Материалы контактов коммутационных аппаратов как определяющий показатель качества

Опубликовано: 18 октября 2012 г. в 00:28, 429 просмотровКомментировать

«В технических каталогах на электротехническую продукцию торговой марки IEK® часто встречается указание, что контакты аппаратов защиты и коммутации имеют напайки из серебросодержащего композита. Почему это так важно и насколько качество аппарата зависит от материала напайки?»

Эдуард Домашнев, г. Константиновск

Требования, предъявляемые к коммутационным электрическим аппаратам (КЭА), чрезвычайно разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата. Сюда можно отнести некоторые общие требования:

  • В каждом КЭА при работе протекает ток, при этом в токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и аппарат нагревается. Температура не должна превосходить некоторого определенного значения, устанавливаемого для данного аппарата и его деталей.
  • В каждой электрической цепи может быть анормальный (перегрузка) или аварийный (к. з.) режим работы. Аппарат подвергается в течение определенного времени чрезмерно большим термическим и электродинамическим воздействиям тока, однако он должен выдерживать эти воздействия без каких-либо деформаций, препятствующих дальнейшей его работе.
  • Каждый КЭА рассчитан для работы в цепи с определенным напряжением, где возможны также и перенапряжения. Однако электрическая изоляция аппарата должна обеспечивать его надежную работу при заданных значениях перенапряжений.
  • Контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а многие аппараты — также и токи аварий ных режимов, которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.
  • К каждому КЭА предъявляются требования по надежности и точности работы, а также по быстродействию.
  • Любой КЭА должен, по возможности, иметь наименьшие габариты, массу и стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслуживании и технологичным в производстве.

Электрические коммутационные аппараты являются сложными электротехническими устройствами, содержащими множество элементов: проводники электрических токов, проводни ки магнитных потоков, электрическую изоляцию. Часть элементов может перемещаться в пространстве, передавая усилия другим узлам и блокам. При этом неизбежны потери энергии и превращение ее в тепло. Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду. При увеличении температуры выше допустимой происходит ускоренное старение изоляции проводников и умень шение ее механической прочности. Так, например, при возрастании длительной температуры всего лишь на 8 °С сверх допустимой для данного класса изоляции срок службы последней сокращается в 2 раза.

При увеличении температуры меди со 100 до 250 °С механическая прочность снижается на 40%. Следует иметь в виду, что при к. з., когда температура может достигать предельных значений 200–300 °С, токоведущие части подвержены воздействию больших электродинамических сил, что может привести к разрушению.

При протекании электрического тока по проводнику в нем выделяется тепловая мощность, которая зависит от сопротивления элементов цепи и продолжительности горения дуги. Для уменьшения выделяемой теплоты в электрических аппаратах применяют проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением и уменьшают температуру поверхности за счет увеличения коэффициента теплоотдачи или площади охлаждающей поверхности.


Рис. 1. Распределение контактного нажатия

Важным аспектом качества КЭА является термическая стойкость — способность выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей работе, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности.

Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определенного промежутка времени. Наиболее тяжелым является режим короткого замыкания.

Существуют ограничения, которые в основном диктуются температурой рекристаллизации материала токоведущих частей. В КЭА приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:

  • неизолированные токоведущие части из меди и ее сплавов — 300 °С;
  • алюминиевые токоведущие части — 200 °С;
  • токоведущие части (кроме алюминиевых), соприкасающиеся с органической изоляцией, — 250 °С.

Не менее важной составляющей качества КЭА является электрический контакт — это место перехода тока из одной токоведущей части в другую или конструктивный узел, с помощью которого производится замыкание или размыкание электрической цепи.

При любой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам.

Для обеспечения надежного протекания электрического тока контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия.

При этом микровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируются и в соприкосновение могут прийти другие выступы, а они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия (рис. 1).

Переходное сопротивление

Сопротивление в области точки касания, обусловленное явлениями стягивания тока, называется переходным сопротивлением контакта (рис. 2).


Рис. 2. Переходное сопротивление
контакта

Переходное сопротивление контакта зависит от свойств материала контакта, температуры, обработки контактной поверхности величины контактного нажатия:

Rперех. = k/F.m, где: k — коэффициент, зависящий от материала, формы контакта, способа обработки и состояния контактной поверхности; F — сила контактного нажатия, Н; m — коэффициент, характеризующий число точек касания.

Переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в частности, меди) являются плохими проводниками. У медных открытых контактов вследствие их окисления с течением времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз.

Наличие окисных пленок приводит к тому, что при небольшом напряжении замыкаемой цепи или недостаточной силе нажатия на контакты протекание электрического тока становится невозможным. В связи с этим контакты на малые токи или на малые усилия нажатия изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).

В сильноточных контактах окисная пленка разрушается либо благодаря большим усилиям нажатия, либо путем «самозачистки» при включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.

В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых контактов также возникают окисные, плохо проводящие ток плёнки. Они проникают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное сопротивление, могут вывести контакты из строя. Повышение температуры ускоряет степень окисления поверхности контактов.

Размыкание цепи КЭА сопровождается появлением дугового или искрового разряда на размыкаемых контактах. 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 (мостик) из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. Под действием высокой температуры дуги часть металла мостика испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть металла переносится с одного контакта на другой.

При дуговом разряде имеет место перенос металла с катода на анод, при искровом разряде — наоборот, с анода на катод. В результате на одном контакте образуется впадина, на другом — соответствующий ей бугорок. При малых растворах контактов это может привести к их свариванию.

Уменьшение эрозии может быть достигнуто за счет быстрого перемещения дуги из зоны ее возникновения, при этом зона будет меньше разогрета, будет меньше расплавленного металла и меньше эрозия.

Электрическая эрозия наблюдается при небольших токах. При больших токах характерен дуговой износ контактов, который определяет электрическую или коммутационную износостойкость аппарата. Напомним, что коммутационная износостойкость аппарата определяется предельным для аппарата числом коммутационных циклов «ВКЛ»—«ОТКЛ».

Конструкция контактов коммутационных электрических аппаратов

Конструкция контактов КЭА должна предусматривать определенный раствор контактов — кратчайшее расстояние между разомкнутыми контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов. При работе контакты изнашиваются. Для надежного их соприкосновения на длительный срок кинематика аппарата выполняется таким образом, что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная система доходит до упора. Контакт крепится к подвижной системе через пружину. Благодаря этому подвижный контакт после соприкосновения с неподвижным контактом останавливается, а подвижная систе ма продвигается еще вперед до упора, сжимая дополнительно при этом контактную пружину.

Таким образом, если при замкнутом положении подвижной системы убрать неподвижно закрепленный контакт, то подвижный контакт сместится на некоторое расстояние, называемое провалом. Провал определяет запас на износ контактов при заданном числе срабатываний.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что от материала контакта в большой степени зависят его срок службы и надежность работы коммутационного аппарата. К этим материалам предъявляются следующие основные требования:

  • высокая электрическая проводимость и теплопроводность;
  • устойчивость к коррозии;
  • дугостойкость (высокая температура плавления и испарения);
  • твердость и механическая прочность;
  • относительно невысокая стоимость.

Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям. Медь, самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. Она удовлетворяет почти всем вышеперечисленным требованиям, за исключением коррозионостойкости и склонности к свариванию. Окислы меди имеют низкую проводимость, поэтому при малых усилиях контактных нажатий (Р < 3 Н) применение медных контактов не рекомендуется.

Серебро — очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Окислы серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро применяется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы, в контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей). Серебро обычно применяется в виде накладок — вся деталь выполняется из меди или другого материала, а на рабочей поверхности контакта приваривается серебряная накладка.

Металлокерамический композит — это механическая смесь двух и более почти не сплавляющихся материалов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из материалов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью.

Наиболее распространенными композициями металлокерамики являются: серебро-вольфрам, серебро-молибден, серебро -никель, серебро-окись кадмия, серебро-графит, серебро-графит-никель, медь-вольфрам, и др. Применяется металлокерамика в качестве дугогасительтных контактов на средние и большие отключаемые токи, а также в качестве главных контактов на номинальные токи до 1600 А.

Серебряное покрытие контактов (2–20 мкм) нашло широкое применение в электроизделиях, т.к обладает высокой химической устойчивостью и не окисляется на воздухе.

Однако ряд недостатков, таких, как низкая твердость и износоустойчивость, свариваемость при коммутации уже небольших, а особенно больших токов, приводит к переносу металла с одного участка поверхности на другой, образованию наплывов и тем самым к нарушению контактов, что накладывает серьезные ограничения на применения его для покрытия контактирующих деталей. Для улучшения механических и коррозионных свойств серебра используют легирование его другими металлами, такими, как сурьма, палладий, кадмий.

Таким образом, например, для модульных выключателей применение напаек на подвижный и неподвижный контакты металлокерамического композита «серебро—окись кадмия» позволит обеспечить длительный срок эксплуатации и надежную защиту. Это определяется следующими факторами:

  • способность обеспечить гарантированное количество электрических циклов (не менее 6000), в том числе и большое количество отключений токов к.з.;
  • обеспечение соответствия заводских настроек расцепителей на весь срок эксплуатации вследствие неизменности переходного сопротивления контактных деталей;
  • возможность использования выключателей для любого типа нагрузок, в том числе и электродвигателей с тяжелым режимом пуска;
  • обеспечение высокого уровня пожаробезопасности электроустановок вследствие пониженного выделения тепла в электрощитах;
  • экономия электроэнергии за счет снижения рассеиваемой мощности на 30–40%.

Доцент МГТУ МИРЭА к.т.н.
Владимир Розанов

Информация о компании

Группа компаний IEK
Группа компаний IEK — ведущий российский производитель электротехнической продукции среднего ценового сегмента. Международный бренд IEK хорошо известен в России и за рубежом — на протяжении 15 лет он является гарантом высокого качества и надежности. Сегодня IEK — это холдинг, контролирующий деятельность собственных производственных комплексов в России и за рубежом, а также торговых предприятий в России, Украине, Молдове, Казахстане, Монголии и странах Балтии. Разветвлённая дистрибьюторская сеть обеспечивает наличие ассортимента IEK® по всей территории РФ и в странах зарубежья. Продукция под торговой маркой IEK с успехом эксплуатируется на многочисленных объектах России и СНГ. Среди них — Московский государственный университет, метрополитен Санкт-Петербурга, Волгодонская атомная электростанция и многие другие объекты. На объектах используется модульное, щитовое, коммутационное оборудование, кабеленесущие системы, изделия для электромонтажа, светотехника и прочее оборудование ТМ IEK.

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.