Лекция 11
7.1. 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:
где dпл — толщина однородной пленки.
Например, при толщине пленки (5-15)·10 -10 м и напряжении 1 В напряженность поля составляет 10 7 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 Iд и напряжения Uд для некоторых металлов, выше которых возникает явление дуговой эрозии, следующие:
— для серебра Uд = 8 В, Iд = 0,9 А;
— для золота Uд = 25 В, Iд = 0,5 А;
— для меди Uд = 25 В, Iд = 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 RП 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.
9. Режимы работы контактов. Работа при замыкании цепи и в замкнутом состоянии
Контакты реле работают в 2 режимах: замкнутом и разомкнутом. и нагревания.Если через контакт длительное время протекает большой ток (например, ток короткого замыкания), то температура контактных площадок (плотность тока на которых достигает значений 10 7 А/см 2 ) может превысить температуру плавления материала, что приведет к свариванию контактов. Поэтому для данного типа контактов технические требования устанавливают максимальный ток, при котором этого не происходит. Для контакта графит—серебро у реле I класса надежности такой ток б А .
В момент замыкания контактов при малых расстояниях (примерно 10 -5 см) из-за большого градиента напряжения возникает эмиссия электронов, и между контактами загорается дуга замыкания. Это разрушает контакты. Однако в следующий момент дуга гаснет, так как контактные поверхности соприкасаются. После первого соприкосновения (удара) контакты могут разойтись и дуга или искра возникает снова, что вызывает дребезг, который ведет к износу контактов.
10. Размыкание контактов. Условия возникновения дуги.
При размыкании контактов уменьшается площадь соприкосновения от S0 до нуля и увеличивается переходное сопротивление от R0 до бесконечности. В момент полного размыкания контакта t = Т скорость убывания тока до нуля максимальна. Условия возникновения поддержания устойчивой дуги задаются вольт-амперной характеристикой uа(iд) , которую для данного контакта строят экспериментально или рассчитывают.
11. Вольтамперная характеристика контактов.
К кривой проводят касательные в нескольких точках. Каждая касательная определяет предельный случай, когда дуга еще не загорается (прямая и кривая не пересекаются). Пересечение касательной с осями задают координаты точки на предельной вольт-амперной характеристике 1, те задают напряжение и ток в цепи, размыкаемой контактом, при которых еще происходит самогашение дуги. Рабочую характеристику 2 выбирают с уменьшением этих предельных значений.
12. Методы гашения дуги искры. Герметизированные контакты.
Несмотря на то, что размыкаемая мощность для данного контакта определяется по вольт-амперной характеристике, при размыкании в результате пробоя межконтактного промежутка возникает искровой разряд. Он характеризуется очень малой длительностью (1(Н— I (И с), высокой плотностью тока и высокой температурой в канале разряда 10 4 — 10 5 С. Локальный перегрев поверхности у концов разрядного канала приводит к эрозии контакта. Для увеличения срока службы контактов применяют искрогасящие схемы, магнитное дутье и специальные конструкции контактов.
Схемы искрогашения снижают перенапряжение, возникающее на контакте в момент размыкания цепи реле. Искровой разряд возникает при напряжении 270—300 В, поэтому обычно достаточно снизить напряжение до 200 В. Так же есть схемы искрогашения в которых контуры включены параллельно контакту. Эффект искрогашения объясняется тем, что в момент размыкания контакта благодаря ЭДС самоиндукции в обмотке реле возникает экстраток размыкания который протекает по искрогасящему контуру. Так же есть схемы где искрогасящие контуры включены параллельно обмотке реле. Эффект искрогашения аналогичен, но изменяется путь для экстратока размыкания.
Для коммутации мощных рабочих цепей электродвигателей используют герметизированные силовые контакты (герсиконы). Контакты размещены в герметичном керамическом корпусе , заполненном инертным газом. Магнитная система содержит обмотку , сердечник , полюсы и якорь из контактной и ферромагнитных пластин. Упругая деформация контактной пластины обеспечивает возврат якоря в исходное положение после отключения электромагнита. Срок службы герметизированных контактов (герконов) может достигать 10 8 —10 9 замыканий, т.е. на два-три порядка больше, чем у обычных контактов. Специальные конструкции герконов обеспечивают коммутацию цепей с токами в сотни ампер и мощностью десятки киловатт.
