2.6. Износ контактов

Под износом контактов понимают разрушение рабочей поверхности коммутирующих контактов, приводящее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала.

Износ, происходящий под действием электрических факторов, будем называть электрическим износом ‑ электрической эрозией. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического.

При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда. При больших токе и напряжении (например, для меди при А и В) возникнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.

Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факторов часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой.

Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот.

Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги).

Износ контактов при малых токах. Эрозия контактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие распыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается только анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.

Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогасительными (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившихся, но еще не замкнутых контактах и как следствие этого ‑ сваривание контактов.

Износ контактов при больших токах.

Износ происходит как при размыкании контактов, так и при их замыкании и зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, полученные опытным путем.

Износ контактов при размыкании:

- Зависимость износа от числа размыканий.

Износ контактов при данной напряженности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий. Если износ при одном размыкании равен , то за размыканий он будет

- Зависимость износа от напряженности магнитного поля.

Эта зависимость характеризуется кривой на рисунке 20. При малых напряженностях дуга длительное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит к увеличенному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опорных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается.

Рис. 20. Зависимость износа контактов от напряженности

Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса.

Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует перешеек из расплавленного металла. С ростом напряженности возрастают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.

- Зависимость износа от напряжения.

При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разойтись на 1 ‑ 2 мм; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.

- Зависимость износа от тока.

Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппаратах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательной дугогасительной катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока.

- Зависимость износа от ширины контакта.

При каждом отключении расплавляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет изменения ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, измеряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.

- Зависимость износа от скорости расхождения контактов.

В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье (Магнитное дутье - это воздействие на электрическую дугу магнитным полем, такое взаимодействие приводит к отклонению дуги от оси), скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьшением скорости их расхождения.

Износ контактов при замыкании:

При замыкании имеет место также электрический износ, который в ряде случаев превосходит износ при размыкании. Он вызван дребезгом контактов, возникающим при замыкании. Подвижный контакт подходит к неподвижному с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов: Упругая деформация приводит к отбросу подвижного контакта — он отскакивает от неподвижного на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой. При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их износ.

На рисунке 21 приведены зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов.

Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между механической (кривая 1) и тяговой (кривые 2, 3 и 4) характеристиками. Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следовательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

Рис. 21. Тяговые и механическая характеристики

Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения ‑ это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг, а следовательно, и износ.

Виды износов, нарушающие работу контактов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Виды износа и факторы, влияющие на износ

Вид износа	Внешние факторы, вызывающие износ	Характерные признаки повреждения	Свойства материала контактов, влияющих на износ
1	2	3	4
Механичес-кий	Контактное нажатие, кинетическая энергия удара контактов при замыкании.	Расплющивание, растрескивание, истирание контактов	Твёрдость. Прочность на удар и сжатие. При скольжении ‑ прочность на сдвиг. Модуль упругости. Коэффициент трения. Постоянное свойство до З00°С
Коррозия: - атмосферная;	Температура и влажность среды. Наличие химически активных примесей. Наличие пыли.	Образование непроводящих плёнок	Сродство к кислороду и сере. Микроструктура.
Вид износа	Внешние факторы, вызывающие износ	Характерные признаки повреждения	Свойства материала контактов, влияющих на износ
1	2	3	4
- дуговая.	Подвижность дуги	Образование непроводящих плёнок. Обгар контактов	Сродство к кислороду, азоту. Термическая стойкость плёнок. Электрическая и механическая прочность плёнок. Толщина и структура плёнок.
Сваривание: - горячее; - холодное.	Контактное давление. Плотность тока. Энергия дуги.	Временное или длительное короткое замыкание	Температура и напряжение плавления. Тепло- и электропроводность. Твёрдость.
	Контактное давление. Кинетическая энергия при замыкании	"Слипание" контактов	Твёрдость, предел текучести, модуль упругости. Температура плавления и рекристаллизации (размягчения). Окисляемость.