Процессы при замыкании и размыкании коммутационных устройств

Наиболее сложные электрические и механические процессы в коммутационных устройствах возникают в динамическом режиме, когда соединение, разъединение или переключение в электрической цепи происходит при наличии токов и напряжений.

Процесс замыкания происходит сравнительно просто. По мере сближения контакт-деталей воздушные промежутки пробиваются напряжением, действующим в цепи. Этот пробой существенно не влияет на работу коммутационных устройства, кроме случаев коммутации высоких напряжений, т.к. контакты продолжают сближаться до соприкосновения.

Прохождение токов через замкнутые металлические поверхности контакт-деталей может быть обусловлено различным характером проводимости.

Проводимость металл-металл, т.е. металлическая проводимость наблюдается в тех точках, которые не покрыты поверхностными пленками (не окислены) или в которых вследствие трения происходит разрушение всех пленок, а также при использовании благородных металлов, на которых пленки не образуются. В этом случае токи протекают при любых напряжениях.

Если металлы, в которых всегда существует высокая концентрация свободных электронов, разделены тонким слоем полупроводника или диэлектрика (пленками), то для перехода из одного металла в другой электроны должны преодолеть потенциальный барьер. Однако при достаточно тонких пленках могут возникнуть условия, при которых часть свободных электронов из одного металла переходит в другой вследствие так называемого туннельного эффекта. Согласно представлениям квантовой механики электрон может перейти из одного металла в другой, когда его энергия больше высоты потенциального барьера и если во втором металле есть свободный энергетический уровень с такой же энергией. Туннельная проводимость играет существенную роль при тонких (пассивирующих) пленках и при малых токах (напряжениях).

Если имеет место тонкие пассивирующие пленки, наблюдается также проводимость, обусловленная фриттинг-эффектом, сущность которого состоит в том, что при наличии напряжения на контактах, разделенных тонкой пленкой, возникают высокие напряженности поля. Как известно, напряженность поля определяется из выражения:

Е=U/d_пл,

где d_пл - толщина однородной пленки.

Например, при толщине пленки (5-15)·10^{-10 м и напряжении 1 В напряженность поля составляет 107} В/см. При такой напряженности во многих точках возникает пробой диэлектрика, сопровождающийся расплавлением металла и образованием в местах пробоя токопроводящих " мостиков". Из этого следует,  что для надежной коммутации слаботочных цепей необходимо использовать контакты с покрытием из благородных металлов, которые при обычных условиях не имеют пассивирующих пленок, или герметизировать контакты.

Металлы, которые покрываются пассивирующими пленками, не могут быть использованы для маломощных контактов, но с успехом могут применятся в контактах, где коммутируются большие токи и напряжения. Металлы, покрывающиеся толстыми пленками, вообще не пригодны для осуществления надежного контакта.

Более сложные процессы происходят при размыкании контакт-деталей. При малых токах и напряжениях (порядка микровольт и микроампер) влиянием электрических процессов можно пренебречь. Однако, когда коммутируемые токи и напряжения достаточно велики, они оказывают существенное влияние на работу коммутационных устройств.

При определённом соотношении между током и напряжением при размыкании возникает электрическая дуга, сопровождающаяся переносом металла с одной поверхности контакт-детали на другую, появлением неровностей на поверхностях контактов и образованием плёнок из-за высокой температуры и активности ионизированных молекул газа, возникающих вследствие образования дуги. Это так называемая «дуговая эрозия» контактов. Возникновение дуги обусловлено тем, что при разведении контакт-деталей возникает значительная напряженность электрического поля. В результате происходит образование дуги, которая не исчезает и при дальнейшем раздвижении контактов в результате сильной ионизации.

Условия образования дуги зависят от многих факторов: металла контакт-деталей, значений напряжений и токов, состава окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей, наличия емкостей и индуктивностей в электрической цепи. Загрязнение окружающей среды и наличие индуктивностей в цепи облегчают возникновение дуги и ухудшают работу коммутационных устройства.

Способствует возникновению дуги и " звон контактов", который присутствует как при замыкании, так и при размыкании контакт-деталей. Возникновение " звона контактов" объясняется упругостью контакт-деталей, наличием механических деталей, создающих перемещение контакт-деталей и усилие контактного нажатия. Рассмотрим возникновение " звона контактов" при замыкании, когда происходит как бы удар контакт-деталей друг о друга, после которого из-за упругости они " отскакивают", т.е. размыкаются, затем вследствие действия замыкающих усилий вновь замыкаются и т.д. В результате происходят периодические замыкания и размыкания с уменьшающейся амплитудой " отскока" до полного замыкания. " Звон контакта" возникает из-за сил упругости и при размыкании контакт-деталей.

Границы значений тока I_д и напряжения U_д для некоторых металлов, выше которых возникает явление дуговой эрозии, следующие:

- для серебра U_д = 8 В, I_д = 0, 9 А;

- для золота U_д = 25 В, I_д = 0, 5 А;

- для меди U_д = 25 В, I_д = 1, 3 А.

При малых токах и напряжениях при размыкании не образуется дуги, но происходит мостиковая эрозия. Из-за шероховатости поверхности при размыкании контактов все больше и больше контактных точек (выступов) перестаёт контактировать. При этом возрастает переходное сопротивление R_П и падение напряжения на нем, а плотность тока в точках контактирования значительно возрастает. Мощность, выделяемая в контакте, резко увеличивается и рассеивается в нескольких точках, где металл начинает плавится. Контактирующие поверхности продолжают расходиться, металл " тянется" до тех пор, пока механически не разрывается. На поверхности остаются " столбики", которые из-за повышенной температуры окисляются. Постепенно поверхность разрушается.

Для каждого металла характерно определенное напряжение, при котором из-за возрастания плотности тока наблюдается плавление при размыкании. Значения напряжений и температур плавления для некоторых металлов приведены в таблице 1. Напряжение, меньшее 0, 3 В, практически не создаёт условий для мостиковой эрозии.

 

Значения напряжений и температур плавления некоторых металлов.

Таблица 1.

Металл	Uпл., В	Тпл., oС
Платина Серебро Золото	0, 65 0, 35 0, 45	1773 960 1063

 

Таким образом, требования к материалам контакт-деталей КУ обусловлены коммутируемыми током и напряжением и условиями эксплуатации. По изложенным причинам выбор материала контакт-деталей требует учета многих факторов и вызывает большие трудности.

Лекция 12

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: