В) розривні контакти

У процесі роботи контакти великого числа апаратів розривають коло із струмом, більшим ніж мінімальний струм дугоутворення І₀. виникаюча електрична дуга сприяє швидкому зносу контактів.

Для надійного гасіння дуги, що утворюється при відключенні, між нерухомими і рухомими контактами необхідно створити певну відстань. У реальних апаратах ця відстань вибирається із запасом. Відстань між нерухомими і рухомими контактами в повністю відключеному апараті називається раствором контактів. Конструкція розривних контактів залежить від номінального струму, струму КЗ, режиму роботи, призначення апарата. залежно від конструкції кріплення контактів змінюється число контактних точок торкання і стабільність контакта. Контакт, що має змогу вільно встановлюватися на поверхні, має максимальне число точок торкання. Такий контакт називається самоустановним.

У всіх без винятку апаратах є втиск (провал) контактів, що забезпечує необхідний натиск контактів. Внаслідок обгорання і зносу контактів у процесі експлуатації втиск зменшується, що призводить до зменшення сили натиску і зростання перехідного опору контактів. Тому в експлуатації втиск контактів повинен обов’язково контролюватися і знаходитися в межах, що вимагаються заводом-виготовником. Особливо це стосується апаратів, які працюють в режимі частих включень і виключень (контактори), де знос контактів інтенсивний. Допустиме зменшення провалу встановлюється заводом-виготовником і звичайно становить 50% початкого значення.

В високовольтних масляних вимикачах широко застосовується розеткова система. Рухомий контакт виконують у вигляді круглого стержня, нерухомий – у вигляді розетки, що складається з ламелей. Така система має низький перехідний опір і дозволяє різко знизити контактний тиск на ламель. При переході від торцового контакта до розеткового сила натиску на ламель з умов зварювання зменшується приблизно в 1/n² раз, де n – кількість ламелей. При великих номінальних струмах (більше 2000А) застосовують здвоєну контактну систему. В цьому випадку апарат має основні й дугогасильні контакти. Тіло головних контактів виконують з міді, а поверхню їх торкання – із срібла, нанесеного електролітично або у вигляді припаяних срібних пластинок. Тіло дугогасильного контакту виконують з міді. Накінцевники дугогасильних контактів виконують з дугостійкого матералу – вольфраму або металокераміки. Зважаючи на те, що опір кола головних контактів значно менше, ніж дугогасильних., 75-80% тривалого струму проходить через головні контакти, які мають малий перехідний опір. При відключенні спочатку розходяться головні контакти і весь струм кола переходить на дугогасильні.

г) Герметизовані контакти (геркони)

Ці контакти мають високу надійність і велику швидкодію. Їх виконують із залізонікелевого сплаву, розміщують всередині скляного балончика, заповненого азотом з додаванням водню або гелію. При малих струмах тиск газу становить 10⁵ Па. Якщо струм відключення рівний 2-3 А, то тиск підвищується до (4-5) 10⁵ Па. У цьому випадку при проходженні струму через котушку під дією магнітного поля контакти замикаються. Після відключення котушки контакти розмикаються під дією пружніх пластинок. Керувати контактами можна і за допомогою постійного магніту. При наближенні такого магніту потік проходить через контакти, відбувається їх змикання, при віддаленні – розмикання.

Для отримання надійного контакта поверхні торкання покривають тонким шаром золота, радія або срібла. Перед установкою контакти нагрівають до високої температури, при якій вони звільняються від шкідливих окислів і забруднень.

Завдяки тому, що контакти ізольовані від оточуючого середовища і працюють в атмосфері інертного газу, надійність їх мінімум на два порядки вище, ніж у звичних контактів у повітрі, і досягає 2×10⁸ – 2×10⁹ комутацій.

Відсутність електромагнітної системи, яка властива електромагнітним реле, в три рази скорочує час спрацювання і відпускання. Ці контакти завдяки їх перевагам застосовують в апаратах високої напруги до 10кВ.

