Износ электрических контактов

В процессе работы коммутирующие контакты часто включаются и отключаются. Это приводит к их износу. Износ контактов допускается такой, чтобы до конца срока службы он не приводил к нарушению работы аппарата.

Износ контактов представляет собой разрушение рабочей поверхности контактов с изменением их формы, размера, массы и уменьшением провала.

Износ электрических контактов, происходящий под действием механических факторов, называют механическим износом . Механическому износу подвергаются контакты разъединителей — аппаратов, размыкающих электрическую цепь без нагрузки. Износ проявляется в виде смятия и расплющивания торцевых контактов и истирания поверхностей врубных контактов.

С целью уменьшения механического износа подвижные или неподвижные контакты снабжаются пружиной, которая прижимает контакт к своему упору в отключенном положении аппарата, исключая возможность вибрации контактов. Во включенном положении контакт, имеющий пружину, отходит от упора, и пружина прижимает контакты друг к другу, обеспечивая контактное нажатие .

Наиболее интенсивно износ происходит под воздействием электрических факторов, при наличии токовой нагрузки. Такой износ называют электрическим износом или электрической эрозией .

Мерой износа электрических контактов чаше всего является объемная или весовая потеря контактного материала .

Контакты, предназначенные для коммутации электрических цепей под нагрузкой подвергаются одновременно механическому и электрическому износу. Кроме того, происходит износ контактов в связи с образованием на их поверхности пленок различных химических соединений материала контактов с окружающей средой, который называется химическим износом или коррозией.

При коммутации электрической цепи с электрической нагрузкой на контактах возникает электрический разряд, который может развиться в мощную электрическую дугу.

Процесс износа при замыкании

При касании контактов в процессе их замыкания, под действием сил упругости происходит отброс подпружиненного контакта. Отбросов контактов может быть несколько, т. е. наблюдается вибрация контактов с затухающей амплитудой. Амплитуда вибрации при каждом следующем отбросе уменьшается. Уменьшается и время отброса.

Вибрация контактов при включении аппарата: x1, х2 — амплитуды отбросов; t1 , t 2, t 3 — время отбросов

При отбросе контактов образуется короткая дуга с расплавлением точек контактирования и испарением металла. При этом в зоне контактирования создается повышенное давление паров металла и контакт «зависает» в потоке этих паров. Время замыкания контактов увеличивается.

Износ электрических контактов при включении зависит от начального нажатия в момент соприкосновения контактов, жесткости пружины, создающей контактное нажатие, от физических свойств контактных материалов.

Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения — это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Чем больше эта сила, тем меньше будет амплитуда и время отброса, тем меньше будет вибрация контактов и их износ. С увеличением жесткости пружины отброс контактов уменьшается и снижается их износ.

Чем выше температура плавления контактного материала, тем ниже износ контактов. Чем выше ток в коммутируемой цепи, тем выше износ контактов.

Процесс износа при размыкании

В момент размыкания контактов контактное нажатие снижается до нуля. При этом возрастает переходное сопротивление контакта и увеличивается плотность тока в последней точке контактирования. Точка контактирования расплавляется, и между расходящимися контактами образуется перешеек (мостик) из расплавленного металла, который затем разрывается. В промежутке между контактами может возникнуть искровой или дуговой электрический разряд.

Под действием высокой температуры при разряде часть металла контактного перешейка испаряется, часть выбрасывается из контактною промежутка и виде брызг, часть переносится с одного контакта на другой. На контактах наблюдаются эрозионные явления — появление на них кратеров или налипание металла. Износ контактов зависит от рода и величины тока, длительности горения дуги и материала контактов.

При постоянном токе перенос материала с одного контакта на другой проявляется более интенсивно, чем при переменном токе, так как направление тока в цепи не меняется.

При малых значениях токов эрозия контактов обусловлена разрушением контактного перешейка не в средине, а ближе к одному из электродов. Чаше разрыв контактного перешейка наблюдается у анода — положительного электрода.

Перенос металла наблюдается в сторону электрода, дальше расположенного от точки расплавления, обычно в сторону катода. Перенесенный металл затвердевает на катоде в виде острых выступов, ухудшающих условия контактирования и уменьшающих зазор между контактами в разомкнутом состоянии. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искрового разряда. Чем больше ток и время горения дуги, тем больше эрозия контактов.

При больших значениях тока в промышленных электрических сетях чаще возникает дуговой разряд между размыкаемыми контактами. Дуговой износ контактов зависит от многих факторов. Среди них можно отмстить следующие факторы: напряжение сети, род и величина тока, напряженность магнитного поля, индуктивность цепи, физические свойства контактных материалов, частота коммутационных циклов, характер контактирования контактов, скорость размыкания контактов.

Электрическая дуга между контактами загорается при определенном значении напряжения. При наличии дугогаситсльных устройств , вызывающих движение дуги, дуга перемешается с контактов при появлении межконтактного промежутка в 1 — 2 мм, что не связано с величиной напряжения. Поэтому износ контактов от напряжения практически не зависит. Минимальные значения напряжения, при которых возникает электрическая дуга для ряда металлов, применяемых в качестве контактов приведены в табл. 1 .

Таблица 1. Минимальные значения напряжения и тока возникновения дуги для некоторых металлов

Параметры цепи	Материал контактов
	Au	Ag	Cu	Fe	Al	Mo	W	Ni
Минимальный ток, А	0,38	0,4	0,43	0,45	0,50	0,75	1,1	1,5
Минимальное напряжение, В	15	12	13	14	14	17	15	14

Износ контактов растет с увеличением отключаемого тока. Эта зависимость близка к линейной. В то же время изменение тока приводит к изменению внешнего магнитного поля, что сказывается на характере износа контактов. Износ контактов интенсивнее наблюдается при постоянном токе, что связано с затяжкой гашения дуги. При постоянном токе контакты изнашиваются неравномерно.

Движение дуги в дугогасительных устройствах происходит в магнитном поле, создаваемом проводником с током. С ростом напряженности магнитного ноля растет скорость движения опорных точек дуги. При этом контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается. Однако при появлении перешейка из расплавленного металла между размыкаемыми контактами рост напряженности магнитного поля увеличивает электродинамические силы, которые стремятся выбросить расплавленный металл из межконтактного промежутка. Это приводит к увеличению износа контактов.

На износ контактов оказывает влияние индуктивность цепи, так как она связана с постоянной времени цепи и скоростью изменения тока. В цепи постоянного тока увеличение индуктивности может снизить износ при замыкании контактов, так как ток нарастает медленнее и при отбросе контактов он не достигает максимальною значения.

В цепи переменного тока увеличение индуктивности может увеличить и уменьшить износ при замыкании. Это зависит от момента отброса контактов. При размыкании контактов индуктивность цепи влияет на износ, если она оказывает влияние на величину тока и время гашения дуги.

Более интенсивный износ наблюдается на контактах из чистых контактных материалов (медь, серебро) и значительно уменьшается на контактах из сплавов с тугоплавкими компонентами (медь — вольфрам, серебро — вольфрам).

Серебро имеет относительно высокую износостойкость при токах до 63 А, при токах 100 А и выше износостойкость снижается, а при токах 10 кА становится одним из наименее износоустойчивых материалов.

Износ контактов увеличивается с увеличением частоты коммутационных циклов. Чем чаше включается аппарат, тем больше нагреваются контакты и снижается их устойчивость к эрозионным явлениям. Увеличение скорости размыкания контактов сокращает время горения дуги и снижает дуговой износ контактов.

Параметры электрических контактов (провал, раствор, нажатие) и характер контактирования (точечное или плоскостное контактирование, касание контактов с перекосом) влияют как на механический износ, так и на электрический. Например, при увеличении раствора контактов их износ увеличивается, так как увеличивается выделение тепловой энергии в стволе дуги.

Износ электрических контактов может привести к ненадежному контактированию и к нарушению контактного соединения. Это может вызвать преждевременный выход из строя коммутационного аппарата. На износ контактов оказывает влияние их отброс под действием электродинамических сил.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Износ контактов коммутационных аппаратов в процессе работы

Износ контактов коммутационных электрических аппаратов является одной из важнейших характеристик, определяющих устойчивость работы аппарата в эксплуатации.

Износ контактов может происходить как вследствие механических явлений (трение, соударение), так и электрических процессов, главным образом за счет образования и горения электрической дуги на контактах при размыкании цепи. Преобладание того или иного вида износа зависит от режима работы аппарата, величины коммутируемого тока, материала контактов и пр.

Коммутационная аппаратура — общий термин, применимый к группе коммутационных аппаратов для главных и вспомогательных цепей, предназначенных для включения и отключения электрических установок, их защиты или управления ими. Коммутационное оборудование — коммутационная аппаратура, предназначенная для управления данной цепью, машиной или аппаратом.

Износ контактов у слаботочных аппаратов носит иной характер, чем у сильноточных. Мы не ставим своей задачей рассмотреть здесь вопрос эрозии контактов в целом. Нас интересует главным образом износ контактов, порождаемый дуговым разрядом возникающим как при размыкании, так и замыкании электрической цепи контактами сильноточных аппаратов.

В сильноточных аппаратах дуговой износ является основным, определяющим долговечность аппарата. Особенно велики дуговые разрушения контактов при коммутации цепей в режиме короткого замыкания, когда возникает необходимость смены контактов после нескольких (трех — пяти) циклов срабатывания аппарата.

Дуговой износ контактов может проявляться не только в процессе размыкания цепи, но также и в процессе ее замыкания. Соотношение этих процессов может быть различным в зависимости от напряжения, действующего в цепи. Дуговые процессы при замыкании контактов аппарата наиболее сильно проявляются в коммутационных аппаратах высокого напряжения и сравнительно слабо в аппаратах низкого напряжения.

В процессе отключения цепи при рабочих режимах и коротких замыканиях между контактами коммутирующего аппарата возникает дуговой разряд, приводящий к оплавлению и испарению металла контакта.

Степень износа контактов за одну операцию зависит от величины тока в цепи, длительности горения дуги, от материала контактов и конструктивных особенностей аппарата. Общий износ контактов обычно находится в прямой зависимости от числа операций, выполненных аппаратом.

Образованию дуги между контактами часто предшествует так называемая мостиковая стадия процесса. Эта стадия знаменуется тем, что при размыкании контактов в точках их окончательного отрыва, благодаря значительному локальному выделению тепла металл плавится и между расходящимися поверхностями контактов вытягивается жидкий мостик, через который продолжает протекать весь ток цепи.

Жидкий мостик нагревается до температуры кипения и испарения металла. При этом часть материала мостика выбрасывается за пределы контакта в виде пара, а другая часть в виде капель жидкого металла.

Выбрасыванию жидкого металла мостиков часто способствует поперечное магнитное поле. В некоторых типах контактов и режимах их работы мостиковая фаза занимает ведущее место в общем износе.

В процессе включения между контактами аппарата также может возникать дуговой разряд, который является или следствием пробоя промежутка при сближении контактов, или следствием вибрации контактов после их соударения.

Дуговой разряд при смыкании контактов может возникать при большем или меньшем расстоянии между контактами в зависимости от напряжения цепи, вида и состояния газовой или жидкой среды, заполняющей межконтактное пространство (ее диэлектрической прочности, давления, динамического состояния и пр.).

Износ контактов под влиянием дуги включения зависит от величины тока включения, скорости смыкания контактов и размера промежутка, при котором наступает пробой.

Износ контактов под действием дуги включения имеет серьезное значение главным образом в аппаратах высокого напряжения (несколько киловольт и выше). В аппаратах низкого напряжения дуга включения практически отсутствует.

Износ контактов под действием вибрации контактов имеет место почти в равной степени как в аппаратах высокого, так и низкого напряжения.

Природа этого явления заключается в том, что при смыкании контактов в процессе включения имеют место соударения и отбросы контактов друг от друга за счет сил упругих деформаций металла.

При отпрыгивании контактов друг от друга между ними возникает дуга, которая продолжает гореть, пока контакты снова не сомкнутся, и вновь может образоваться при последующем отбросе. Таких отбросов и смыканий в процессе одной операции включения может быть несколько, а общее время вибраций достигает иногда 10 мс и более.

Для уменьшения вибрации контактов применяется ряд мер и в первую очередь предварительное нажатие в контактах, которое повышает значения сваривающих токов и широко применяется в коммутационных аппаратах высокого и низкого напряжения.

Существуют и другие методы борьбы с вибрацией контактов при их соударении, например, установка демпфирующих устройств на контактах, особенно когда контакты находятся в масле.

Дуговой износ контактов аппаратов в их рабочих режимах, т. е. при размыкании токов порядка сотен или тысяч ампер, для единичных процессов обычно бывает невелик. Таким образом, для аппаратов, срабатывающих относительно редко при рабочих токах, вопрос износа не является актуальным.

Однако для ряда аппаратов (контакторы, выключатели нагрузки, силовые реле, некоторые виды автоматов и пр.), предназначенных для очень большого числа операций без ревизий и смены контактов, вопрос износа контактов при рабочих токах становится одной из важнейших характеристик, определяющих надежность аппарата, его устойчивость и срок службы в эксплуатации.

Износ контактов под действием дуги при больших токах имеет свои закономерности. Совокупность вопросов, имеющих первостепенное значение при малых и средних токах, например влияние среды, окислительные процессы на контактах и другие, при больших токах теряют свое значение. Здесь на первый план выступают такие свойства, как тугоплавкость металла и его скрытая теплота парообразования.

Процессы возникновения мощной дуги и разрушения контактов под действием этой дуги носят характер взрыва, при котором несомненно часть металла уносится (выбрасывается) в жидкой фазе. Здесь даже пет речи о мостиковой стадии.

Жидкий металл в мощной дуге образуется на электродах в достаточном количестве и может выбрасываться за пределы контактов за счет локальных давлений, создаваемых магнитиыми полями, и потоков металлического пара.

Чем ниже температура плавления металла, тем большее количество его плавится и выбрасывается из зоны промежутка. На значительный разброс металла, например меди, в жидком виде указывают опытные наблюдения за реальными дугогасительными камерами выключателей.

Обычно стенки этих камер и другие детали, находящиеся вблизи дуги и контактов, покрываются слоем распыленного и разбрызганного расплавленного металла контактов.

В области дугового износа контактов аппаратов и изыскания новых дугостойких материалов большое значение имеют дальнейшие исследования, позволяющие более полно раскрывать механизм дугового износа и намечать пути дальнейшего повышения устойчивости аппаратов, предназначенных для коммутации электрических цепей высокого и низкого напряжения при относительно больших токах.

Источник