Применение полупроводниковых приборов для облегчения гашения дуги

 

Одним из перспективных путей повышения эффективности коммутации силовых цепей, позволяющим исключить возникновение дуги отключения или ограничить время ее горения, является использование силовых полупроводниковых приборов. Во многих странах и у нас в РФ ведутся работы по

 

созданию коммутационных аппаратов на базе тиристоров и симисторов, однако до настоящего времени такие аппараты имеют ограниченное применение. Основ­ными факторами, препятствующими широкому применению указанных аппаратов, даже при низком напряжении, являются высокая стоимость, значительные габариты, отсутствие видимого разрыва цепи, чувствительность к перегрузкам, скорости нарастания тока и напряжения.

Более приемлемыми для сильноточных аппаратов признаны устройства с бездуговой коммутацией, основанные на использовании механических контактов и тиристоров или механических синхронизирующих устройств, контактов и не­управляемых диодов.

Коммутация цепей переменного тока. Для аппаратов с высокой частотой оперативных включений и отключений заслуживает внимания контактная система с тиристорным блоком бездугового отключения (рис. 6-28). Тиристоры VS1 и VS2 включены параллельно контакту. При разомкнутом контакте К они заперты — ток в цепи отсутствует. При замыкании контакта и возникновении тока в цепи трансформаторы тока ТА1 и ТА2 (или другое устройство) через диоды VD1 и VD2 подают соответственно полярности полуволны отпирающие сигналы на управляющие электроды тиристоров. Однако ток через тиристоры не протекает, так как они шунтированы контактом. В момент размыкания контакта ток переходит в цепь того из тиристоров, направление проводимости которого соответствует полярности тока. Прямое падение напряжения, на открытом тиристоре мало (1, 5 — 2 В на одном тиристоре), и дуга на контактах не возникает. При переходе тока через нуль проводящий тиристор закроется, а второй не откроется ввиду отсутствия сигнала. Ток в цепи прекратится. Коммутационная износостойкость контактов при этом способе гашения сильно возрастает (например, у контакторов серий КТ64 и КТ-65 — в 10 раз).

 

Так как тиристоры обтекаются здесь током только в течение полупериода, то они могут выбираться на малые номинальные токи с большими перегрузками. Габариты тиристорного блока оказываются малыми.

Принципиальная электрическая схема коммутационного устройства с синхронизированным размыканием контактов приведена на рис. 6-29.

Контакты К1 и К2 замыкаются и удерживаются в замкнутом положении приводом. Встречно-параллельно включенные диоды VD1 и VD2 представляют собой незначительное нелинейное симметричное малоинерционное сопротивление, они не искажают форму тока и не влияют на него. Ток протекает в парал­лельных цепочках в соответствии с полярностью диодов. При отключении привод освобождает подвижные контакт-детали, предоставляя возможность контак­там К1 и К2 разомкнуться с помощью своих отжимающих пружин. Контролирующие электромагниты 1 и 2 удерживают контакты замкнутыми до перехода тока через нуль и до закрытия диодов. Если в момент отключения привода ток проходит через электромагнит 2, то контакт К2 удерживается в замкнутом положении до конца полупериода, а контакт К1 размыкается одновременно с приводом. Аналогично происходит, если в момент отключения привода ток протекает через электромагнит 1: контакт К2 (обесточенный) отключается одновременно с приводом, а контакт К1 — в конце полупериода тока, проходящего по нему.

Контролирующие электромагниты обеспечивают размыкание контактов не синхронно с приводом, а в паузу тока, создаваемую диодами после перехода тока через нуль.

Устраняя электрическую дугу, устройство, выполненное по этой схеме, обеспечивает высокую изолирующую способность межконтактного промежутка в отключенном состоянии (контакты разомкнуты) и малое сопротивление во включенном состоянии. При больших токах это устройство может быть использовано как дугогасительный контакт, у которого основной контакт отключается одновременно с приводом, а контакты К1 и К2 – соответственно полупериоду протекающего по ним тока.

 

 

Рис. 6-30. Схемы бездуговой коммутации на постоянном токе

Коммутация цепей постоянного тока. Отключение постоянного тока представляет собой процесс принудительного его обрыва. Схемы, обеспечивающие либо ограничение времени горения дуги, либо полностью бездуговую коммутацию, многообразны и сложны. Они основаны, как правило, на конденсаторном гашении в сочетании с искусственной коммутацией тиристоров.

* В схемах, выполненных по принципу, показанному на рис. 6-30, а, после размыкания контакта К открывается тиристор VS. Заранее заряженный конденсатор С разряжается через дугу и катушку индуктивности L, благодаря

чему ток в дуге дважды меняет свое направление. В один из переходов тока через нуль возможно гашение дуги. Такие схемы при токах свыше 100 А требуют значительных емкостей (конденсатор имеет большие габариты и время заряда), обеспечивают только сокращение времени горения дуги и, таким образом, малоэффективны.

В схемах, подобных показанной на рис. 6-30, б, процесс отключения цепи двухступенчатый: сперва открывается тиристор VS1, ток переводится в цепь тиристора и контакт К размыкается без дуги. Затем открытием тиристора VS2 осуществляется разряд конденсатора С и запирание тиристора VS1, достигается полное бездуговое отключение тока.

Во всех случаях амплитуда тока разряда конденсатора должна быть больше тока цепи. Цепь диода VD и резистора R служит для снижения напряжений и повышения отключающей способности, тиристор VS3 — для заряда (одна из схем) конденсатора.

Бездуговая коммутация цепей постоянного тока в сочетании с другими мероприятиями позволяет проектировать выключатели с полным временем отключения не более 0, 01 с, а также повышать коммутационную износостойкость аппаратов (для контакторов — в 5 — 10 раз).

 

 

ЛЕКЦИЯ № 4

 

2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

 

2.2.1. Общие сведения.

2.2.2. Режимы работы контактов.

2.2.3. Материалы контактов.

2.2.4. Конструкция твёрдометаллических контактов.

2.2.5. Жидкометаллические контакты.

2.2.6. Расчёт контактов аппаратов.

 

Общие сведения

 

Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток. Соприкасающиеся проводники называются контакт-деталями или просто контактами.

Как бы ни была тщательно обработана поверхность соприкосновения контактов, электрический ток проходит из одного контакта в другой только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как абсолютно гладкой поверхности нельзя получить ни при каком методе ее обработки.

Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических контактов по торцам.

Положим, что контакты имеют только одну площадку касания и что эта площадка имеет форму круга с радиусом а. Величину радиуса а при пластической деформации можно найти по формуле

где:

F - сила нажатия контактов;

- временное сопротивление на смятие материала контактов.

В результате стягивания линий тока к площадке касания путь тока меняется.

Сечение проводника, через которое фактически проходит ток, становится меньше, что вызывает увеличение сопротивления.

Сопротивление в области точки касания, обусловленное явлениями стягивания тока, называется переходным сопротивлением контакта.

 

Рис. 2.2.1. Идеализированная картина растекания тока в точечном контакте

 

Картина растекания тока в области стягивания (рис. 2.2.1.а) аналогична картине растекания тока из плоского диска радиусом а полубесконечную среду. Учитывая, что размеры области стягивания малы по сравнению с размерами тела контакта, реальные контакты можно заменить полубесконечными телами. Для двух полубесконечных тел, контактирующих по одной круглой площадке касания, картина поля тока и электрических потенциалов представлена на рис. 31.б.

Эквипотенциальные поверхности являются полуэлепсоидами вращения, линии тока гиперболами с общим фокусом. Для такой идеализированной картины растекания тока в контактах переходное сопротивление

,

где - удельное сопротивление.

С точностью до 5% эта формула справедлива, если поперечные размеры тела контакта превосходят в 13 раз диаметр площадки касания. Определив а, имеем

Если имеет место упругая деформация контактирующих выступов, то .

Для многоточечных контактов

,

где m – показатель, меняющийся от 0, 7 до 1.

Сопротивление зависит и от обработки поверхности, Шлифовка ведет к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Снятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Мы рассмотрели только переходное сопротивление, вызванное явлением стягивания линий тока.

В действительности контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контакты до их замыкания. Очень часто эти молекулы вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате чего на поверхности металла могут возникнуть пленки с очень высоким удельным сопротивлением.

Если напряжение замыкаемой цепи мало или нажатие на контакты недостаточно, то иногда контакты вообще не пропускают тока. Как только свежезачищенная поверхность контактов соприкасается с воздухом, сейчас же начинается процесс образования пленки и переходное сопротивление может возрасти в десятки раз.

В связи с этим контакты на малые точки (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).

 

В сильноточных контактах пленка окислов разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо путем самозачистки при включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.

При прохождении тока через область стягивания линий тока контакт нагревается.

С ростом температуры сопротивление стягивания изменяется из-за роста удельного сопротивления материала

,

где - сопротивление стягивания при температуре тела контакта .

Возрастание превышения температуры контактной точки , приводит к увеличению сопротивления .

 

Режимы работы контактов

 

а) Включение цепи. При включении контактов могут иметь место следующие процессы:

1) вибрация контактов;

2) эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами

Рассмотрим природу вибраций на примере рис. 5. Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 через контактную пружину 3. Неподвижный контакт 4.жестко закреплен на опоре.

Электромагнит контактора воздействует на рычаг 2. В момент сопротивления контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и загорается дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта.

Вибрация контактов - явление весьма вредное, поскольку при этом имеет место многократное образование короткой дуги, которая ведет к сильному сплавлению и распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается их взаимное нажатие в полностью включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход из строя контактов.

Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предварительную деформацию (натяг) при разомкнутых контактах. В момент касания контактов

 

сила нажатия возрастает не с нуля, а с величины предварительного начального нажатия контактов. В некоторых конструкциях между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из специального пористого материала типа губчатой резины. Этот материал увеличивает затухание колебаний контакта и способствует уменьшению вибраций.

На вибрацию контактов влияет также момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается. В связи с этим контакты должны быть возможно легкими.

С целью снижения вибраций, возникающих от удара якоря, магнитопровод с обметкой крепится не жестко, а на пружинах.

При включении на существующее короткое замыкание вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания. Для того чтобы не было сплавления контактов в момент их соприкосновения, необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электродинамические силы отброса и создать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению касания.

При включении цепи по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии произойдет пробой промежутка. В аппаратах НН пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами.

В дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако возникающие при пробое электроны бомбардируют анод и вызывает его износ. Металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл.

Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией.

В аппаратах ВН при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов, особенно при включении на существующее короткое замыкание. За счет применения большого числа последовательно соединенных разрывов уменьшается напряжение, приходящееся на разрыв, что дает снизить время предварительного пробоя до безопасного значения.

б) Проведение тока во включенном состоянии. В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток КЗ.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на сопротивлении было меньше :

,

где К1 – точка размягчения материала;

К2 - точка плавления материала.

Для расчета контактов на небольшие токи используется эта формула. По заданному току и допустимому определяем , после чего находим необходимое контактное нажатие.

 

Для одноточечных контактов на большие токи

,

где:

Fk - сила нажатия;

- ток действующий;

В -число Лоренца ;

- число твердости по Виккерсу;

λ - удельная теплопроводность;

- температура точки касания;

- температура тела контакта.

Формула позволяет по заданному сразу найти , если известно соотношение

,

где:

- действующее значение тока;

- удельное сопротивление материала контактов;

- удельный коэффициент теплоотдачи;

- периметр сечения контактов;

q - сечение тела контактов;

- температура окружающей среды.

Температуру контактной точки можно определить, воспользовавшись, что для надежно работающих контактов не должна превышать 5 - 10°С.

Если имеется n контактных точек, то расчет проводится для одной контактной точки (ток ) и

При расчете динамической стойкости контактов

,

где:

I - ток электродинамической стойкости;

F - сила нажатия;

r - коэффициент, определенный экспериментально, и сведен в таблицу для различных материалов контактов.

