Жидкометаллические контакты

Наиболее характерные недостатки твердометаллических контактов следующие:

1. С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше резко увели­чиваются габариты и масса аппарата в целом.

2. Эрозия контактов ограничивает износостойкость ап­парата.

3. Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ контактные нажатия достигают больших значе­ний, что увеличивает необходимую мощность привода, габариты и массу аппарата.

Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (ЖМК) (рис.7.12). Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2. Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса запол­нены жидким металлом 4 и соединяются между собой от­верстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды 1 и 2, контактор включается.

По сравнению с твердометаллическими ЖМК облада­ют следующими преимуществами:

1. Малое переходное сопротивление и высокие допустимые плотности тока на поверхности раздела жидкий ме­ электроизоляционного материала. Полости корпуса запол­нены жидким металлом 4 и соединяются между собой от­верстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды / и 2, контактор включается.

По сравнению с твердометаллическими ЖМК облада­ют следующими преимуществами:

1. Малое переходное сопротивление и высокие допусти­мые плотности тока на поверхности раздела жидкий ме­талл—электрод (до 120 А/мм²), что позволяет резко сократить габаритные размеры контактного узла и контактное нажатие, особенно при больших токах.

2. Отсутствие вибрации, приваривания, залипания и окисления контактов при их коммутации.

3. Высокая механическая и электрическая износостойкость ЖМК, что позволяет создавать аппараты с большим сроком службы.-

4. Возможность разработки коммутационных ап­паратов на новом принципе [автоматический восстанавли­вающийся предохранитель и др.] благодаря свойст­вам текучести жидкого металла.

5. Возможность работы ЖМК при высоких внешних давлениях, высоких температурах, в глубоком вакууме.

К электрическим аппаратам обычно предъявляется тре­бование сохранять работоспособность в интервале темпе­ратур ±40^СС. Очевидно, что жидкий металл должен со­хранять свое состояние в указанном интервале. Из извест­ных материалов только ртуть находится в жидком виде при температуре ниже 0°С и может быть в чистом виде при­годна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути суще­ственно осложняет технологию ее применения.

В ЖМК перспективно применение диэлектрического или металлокерамического твердого каркаса, пропитанного жидким металлом.

Рис. 7.12. Контактор с жидкометаллическим контактом

ГЕРМЕТИЧНЫЕ КОНТАКТЫ (ГЕРКОНЫ)

Наименее надежным узлом электромагнитных реле яв­ляется контактная система. Электрическая дуга или искра, образующиеся при размыкании и замыкании контактов, приводят к их быстрому разрушению. Этому также способ­ствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным не­достатком электромагнитных реле является и наличие трущихся механических деталей, износ которых также сказывается на их работоспособности. Попытки разместить контакты и электромагнитный механизм в герметизирован­ном объеме с инертным газом не приводят к положительным результатам из-за больших технологических и кон­структивных трудностей, а также из-за того, что контак­ты при этом не защищаются от воздействия продуктов износа и старения изоляционных материалов. Другим не­достатком электромагнитных реле является их инерцион­ность, обусловленная значительной массой подвижных де­талей. Для получения необходимого быстродействия при­ходится применять специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.

Перечисленные недостатки электромагнитных реле при­вели к созданию реле с герметичными магнитоуправляемыми контактами (герконами).

Простейшее герконовое реле с замыкающим контактом изображено на рис. 7.13, а. Контактные сердечники (КС) 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (пермаллоя) и вварива­ются в стеклянный герметичный баллон 3. Баллон запол­нен инертным газом — чистым азотом или азотом с не­большой (около 3 %) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (0,4—0,6) • 10⁵ Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавлива­ется в обмотке управления 4. При подаче тока в обмотку возникает магнитный поток Ф, который проходит по КС1 и 2 через рабочий зазор б между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4. Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Р_э, которая, преодолевая упругость КС, соединяет их между собой. Для улучшения контактирования поверхно­сти касания покрываются тонким слоем (2—50 мкм) золота, родия, палладия, рения, серебра и др.

При отключении обмотки магнитный поток и электро­магнитная сила спадают и под действием сил упругости КС размыкаются. Таким образом, в герконовых реле отсутствуют детали, подверженные трению (места крепления якоря в электромагнитных реле), а КС одновременно вы­полняют функции магнитопровода, токопровода и пружины.

В связи с тем что контакты в герконе управляются маг­нитным полем, герконы называют магнитоуправляемыми контактами.

На основе герконов могут быть созданы также реле с размыкающими и переключающими контактами. В гер­коне с переключающим контактом (рис. 7.14, а) неподвиж­ные КС 1, 3 и подвижный 2 размещены в баллоне 4. При появлении сильного магнитного поля КС 2 притягивается к КС 1 и размыкается с КС 3. Один из КС переключаю­щего геркона (например, 2) может быть выполнен из не­магнитного материала (рис. 7.14,б). Герконовое реле (рис 7.14, в) имеет два подвижных КС 1, 2, два неподвижных КС 5, 6 и две обмотки управления 7, 8. При согласном включении обмоток замыкаются КС 1 и 2. При встречном включении обмоток КС 1 замыкается с КС 5, а КС 2 с КС 6. При отсутствии тока в обмотках все КС разомкнуты. Гер­коновое реле (рис. 7.14, г) имеет переключающий контакт 3 сферической формы. При согласном включении обмоток 7 и 8 контакт 3 притягивается к КС и КС 2 и замыкает их. После отключения обмоток 7 и 8 и при согласном вклю­чении обмоток 9 и 10 контакт 3 замыкает КС 5 и КС 6. Так как КС герконов выполняют функции возвратной пружины, им придаются определенные упругие свойства. Упругость КС обусловливает возможность их вибрации («дребезга») после удара, который сопутствует срабаты­ванию. Длительность такой вибрации достигает 0,25 мс при общем времени срабатывания 0,5—1 мс.

Рис. 7.13. Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом

Рис. 7.14. Переключающие герконы

Одним из способов устранения влияния вибраций является исполь­зование жидкометаллических контактов. В переключаю­щем герконе (рис. 7.15, а) внутри подвижного КС 1 име­ется капиллярный канал, по которому из нижней части баллона 4 поднимается ртуть 5. Ртуть смачивает поверх­ности касания КС 1 с КС 2 или КС 3. В момент удара контактов при срабатывании возникает их вибрация. Из-за ртутной пленки на контактной поверхности КС 1 вибрация не приводит к разрыву цепи. В кон­струкции на рис. 7.15,б между КС 2, КС 3 и ртутью 5 находится ферромагнитная изоляционная жидкость 6. При возникновении магнитного поля ферромагнит­ная жидкость 6 перемещается вниз, в положение, при котором поток будет наибольшим. Ртуть вытесняется вверх и замыкает КС 2 и КС 3. Следует отметить, что жидкометаллический контакт позволяет уменьшить переходное сопротивление и значительно увеличить коммутируемый ток. На­личие ртути удлиняет процесс разрыва контактов, что уве­личивает время отключения реле.

Управление герконом можно осуществлять и с помощью постоянного магнита. Если постоянный магнит установлен вблизи геркона, его магнитный поток замыкается через КС, которые в результате этого находятся в замкнутом состоянии. Использование постоянного магнита совместно с управляющей катушкой позволяет создать герконовое реле с размыкающим контактом.

Рис.7.15. Ртутные герконы

Лекция №8.

Тема лекции:

8. Электрическая дуга, физические явления, основы горения и гашения дуги постоянного тока.

ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. (ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Большая группа электрических аппаратов представле­на коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электриче­ский разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окру­жающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контак­тах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше определенных значений, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями;

1. Дуговой разряд имеет место только при относитель­но больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов для металлов составляет примерно 0,5 А.

2. Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25 000 К.

3. При дуговом разряде плотность тока на катоде чрез­вычайно велика и достигает 10²—10³ А/мм².

4. Падение напряжение у катода составляет всего 10— 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги, околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-раз­ному.

а) Околокатодная область.

Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10^-6 м. Около катода возникает положительный объ­емный заряд, создаваемый положительными ионами. Меж­ду этим положительным объемным зарядом и катодом со­здается электрическое поле с напряженностью до 10⁷ В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и со­здающие электрический ток. Электрическое поле воздейст­вует на электроны, увеличивая их скорость. При соударе­нии такого электрона с нейтральной частицей может прои­зойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией.

Напряжение (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необ­ходимой для ионизации, называется потенциалом иониза­ции. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (ге­лий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значи­тельно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В.

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоня­ются электрическим полем, но из-за большой массы ско­рость их много меньше. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов.

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для иониза­ции ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбуж­денного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой иони­зации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный ха­рактер.

Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость зна­чительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испа­рения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, со­здаваемой у катода электрическим полем.

б) Область дугового столба. Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в об­ласти дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса части­цы, тем больше ее скорость движения.

Таким образом, с ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих уст­ройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повы­шенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает темпера­тура. Для большого числа двухатомных газов из-за сту­пенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6-10³ К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов.

в) Энергетический баланс дуги. Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определя­ются температурой дугового промежутка. Последняя за­висит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводи­мого от дуги.

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, тепло­проводности и конвекции.

Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением от­дается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, го­рящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспу­сканием, меньше.

Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значи­тельной степени зависит от его температуры. Так, при тем­пературе 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое уве­личение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том же давлении.

При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эф­фективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее ох­лаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наря­ду с теплопроводностью является определяющим для про­цесса гашения.

г) Околоанодная область. Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду — аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. По­этому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от темпе­ратуры анода, его материала и значения тока.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрица­тельным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобре­тенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры ка­тода. Мощный поток электронов выбивает из анода элект­роны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.

Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и ус­ловия существования дугового разряда. Роль анода сво­дится к приему электронного потока из дугового столба.

Для дуги большого тока околоанодное падение напря­жения столь мало, что им можно пренебречь.

Распределение напряжения, напряженности электриче­ского поля (градиента) и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.8.1.

Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и за­висит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации значительно ниже.

Околоанодное падение напряжения составляет 5—10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшает­ся, в то время как околокатодное напряжение остается по­стоянным.

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и ано­да. Такие дуги называются короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряже­ния на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются про­цессами в столбе дуги.

Рис. 8.1. Распределение напряжения, напряженности электрического

поля и объемных зарядов в электрической дуге