Лекция 11
7.1. 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:
где dпл — толщина однородной пленки.
Например, при толщине пленки (5-15)·10 -10 м и напряжении 1 В напряженность поля составляет 10 7 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 Iд и напряжения Uд для некоторых металлов, выше которых возникает явление дуговой эрозии, следующие:
— для серебра Uд = 8 В, Iд = 0,9 А;
— для золота Uд = 25 В, Iд = 0,5 А;
— для меди Uд = 25 В, Iд = 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 RП 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.
Процессы при размыкании и замыкании при наличии напряжений (токов)
Наиболее сложные электрические и механические процессы в контактных устройствах возникают в динамическом режиме, когда соединение происходит при наличии токов и напряжений. При малых токах и напряжениях (порядка микровольт и микроампер) влиянием электрических процессов на работу контактного устройства можно пренебречь. Однако, когда коммутируемые токи и напряжения достаточно велики, они оказывают существенное влияние на работу контактных устройств.
Процесс замыкания происходит сравнительно просто. По мере сближения контакт-деталей воздушные промежутки пробиваются напряжением, действующим в цепи. Этот пробой существенно не влияет на работу контактного устройства, кроме случаев коммутации высоких напряжений, так как контакты продолжают сближаться до соприкосновения.
Более сложные процессы происходят при размыкании контакт-деталей, и надежность контактов при частом размыкании ухудшается. При определенном соотношении между током и напряжением при размыкании возникает дуга, сопровождающаяся переносом металла с одной поверхности контакт-детали на другую и его потерей, появлением неровностей на поверхностях контактов и образованием пленок из-за высокой температуры. Это так называемая дуговая эрозия контактов.
Возникновение дуги определяется 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 контактного устройства.
Характеристики дугообразования для незагрязненной окружающей среды, чистых поверхностей и при отсутствии индуктивностей и емкостей в цепи известны. В первом приближении справедливо выражение для условия дугообразования:
где UД и IД — минимальные значения напряжения и тока дуги;
U и I — напряжение и ток в цепи;
— коэффициент, зависящий от скрытой теплоты испарения контактов.
На рис. 6.10 показаны области образования дуги для некоторых металлов. Обычно UД =8. 25 В, IД =0,5. 1,3 А. Так, например, для серебра UД =8 В, IД =0,9 А; для золота UД =25 В, IД =0,5 А; для меди UД =25 В, IД =1,3 А. Эти значения указывают границы, в пределах которых следует учитывать явление дуговой эрозии.
Если ток и напряжение в цепи меньше UД и IД, то дуга не образуется, когда в цепи нет индуктивности. Если в цепи есть индуктивность, то после резкого изменения тока, связанного с размыканием, на ней создается большое напряжение UК.РАЗМ, которое практически оказывается приложенным к размыкаемому промежутку. Поскольку UК.РАЗМ > UP, то происходит пробой воздушного промежутка между контакт-деталями. Чем больше коммутируемый ток и индуктивность, тем легче возникает дуга. Очевидно, что этот эффект не наблюдается в соединителях, которые сочленяются и расчленяются в нерабочем состоянии аппаратуры.
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 перестает контактировать. При этом возрастает переходное сопротивление и падение напряжения на нем, а плотность тока в точках контактирования достигает 1000 А/см 2 . Мощность, выделяемая в контакте, резко увеличивается и рассеивается в нескольких точках, где металл начинает плавиться. Контактирующие поверхности продолжают расходиться, металл «тянется» до тех пор, пока механически не разрушается. На поверхности остаются «столбики», которые из-за повышенной температуры окисляются. Постепенно поверхность разрушается. Для каждого металла характерно определенное напряжение, при котором наблюдается плавление при размыкании. Значения напряжений и температур плавления для некоторых металлов приведены в табл. 6.1.
| Металл | UПЛ, В | ТПЛ, 0 С |
| Платина | 0,65 | |
| Серебро | 0,35 | |
| Золото | 0,45 |
Напряжение, меньшее 0,3 В, практически не создает условий для мостиковой эрозии.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: