровода подвижного контакта стремится притянуть якорь 3 магнитопровода компенсатора к его неподвижной части 4. Через рычаг 2 сила F2 передается на подвижный контакт 1, препятствуя его отбросу, вызываемому электродинамической силой F1.

5. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надежность работы. К этим материалам предъявляются следующие основные требования: они должны обладать высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, быть устойчивыми против коррозии и иметь токопроводящую окисную пленку, быть дугостойкими, т. е. иметь высокую температуру плавления и испарения, быть твердыми, механически прочными и легко поддаваться механической обработке, иметь невысокую стоимость. Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям.

Для контактных соединений применяются следующие материалы.

Медь. Удовлетворяет почти всем перечисленным выше требованиям, за исключением коррозионностойкости. Окислы меди имеют низкую проводимость. Медь -- самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях применяют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей.

В коммутирующих контактах медь применяется при нажатиях свыше 3 Н для всех режимов работы, кроме продолжительного. Для продолжительного режима медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по борьбе с окислением рабочих поверхностей. Медь может использоваться и для дугогасительных контактов.

При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение медных контактов не рекомендуется.

Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Окислы серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро применяется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы, в контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей). Серебро обычно применяется в виде накладок - вся деталь выполняется из меди или другого материала, а на рабочей поверхности контакта приваривается серебряная накладка.

Алюминий. По сравнению с медью обладает значительно меньшей проводимостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую окисную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может использоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью. Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алюминия, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нарушится.

Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют окисных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с иридием.

Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой температуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и сплавы вольфрам -- молибден, вольфрам -- платина, вольфрам -- платина -- иридий и другие применяются при малых токах для контактов с большой частотой размыкания. При средних и больших токах они исполь-зуются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.

Металлокерамика -- механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает, высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью. Наиболее распространенными композициями металлокерамики являются: серебро -- вольфрам, серебро -- молибден, серебро -- никель, серебро -- окись кадмия, серебро -- графит, серебро -- графит -- никель, медь -- вольфрам, медь -- молибден и др. Применяется металлокерамика в качестве дугогасительных контактов (композиции с серебром в основном для переменного тока) на средние и большие отключаемые токи, а также как главные контакты на номинальные токи до 600 А.