Новый метод оценки эрозии контактов под воздействием дугового разряда при отключении выключателем токов короткого замыкания

Эксплуатационный ресурс выключателей определяет главным образом электрическая эрозия их контактов, которой они подвергаются при коммутировании токов в электротехнических сетях. Наиболее существенной эрозии контакты подвергаются при отключении выключателем токов короткого замыкания (КЗ). Физические процессы на поверхности электродов зависят от потока мощности (q), приходящего на поверхность опорного пятна дуги, их геометрии и материала контактов, способа возбуждения дуги и длительности ее воздействия на электроды. Поэтому в о многих опубликованных работах результаты экспериментальных исследований эрозии электродов и построения методик по ее количественной оценке весьма разнообразны. Однако по наблюдениям многих исследователей размыкание контактов при отключении токов в широком диапазоне их значений сопровождается разбрызгиванием капель их металла. Свои особенности имеет и механизм эрозии контактов низковольтных выключателей при отключении токов КЗ [1,2].

Известно, что дуга на размыкаемых контактах в течении нескольких миллисекунд остается неподвижной и подвергает их эрозии. В таком случае дуговой разряд представляет собой короткую контрагированную дугу, горящую в парах металла контактов с характерным геометрическим параметром ℓg/Ron ≤ 1.0 (ℓg — длина и Ron — радиус опорного пятна дуги).

Поток мощности, приходящий на опорное пятно дуги, определяется формулой:

где I_g и u_g — мгновенное значение тока напряжения дуги, Sou — площадь опорного пятна и ζ = (u_к + u_a)/u_g — коэффициент, учитывающий долю энергии выделенной дугой на контактах и поглощенную ими за счет приэлектродных явлений [3].

Поток мощности q_on при отключении токов КЗ на опорное пятно достигает значений единиц (10⁵ ÷ 10⁴) Вт/см² и не распределяется равномерно по его поверхности. Из-за сложности рельефа поверхности опорного пятна (См. рис.1, а) на его микронеровностях электрическое поле концентрируются и дискретные потоки мощности q_k, которые определяются по формуле:

 
Рис.1, а. Рельеф опорного пятна дуги после отключения тока КЗ

где достигают значений единиц 108 Вт/см² . Под воздействием дискретных потоков мощности qк на поверхности опорного пятна дуги возникают микропузырьки, внутреннее давление которых приводит их к взрыву, истечению микроструек плазмы, проводящик ток ik, и образованию кратеров. На опорном пятне одновременно функционирует n_k=i_g/i_k кратеров, имеющих площадь s_k. Ток в микроструйках плазмы ik может составить значение ~ 102А, а плотность тока ~ 108А/см². Поэтому давление в микроструйке плазмы достигает ~ 103 атм. Под воздействием реактивного давления микроструек плазмы кратер взрывается и образуются конусы эрозии. (См. рис.1, б) и происходит разлет капель жидкого металла и твердых частиц. Угол разлета капель жидкого металла и твердых частиц (См. рис.1, в) составляет ~ 100 к поверхности контактов [4].

Рис.2, б. Кратеры и конусы эрозии

Расчеты эрозии серебросодержащих контактов по экспериментальным данным исследования процессов гашения дуги большой мощности в низковольтных выключателях с помощью осцилографирования тока и напряжения дуги и скоростной киносъемки показали, что при максимальном мгновенном значении тока дуги i_g.max = 8,5кА эрозия контакта составляла 0,59 г , а при i_g.max = 24,5кА-0,89г [1,2]. Эрозия контакта, приведенная в [5], при токе I_m = 10кА равна 0,75 г. По экспериментальным данным [2] при токе в испытательном контуре равном 65 кА действующего значения эрозия контакта превысила 1,0 г.

Рис.3, в. Твердые частицы, отколовшиеся от контактов

Таким образом, результаты расчета эрозии контактов с использованием модели конуса эрозии можно признать вполне совпадающими с экспериментальными данными. Более того, модель конуса эрозии объясняет и разлет капель жидкого металла и образование твердых частиц из металла контактов при отключении токов КЗ.

Литература

1. В.П. Мещеряков. Электрическая дуга большой мощности в выключателях. Часть 1. Ульяновск, 2006. С.344.
2. В.П. Мещеряков. Электрическая дуга большой мощности в выключателях. Часть 2. Ульяновск, 2008. С.429.
3. Г.Н. Лесков. Электрическая сварочная дуга. М.. Машиностроение. 1970. С.335.
4. Г.А.Месяц. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М., Наука, 2000. С.424.
5. А.М.Залесский. Электрическая дуга отключения. М.-Л. Госэнергоиздат. 1963. С.266.

Мещеряков  В. П.
Ведущий научный сотрудник ОАО «Контактор»