Тема 1.4 Электрические процессы при коммутации цепей.

Коммутация электрической цепи – это процесс замыкания или размыкания электрической цепи под воздействием внешних или внутренних для данного устройства источников напряжения или тока.

Общие законы коммутации:

• при коммутации индуктивных цепей ток в цепи или магнитный поток не могут измениться мгновенно.

; ;

• при коммутации емкостных цепей напряжение и заряд не могут измениться мгновенно.

; ;

Глубина коммутации – это отношение сопротивления R_отк коммутируемого органа в отключенном состоянии к сопротивлению R_вкл во включенном состоянии.

h_к= R_отк/R_вкл ;

Для бесконтактных аппаратов h_к=10⁴…10⁷;

Для контактных аппаратов h_к=10⁶…10¹⁴.

Электрические контакты.

Электрический контакт – это соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи (называют контакты или контакт-детали).

Классификация электрических контактов:

1. По виду соединения:

1. взаимнонеподвижные:

• разъемные (болтовые);

• неразъемные (сварные, паяные);

2. взаимоподвижные неразмыкающиеся – предназначены для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижную или наоборот:

• щеточные скользящие;

• жидкометаллические;

• роликовые;

3. взаимоподвижные размыкающиеся – расходящиеся во время работы:

• мостиковые;

• розеточные;

• пальцевые или ножевые;

• с плоскими пружинами.

2. По форме контактирования:

• точечный;

• линейный;

• поверхностный (плоскостный).

Контактная поверхность и переходное сопротивление.

Д ля обеспечения надежного протекания электрического тока контакты сжимают с силой, которая называется силой контактного нажатия.

Механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках; при сжатии их силой – по отдельным площадям.

Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации – это поверхности, воспринимающие усилие.

Электрический ток проходит в точках, воспринимающих усилие. Поверхность весьма неоднородна, покрыта пленкой окислов, обладает большим электрическим сопротивлением, которая называются переходным сопротивлением.

R_пер=ε/Fⁿ,

где ε – величина, зависящая от материала и формы контакта, способа обработки, состояния поверхности;

F – сила, сжимающая контакты;

n – показатель, характеризующий число точек соприкосновения.

• для точечных n=0,5

• для поверхностного n=1.

Н а графике: 1—прижатие контактов (F↑);

2 – размыкание контактов (F↓).

Т.о. сжатие сминает поверхность. Увеличение силы нажатия выше определенного значения нецелесообразно.

Переходное сопротивление зависит от температуры (медные):

R_{пер. гор}=R_{пер.хол}(1+α).

Шлифование поверхности не уменьшает, а наоборот, увеличивает переходное сопротивление по сравнению с обработкой напильником. При шлифовке бугорки становятся пологими и смятие их затруднено.

Переходное сопротивление повышается с окислением поверхности, окислы меди плохие проводники. При повышении перегрева растут пленки окислов. При увеличении прижимной силы затрудняется окисление контактов.

Окислы серебра обладают высокой электропроводностью. При повышении перегрева они разрушаются, поэтому переходное сопротивление контактов серебра е изменяется.

Поэтому для меди применяется покрытие: олово, кадмий, никель, цинк, специальные марки.

Параметры контактных соединений.

1. Зазор контактов – кратчайшее расстояние между разомкнутыми контактными поверхностями.

2. Провал контактов – запас на износ контактов, когда при замыкании контактов подвижная система еще перемещается.

3. Контактное нажатие – сила, сжимающая контакты в месте их соприкосновения

4. Переходное сопротивление.

Износ контактов.

Износ под действием электрических факторов называется электрическим износом – эрозией.

При размыкании.

При малых токах с эрозией борются:

1. применяя специальные эрозионно-устойчивые материалы;

2. применение шунтирующей RC-цепочки, включенной параллельно контактам (при размыкании часть энергии при размыкании расходуется на заряд конденсатора).

При больших токах износ контактов зависит:

• от числа замыканий;

• от напряженности магнитного поля;

• от силы тока (I↑, σ↑);

• от ширины контакта (обратнопропорционально);

При этом от напряжения и от скорости расхождения контактов износ практически не зависит.

При замыкании.

При замыкании контактов:

1. На износ влияет дребезг – это соударение упругих элементов, которое происходит с затухающей амплитудой.

2. От соотношения механической и тяговой характеристики аппарата. Чем больше скорость замыкания контактов, тем больше удар и дребезг, поэтому тяговая характеристика должна обеспечить четкое включение и не иметь чрезмерных запасов.

3. От начального нажатия и жесткости контактной пружины. Чем больше сила, тем меньше отброс и дребезг, а значит и износ. Повышение начального нажатия ограничено тяговой характеристикой. Если начальное нажатие F_н превосходит значение, при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформирования пружины и имеет место отброс всей системы, износ возрастает.

Дребезг контактов и способы борьбы с ним.

1. т очка А (t=0) соприкосновение контактов.

Ток увеличивается, напряжение стремится к нулю. Началось смятие материала и торможение контактов.

2. Точка В (х=0). Контакт остановился, началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижного контакта.

3. Точка С – упругое восстановление материала контактов прекратилось, но подвижный контакт по инерции начинает отходить, происходит разрыв контактов. Ток стремится к нулю, напряжение растет. Контакт отходит на расстояние x_к.

4. Точка D – под действием пружины контакт замыкается. Происходит смятие материала

х_к – амплитуда колебаний контакта;

х_д – величина упругой деформации;

х₀ – остаточная деформация.

Если х_к > х_д то произойдет разрыв цепи. Такой дребезг является опасным.

Если х_к < х_д, несмотря на наличие дребезга, разрыва цепи не произойдет. Такой дребезг является неопасным.

Применяются контактные материала, обладающие достаточной упругостью, поэтому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невозможно. Необходимо конструировать ЭА так, чтобы дребезг был неопасным. Амплитуду х_к необходимо всемерно снижать. Время дребезга не должно превосходить 0,5-1 мс.

Способы снижения дребезга:

• За счет увеличения начального нажатия;

• Увеличение жесткости пружины;

• Уменьшение массы подвижных контактов;

• Уменьшение скорости замыкания контактов.

Материалы контактных соединений.

Требования:

• высокая электропроводность;

• высокая теплопроводность;

• устойчивость против коррозии;

• наличие токопроводящих оксидных пленок;

• дугостойкость;

• высокая температура плавления и испарения;

• высокая механическая прочность;

• должны хорошо механически обрабатываться;

• невысокая стоимость.

Медь удовлетворяет всем требования, кроме коррозионной стойкости. Окислы меди обладают низкой электропроводностью. Применяют в сочетании с антикоррозийным покрытием.

Серебро удовлетворяет всем требованиям, кроме дугостойкости при больших токах и требованию невысокой стоимости. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Окислы серебра – проводники. Серебро применяют в виде накладок или покрытия.

Аллюминий – по сравнению с медью обладает меньшей проводимостью и электрической прочностью. Пленка окиси плохо проводит ток, что ограничивает его применение. Применяется в разборных контактных соединениях. Армируют медью и серебром. Низкая механическая прочность.

Платина, золото, молибден – применяют для коммутирующих контактов на малые токи при малых нажатиях. Малое переходное сопротивление, не образуют оксидных пленок, низкая износостойкость. Применяют сплавы платина-иридий.

Вольфрам и его сплавы – обладают большой твердостью, износостойкостью. Применяется для контактов с большой частотой замыкания.

Металлокерамика сочетает высокую дугостойкость с хорошей проводимостью. Например: серебро-вольфрам, серебро-молибден, серебро-никель, серебро-окись кадмия, серебро-графит.

Процессы в дуговом промежутке.

Размыкание электрической цепи при значительных токах сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток ионизируется и становится проводником, в нем возникают дуга. Дуга гасится различными способами, и ток в цепи падает от номинального значения I_ном до нуля.

Дуговые процессы в ЭА:

1. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов с накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка разогревается и происходит испарение металла контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контактов. Термоэлектронная эмиссия невелика и может быть достаточна для возникновения дуги, но недостаточна для ее горения.

2. Автоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля. На контактах подобно конденсатору происходит увеличение напряженности электрического поля, под действием которого происходит вырывание электронов из катода. Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом дугового разряда.

Процессы 1 и 2 происходят у электродов и способствуют только возникновению дуги.

Ионизация – процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов и образование свободных электронов и положительно заряженных ионов

3. Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атомом или молекулой) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется ионизацией толчком. Для приобретения скорости необходима разность потенциалов (потенциальное ионизирование), которое составляет для газов 13-16 В (азот, кислород, водород).

4. Термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высоких температур. Термическая ионизация – основной источник поддержания дуги. Температура ствола дуги достигает 4000 ºС.

Процессы 3 и 4 происходят в дуговом промежутке, являются основными процессами для подержания дуги.

5. Рекомбинация – процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение образуют нейтральные частицы.

6. Диффузия – процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

За счет рекомбинации и диффузии происходит деионизация промежутка. Различные газы обладают разными дугогасящими свойствами.

Вольт-амперная характеристика дуги.

В АХ дуги – это зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока.

U_з – напряжение зажигания дуги (начало дугового разряда);

U_г – напряжение гашения дуги;

U_з, U_г – характеризуют изоляционные свойства промежутка, это напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить дугу.

U_з соответствует началу дугового разряда. С ростом тока напряжение падает. Это означает, что сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в какой-то момент времени устанавливается равновесное состояние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Режим называется статическим, а кривая 1 – статическая характеристика дуги.

Если уменьшить ток в дуге от I₀ до 0 и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получится ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. Чем быстрее изменение тока, тем ниже характеристика.

В пределе при мгновенном изменении тока до 0, получим прямую 3.

Только при медленном изменении тока до 0 процесс будет проходить по прямой 1. Это объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние промежутка не успевает за изменением тока. Для деионизации требуется некоторое время.

ВАХ, полученные при быстром изменении тока до 0 называют динамическими (2).

Условия гашения дуги постоянного тока.

Ч тобы погасить дугу постоянного тока необходимо создать такие условия, чтобы процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации.

По второму закону Кирхгофа:

U=U_д+i·R+L·(di/dt)

При устойчиво горящей дуге: (di/dt)=0

U= U_д+i·R

Для погасания дуги необходимо, чтобы ток уменьшался (di/dt)<0

З начит необходимо, чтобы: U_д > U-i·R.

1 – внешнее напряжение U;

2 – падение напряжения iR (U-iR);

3 – ВАХ U_д;

В точках а и б: U=U_д+iR; L(di/dt)=0; Равновесное состояние.

т. а – равновесие неустойчивое, т.к. ток маленький. Дуга горит на пределе.

т. а – равновесие устойчивое.

При i<I_а; U_д >U-iR; L(di/dt)<0; Дуга гаснет.

При i>I_а; U_д <U-iR; L(di/dt)<0; ток растет до I_б

I_а<i< I_б L(di/dt)>0; Рост электромагнитной энергии.

П ри i>I_б; U_д >U-iR; L(di/dt)<0; ток уменьшается, дуга гаснет.

Для погасания дуги необходимо, чтобы di/dt)<0, это значит ВАХ дуги должна быть выше U-iR< U_д и не должны пересекаться.

Особенности горения и гашения дуги переменного тока.

При переменном токе, ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через 0 каждый полупериод. Задача гашения дуги облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через 0.

При переходе тока через 0 происходит интенсивная деионизация дугового промежутка, которая приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежуток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги.

У словие гашения дуги при переменном токе – при преходе через 0 наростание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением (U_пр), должено опрережать нарастание напряжения дуги U_д.

U_пр> U_д.

1,3 – кривая пробивного напряжения;

2 – напряжение дуги;

4 – падение напряжения при зажигании дуги (переход тока через 0).

При погасании дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от напряжения U_г до напряжения сети или ЭДС U_{в мах} источника тока.

Процесс носит название процесса восстановления напряжения на дуговом промежутке или восстановлении прочности промежутка.

Отключение активной цепи происходит легче, чем индуктивной, т.к. ток и ЭДС совпадают по фазе. U_в=0

Способы гашения дуги.

Для гашения дуги необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети.

Таким образом, дугу можно гасить:

• Увеличивая ее длину (растягивая).

• Воздействуя на ее ствол и добиваясь повышения продольного градиента напряжения.

• Используя околоэлектродные падения напряжения.

• Увеличивая скорость и давление внутри дуги.

1. Г ашение дуги в магнитном поле.

В магнитном поле сила, действующая на единицу длинны дуги:

F₁=I·H, где I – ток в дуге;

H – напряжение магнитного поля.

Сила сопротивления движению при равномерном перемещении дуги:

F₂=k·v²

F₁=F₂; I·H=k₂v²;

Поле гашения создается самим током.

H=k₁·I, тогда =k·I

k – коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально.

l_д – расстояние между контактами (длина дуги).

I – 0<l_д<l₁=0,5…1 мм. Скорость движения мала, существует перешеек из расплавленного металла.

II – l₁<l_д<l₂ – резкое возрастание скорости с увеличением дуги. Разрыв расплавленного металла.

III – l_д>l₂ – снижение скорости.

2. Гашение дуги в продольных щелях.

При конструировании дугогасящих устройств ставится следующая задача:

• Гасить дугу в малом объеме;

• При малом звуковом и световом эффекте;

• За малое время;

• При малом износе контактов;

• При заданных перенапряжениях.

П родольной называется щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги.

Широкой называется щель, ширина которой значительно больше диаметра ствола дуги. Узкой называется щель, ширина которой меньше диаметра дуги.

δ – ширина дуги.

H₁>H₂>H₃

I = const

I. В широких щелях скорость почти не зависит от ширины щели. По мере сужения ширины щели скорость возрастает.

II. В узких щелях скорость растет

III. При δ>δ_кр. Скорость дуги падает вплоть до ее остановки. В узкой щели дуга деформирована и плотно прижата к стенкам. Причиной остановки дуги являются тепловые явления у стенок камеры: стенки разогреваются, на них появляется контактные перешейки.

Зависимость продольного градиента Е_д=f (δ)

I₁>I₂>I₃

H = const

Т.о для получения интенсивного гашения дуги в малом объеме ширину зазора надо уменьшать. Ограничение связано с движением дуги в узких щелях.

Градиент напряжения не зависит от скорости. Наличие ребер, прорезей повышает напряжение на дуге, охлаждает дугу.

3. Гашение дуги высоким давлением.

Проводимость дугового промежутка зависит от степени ионизации газа. При постоянной температуре степень ионизации:

, т.е. падает с ростом давления.

Это означает, что для проведения того же тока при более высоком давлении необходимо приложить более высокое напряжение. Продольный градиент напряжения в дуге возрастает с ростом давления.

С ростом давления возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги и к увеличению градиента напряжения в ней.

В устойчиво горящей дуге: k=1/3.

E_p=E₀·p^k·10^-k

E₀ – градиент напряжения при нормальном напряжении.

При дуге отключения k=0,5…1.

Применяется способ в плавких предохранителях – давление создается самой дугой в замкнутом объеме.

4. Гашение дуги в масле.

Применяется в выключателях переменного тока высокого напряжения. Контакты погружаются в масло, при разрыве контактов возникает дуга, которая приводит к интенсивному испарению масла. Вокруг дуги образуется газовая оболочка, газы перемещаются с огромной скоростью, вызывая перемешивание холодного и горячего воздуха в пузыре, дуга охлаждается, происходит деионизация дугового промежутка.

Быстрое разложение масла приводит к повышению давления внутри пузыря, что способствует гашению дуги.

Различают масляные выключатели по следующим признакам:

1. Дуговые устройства с автодутьем за счет энергии самой дуги;

2. С принудительным импульсным масляным дутьем;

3. С магнитным гашением дуги в масле. Под влиянием магнитного поля дуга перемещается в узкие, наполненные маслом, щели.

5. Гашение дуги в дугогасящих решетках.

Над контактами ЭА устанавливаются неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины, образующие дугогасящую решетку. Возникающая при отключении дуга загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд коротких дуг.

У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения.

а) Гашение дуги постоянного тока.

Напряжение на дуге в решетке U_д.р.:

U_д.р.=U_д.о.+U_э·m

U_д.о – напряжение открытой дуги;

U_э – электродное падение напряжения;

m – число пластин.

Статические ВАХ.

1 – ВАХ открытой дуги;

2 – ВАХ дуги в решетке.

б) Гашение дуги переменного тока.

При переменном токе можно использовать меньшее чисто пластин, чем при постоянном, так как ток проходит через 0. В это времяокотокатодное пространство приобретает электрическую прочность 150-250 В. Решетка действует эффективнее.

Для вхождения дуги в решетку она должна быть из магнитного материала (сталь), что удешевляет конструкцию. При переменном токе вихревые токи отталкивают дугу от решетки (при 50 Гц пренебрегают), при частоте f > 50 Гц – силы взаимодействия отталкивают дугу от решетки.

Выводы:

1. Для гашения дуги необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети. Для этого применяют:

• Увеличивают длину дуги;

• Повышают продольный градиент напряжения, воздействуя на ствол дуги;

• Используют околоэлектродное падение напряжения;

• Увеличивают скорость и давление дуги.

2. Чаще всего применяют комплексные методы гашения дуги.