Сваривание контактов зависит от конструкции самих контактов и токоведующей цепи аппарата. Электродинамические силы, возникающие в токоведущих частях, необходимо использовать для повышения устойчивости контактов.

 

в) Отключение цепи. При размыкании контактов сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и поэтому растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает либо дуговой разряд, либо тлеющей.

Это приводит к интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающее пространство, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок, что влечет износ контактов.

Износ, связанный с окислением, образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой называется химическим износом или коррозией. Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией и наоборот отрицательной эрозией.

Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависят от вида разряда и величины тока.

При срок службы контактов

,

где:

N - число допустимых отключении;

Vo - объем контакта, предназначенный на износ;

ν - плотность материала;

- эмпирический коэффициент износа;

- количество электричества, протекающего через промежуток за одно отключение.

Количество электричества, протекающего через дугу

и находится на осциллограмме.

При ориентировочных расчетах

,

где:

- значение тока в момент размыкания;

- время гашения.

При

,

где:

Q - износ контакта;

N - число отключений - включений (операций);

- ток отключения;

 

- эмпирический коэффициент; определенный: для различных материалов.

 

г) Способы уменьшения износа контактов. Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются:

1. сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств;

2. устранение вибрации при включении;

3. применение дугостойких контактных материалов.

Для контактов, управляющих токами от долей ампера до нескольких ампер, применяются схемные методы уменьшения эрозии. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Схемы для уменьшения износа контактов

 

Вся электромагнитная энергия цепи при отключении выделяется в дуговом промежутке. Исследования показали, что чем меньше эта энергия, тем меньше эрозия контактов. В схеме рис. 3.2, а электромагнитная энергия, накопленная на индуктивности L, тратится в активных сопротивлениях r и R Искра отсутствует, если

Дуга отсутствует при условии

и берутся по таблице. Наличие резистора r увеличивает токовую нагрузку контактов, что является недостатком схемы. В связи с широким выпуском высококачественных диодов рекомендуется схема рис. 3.2, б. В этой схеме контакты нагружаются только током и обратным током диода D. При отключении магнитный поток в системе начинает падать. При этом обмотка будет закорочена на сопротивление диода в проводящем направлении. Для схемы рис. 3.2, в выполнено условие отсутствия искрового разряда, если

Однако с уменьшением r растет ток, который должен отключаться другими контактами для полного обесточивания цепи. Хорошие результаты дает схема рис. 3.2, г. Наличие конденсатора уменьшает ток между контактами, так как в

 

конденсатор ответвляется ток, равный ; где U - напряжение на контактах. Наличие емкости снижает скорость нарастания напряжения на контактах, в результате чего разряд может прекратиться. При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии конденсатора, разряжающегося на промежуток. Для ограничения тока разрядки ставится сопротивление r.

При правильном выборе r и C эрозия должна отсутствовать.

Для обеспечения гашения дуги и уменьшения обгорания контактов сильноточные аппараты (контакторы, автоматы, высоковольтные выключатели) снабжаются дутогасительными камерами.

С этой же целью подвижный контакт должен иметь определенную скорость движения и определенный ход в зависимости от конструкции аппарата и его номинального напряжения.

 

Материалы контактов

 

К материалу контактов предъявляются следующие требования:

1. Высокие электрическая проводимость и теплопроводность.

2. 2. Стойкость против коррозии во воздухе ж других гавах,

3. Стойкость против образования пленок с высоким удельным со­противлением.

4. Малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия.

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

6. Малая эрозия.

7. Высокая дугостойкость ( температура плавления ).

8. Высокие значения тока и напряжения, необходимых для ду-гообразования.

9. Простота обработки, низкая стоимость.

К таким материалам относятся медь, серебро, алюминий, вольфрам, металлокерамические материалы. Данные материалы имеюткак положительные стороны, так и недостатки. Поэтому, исходя из этого, каждый из перечисленных материалов применяется с учетом большего эффекта по перечисленным требованиям.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: