книги / Электрические аппараты автоматического управления

защита отключает линию или другой объект, и дуга гаснет, а за­ тем через 0,8—1 сек срабатывает АПВ (автомат повторного включения) и подается напряжение на объект, на котором была дуга, и он удерживается в работе.

Короткая дуга переменного тока имеет длину 1,5—2 мм. В электрических аппаратах, как правило, имеют место длинные дуги, т. е. дуги длиной больше, чем 2 мм. Поэтому на практике короткие дуги получают искусственно. Для этого длинную дугу разбивают на короткие дуги с помощью металлических пластин.

Если взять несколько пластин и расположить их на расстоя­ нии 1,5—2 мм друг от друга, то дуга, будучи затянута между этими пластинами, разобьется на ряд коротких дуг (см. рис. 4.9, а). Известно, что всякий дуговой промежуток после прохож­ дения тока дуги через 0 обладает начальной электрической проч­ ностью. Поэтому дуга может загореться вновь после прохожде­ ния тока дуги через нуль только в том случае, если восстанавли­ вающееся напряжение на дуговом промежутке станет равным или больше начальной электрической прочности дугового промежутка. Этим свойством обладает также и дуговой промежуток короткой дуги. Поэтому если обозначить начальную электрическую проч­ ность одного дугового промежутка через Uнач» ТО При НаЛИЧИИ АТ таких промежутков начальная электрическая прочность составит

Это свойство и положено в основу гашения дуг переменного тока путем разделения их на короткие дуги. Когда дуга разбита на короткие дуги, то восстанавливающееся напряжение на дуговом промежутке после прохождения тока дуги через 0 должно достиг­ нуть значения не UHA4l a nUUA4t чтобы дуга загорелась вновь, а так как п находится в распоряжении конструктора, то, прини­ мая соответствующие п, можно добиться того, что дуга после прохождения тока через 0 вновь загораться не будет, т. е. погас­ нет, и таким образом цель будет достигнута.

Возникновение начальной электрической прочности Uилч дуго­ вого промежутка связано с тем, что после прохождения тока дуги через 0 у катода появляется положительный объемный заряд. Чтобы дуговой промежуток стал проводить ток вновь, необхо­ димо разрушить этот объемный положительный заряд, т. е. при­ ложить напряжение, которое бы его разрушило.

Начальная электрическая прочность дугового промежутка t/„aMможет достигать 300 в, однако для определения числа п про­ межутков берут самый неблагоприятный случай и принимают (У„ач=100 в. Гашение дуг в аппаратах низкого напряжения пере­ менного тока (контакторы, пускатели и т. д.) основано на исполь­ зовании начальной электрической прочности дугового промежут­

ка коротких дуг после прохождения тока дуги через 0. Для этого аппараты снабжаются дугогасительными решетками, состоящими из нескольких стальных омедненных пластин (рис. 4.9, а). Сталь­ ная омедненная пластина представлена на рис. 4.9,6. Число ко­ ротких дуг — дуговых промежутков можно определять по выра­ жению

Короткая дуга в смысле гашения отличается от открытой дуги тем, что она гасится в условиях интенсивной деионизации дуго­ вого промежутка, поэтому ее вольт-амперная характеристика (рис. 4.12) будет отличаться от подобной характеристики откры­ той дуги.

Как следует из рис. 4.12, короткая дуга характеризуется тем, что после прохождения тока дуги через 0 дуга не загорается, пока восстанавливающееся напряжение на дуговом промежутке не достигнет величины U3, равного величине начальной электри­ ческой прочности nUuач дугового промежутка. Как говорят, ко­ роткая дуга гасится в условиях интенсивной деионизации дуго­ вого промежутка в отличие от открытой дуги, в дуговом проме­ жутке которой нет интенсивной деионизации после прохождения тока дуги через 0. В этом отличие гашения короткой дуги от га­ шения открытой.

Длинная дуга переменного тока может достигать нескольких сот мм и имеет место в электрических аппаратах высокого напря­ жения. Так как длинная дуга горит в цепях высокого напряжения, то напряжение на ней может достигать тысяч и десятков тысяч вольт на один промежуток. Понятно, что в этих условиях началь­ ная электрическая прочность промежутка, достигающая 300 в, не может иметь существенного значения. Поэтому процесс де­ ионизации дугового промежутка длинной дуги сводится к охлаж­ дению газов, образующих дуговой столб, и распаду дугового столба. Этот процесс осуществляется с помощью дугогасительных устройств, которыми снабжаются выключатели. Распад дугового столба протекает особенно интенсивно в момент прохождения тока дуги через 0. Если же в это время будет действовать дуго­ гасительное устройство, то может произойти настолько глубокая

деионизация (охлаждение до 4000° К) дугового промежутка, что дуга после прохождения тока через 0 не загорится вновь,— по­ гаснет. Так как гашение длинной дуги происходит в условиях ин­ тенсивной деионизации дугового промежутка, то вольт-амперная характеристика ее будет такой же, как и для короткой дуги, т. е.

Рис. 4.12 Рис. 4.13

такой, как это представлено на рис. 4.12. Охлаждение длинной дуги осуществляется с помощью либо продольного, либо попереч­ ного дутья (рис. 4.13).

На рис. 4.13 а продольное дутье, Ь — поперечное. Газы, кото­ рыми обдувается дуга, должны содержать значительный процент (до 60%) водорода, так как он обладает высокой теплопровод­ ностью и низкой температурой диссоциации. При гашении длин­ ных дуг используются различные тела: жидкие (трансформатор­ ное масло, вода), твердые (фибра, органическое стекло, вини­ пласт), газообразные (сжатый воздух). Однако независимо от физического состояния в исходном положении в момент гашения дуги все они становятся газообразными, гак как превращаются в газ за счет тепловой энергии дуги. В плавких предохранителях весьма широкое применение для гашения дуги получил кварце­ вый песок. Кварцевый песок должен быть сухим (абсолютная сухость до 95%), в противном случае влага, испаряясь, будет создавать давление пара, которое может разрушить предохра­ нитель.

§ 5.1. ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ

Электрическим контактом называется место перехода тока из одного токоведущего элемента в другой. Имеется большое раз­ нообразие форм и конструкций контактов, однако для всех них общим является параметр — переходное сопротивление контакта. Контакт — нежелательный элемент аппарата или установки, но без него обойтись нельзя. Чем меньше контактов в схеме, тем она лучше.

Переходное сопротивление представляет собой электрическое сопротивление, имеющее место в переходном слое между поверх­ ностями, образующими контакт. Переходный слой представляет собой сложное образование, которое возникает при смятии высту­ пов, когда сжимаются две контактные поверхности. Если посмот­ реть через микроскоп даже на хорошо обработанную поверхность, то можно видеть, что эта поверхность будет иметь выступы и впа­ дины (рис. 5.1). При наложении поверхности / и // одна на дру­

гую они соприкасаются не всей площадью, а лишь вершинами выступов. Для того чтобы контактные поверхности касались друг друга не вершинами выступов, а контактными площадками, для этого необходимо с помощью силы нажатия F смять бугорки, об­ разовав из них контактные площадки а, б, в (рис. 5.2).

Таким образом, электрический контакт есть результат смятия бугорков поверхностей, образующих контакт, и превращения этих бугорков в контактные площадки. Поэтому контактная площадь контакта и площадь контакта это не одно и то же. Контактная площадь S равна сумме площадок, полученных в результате смя­ тия бугорков. Площадь контакта S' равна площади, которой одна контактная поверхность налагается на другую. Общая контакт­ ная площадь может быть определена из выражения

(5.1)

о

где F — сила нажатия, кГ\

о — временное сопротивление смятию материала контактов,

кГ/см2;

S — контактная площадь, см2.

В основу количественного определения переходного сопротив­ ления контактов положено переходное сопротивление контактной точки. Если взять конус (рис. 5.3) и поставить его вершиной на плоскость, а затем подействовать на него силой F, то произойдет

Рис. 5.3

смятие вершины, в результате чего образуется площадка а. Эту площадку а называют контактной точкой. Переходное сопротив­ ление контактной точки считают равным

f F

где С — постоянная, зависящая от материала и конструкции кон­ такта.

Если контакт имеет п контактных точек, то сила, приходящая-

F

ся на одну точку, будет равна — , и переходное сопротивление одной контактной точки в этом случае будет

Общее переходное сопротивление такого многоточечного контакта

это изменение становится небольшим. Написанные выше соотно­ шения справедливы в том случае, когда контакты не окислены. В случае, если контакты окислены, то значение С сильно возрас­ тет, и переходное сопротивление не поддается аналитическому

Rno— переходное сопротивление при 0°С, ом;

а— температурный коэффициент сопротивления материа­ ла контакта, 1/°С;

0 — температура контакта, °С.

§5.2. РАБОТА КОНТАКТОВ В НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ И ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

Внормальном режиме контакт нагревается до установившей­ ся температуры. В этом случае имеет место тепловое равновесие. Мощность электрической энергии, превращающейся в контакте

втепло, будет равна

Выделяемая мощность Р в контактном слое в виде тепла рас­ сеивается в окружающую среду. Пути рассеивания тепла в окру­ жающую среду зависят от конструкции контакта. В общем слу­ чае установившаяся температура контакта при равных прочих условиях будет ниже у того контакта, у которого поверхность охлаждения является более развитой. При конструировании кон­ тактов это обстоятельство должно учитываться.

Режим короткого замыкания является наиболее характерным аварийным режимом. При протекании тока короткого замыкания через контакт в связи с кратковременностью этого режима все тепло, выделяемое в переходном слое, идет на повышение его температуры. Так как токи короткого замыкания могут превос­ ходить токи нормального режима в десятки и сотни раз, то за короткое время может выделиться большое количество тепла, и если контакт не рассчитан на такой режим, то он может разру­ шиться.

Наиболее тяжелым повреждением для контактов, которые должны отключать электрические цепи, является их сваривание.

Минимальный ток, при котором может иметь место сварива­ ние контакта, называется сваривающим током. Согласно опыт­ ным данным, сваривающий ток может быть определен по выра­ жению

На величину сваривающего тока оказывают влияние электро­ динамические силы, возникающие в контакте между поверхно­ стями. Природа этих сил может быть пояснена на рис. 5.5. Если взять две поверхности, образующие контактную площадку, и представить ток в виде линий, то можно наблюдать, что одни ли­ нии тока проходят нормально к контактной площадке, а другие вынуждены искривляться и стягиваться к ней. Дело в том, что на некотором удалении от контактной площадки линии тока рас­ пределены равномерно и параллельны между собой. Вблизи же контактной площадки линии тока вынуждены искривляться и стя­ гиваться к этой площадке. Как следует из рис. 5.5, направления токов на участках а и Ь и с и d противоположны друг другу. Известно, что проводники с противоположными токами отталки­ ваются, т. е. имеет место возникновение электродинамических сил F Они стремятся оттолкнуть одну контактную поверх-

ность от другой, т. е. действуют противоположно силе нажатия F, что приводит к ухудшению контакта. Поэтому при конструиро­ вании контактов необходимо учитывать это обстоятельство.

Величина электродинамической силы для точечных контактов может быть определена из зависимости

где /у — ударный тик короткого замыкания, а; FD— электродинамическая сила, кГ;

S — сечение контакта в том месте, где нет искривления ли­ ний тока, см2;

So — действительная площадь касания контактов, см2.

Электродинамические силы начинают становиться заметными с величины тока 3000 а и выше. Для малых токов они незначи­