Недоліком герконів є вібрація контактів при змиканні, недостатня удароміцність. Тривалість вібрацій залежить від багатьох факторів і коливається в межах 0,3-1 мс.

Лекції 7,8,9

Електрична дуга

У комутаційних електричних апаратах, що призначені для замкнення і розімкнення кола зі струмом, при вимиканні виникає розряд в газі або у вигляді тліючого розряда, або дуги. Тліючий розряд виникає тоді, коли струм, що вимикається, нижче 0,1 А, а напруга на контактах досягає величини 250-300 В. Такий розряд зустрічається на контактах малопотужних реле або як перехідна фаза до розряду у вигляді електричної дуги. Якщо струм в колі і напруга вище мінімального значення напруги і струму, необхідних для підтримки дугового розряду, то має місце дуговий розряд. Основні властивості такі:

1) дуговий розряд має місце тільки при струмах значної величини. Мінімальний струм дуги для металів складає приблизно 0,5 А;

2) температура центральної частини дуги дуже велика і в апаратах може досягати 6000-1800 К;

3) щільність струму на катоді дуже велика і досягає 10²-10³ А/мм²;

4) падіння напруги на контактах біля катода становить 10-20 В і практично не залежить від струму.

У дуговому розряді розрізняють три характерні області: білякатодну, область дугового стовпа і біляанодну область. У кожній з цих областей процеси іонізації і деіонізації протікають по-різному залежно від умов, які там існують. Оскільки результуючий струм, що протікає через ці області, однаковий, в кожній з них відбуваються процеси, що забезпечують виникнення необхідної кількості зарядів.

а) білякатодна область

Білякатодна область займає невеликий простір. Довжина її звичайно не перевищує 10^-6 м. На протязі цієї області створюється катодне падіння напруги, що дорівнює 10-20В. Середня напруженість електричного поля біля катода досягає 10⁷ В/м. Основними носіями струму в катодній області є електрони, що отримаються з катода. Біля катода розташовується позитивний

Рис. 1 – розподіл напруги, напруженості електричного поля й об’ємного зарядів в електричній дузі.

Рис.2 – Вольт-амперні характеристики дуги.

об’ємний заряд, що створюється позитивними іонами. Між позитивним об’ємним зарядом і катодом створюється електричне поле, в якому рухаються електрони, що вийшли з катода. Сили електричного поля впливають на електрон і збільшують його швидкість. При зіткненні такого електрона з нейтральною частиною може відбутися іонізація. Для того щоб іонізувати нейтральний атом, необхідно, щоб електрон мав певну енергію. Напруга U_i (розганяюча напруга), яку повинен пройти електрон для набуття енергії, необхідної для іонізації, називається потенціалом іонізації. Для газів цей потенціал коливається від 24,58 В (гелій) до 13,3 В (водень). Пари металів мають значно менший потенціал іонізації. Так, для парів міді він становить 7,7 В. Позитивні іони, як і електрони, розганяються електричним полем, але через велику масу швидкість їх незначна. При ударі позитивного іона з нейтральною частиною менша частина енергії передається на іонізацію, так що іонізація поштовхом відбувається в основному за рахунок електронів. Внаслідок малої протяжності білякатодної області електрони не набувають швидкості, достатньої для іонізації ударом. Частіше після удара атом переходить в збуджений стан (електрон атома переходить на більш віддалену від ядра орбіту).

Для іонізації збудженого атома потрібна менша енергія. У результаті необхідний потенціал іонізації зменшується. Така іонізація називається ступеневою. При ступеневій іонізації необхідний багаторазовий удар електронів по атому: на кожний створюваний позитивний іон потрібно десятки електронів. Тому струм бідя катода, незважаючи на наявність позитивних іонів, має елекронний характер.

Виникаючі електрони не створюють біля катода негативного об’ємного розряду, бо їх швидкість значно більша швидкості важких позитивних іонів. Позитивні іони розганяються в полі катодного падіння напруги і бомбардують катод. Завдяки цьому температура катода піднімається і досягає точки випаровування матеріалу катода. При високих температурах з’являється термоіонна емісія.