Сталкивались ли вы с ситуацией, когда при отключении коммутационного аппарата на одной или всех фазах остаётся напряжение? Это связано с залипанием контактов, которое встречается у любых аппаратов, начиная от обычных бытовых выключателей света и заканчивая крупногабаритными контакторами. Но почему оно происходит?
Так почему же они слипаются
Есть 3 основные причины залипания контактов:
· Номинальный ток аппарата неправильно подобран или не скоординирован с вышестоящими аппаратами защиты.
· Неправильный алгоритм работы схемы и выполнение переключений.
· Износ контактных групп.
В принципе, во всех случаях это происходит из-за чрезмерного нагрева контактов, но нагреваются они по разным причинам. И подробно об этом мы еще расскажем.
Но сначала, как мы любим, немного теории. Ведь надо же понимать, что происходит в контакторах, когда через них протекает ток.
Закон Джоуля-Ленца и сопротивление контактов
При протекании электрического тока через проводник выделяется тепло, его количество определяется по формуле:
В этой формуле I — сила тока (А), протекающего через проводник; R — сопротивление проводника (Ом); T — время, в течение которого протекал этот ток (с).
А теперь посмотрим, как устроена контактная группа и что, с точки зрения законов физики, происходит, когда через нее проходит электрический ток.
Если рассматривать контакты как проводник, то его сопротивление будет состоять из сопротивления части, которая проводит ток от зажимов для подключения внешних проводов (1) до контактных поверхностей, самой контактной поверхности (2) и переходного сопротивления контактов. К этому понятию мы вернёмся после небольшого лирического пояснительного отступления.
Контактные поверхности могут быть выпрессоваными или отлитыми на теле основной детали, а также выполненными в виде напаянных на неё пластин, которые чаще называют просто «напайками». В зависимости от назначения контактов, частоты коммутации, напряжения и силы тока напайки могут быть сделаны из меди или драгоценных металлов — серебра, платины, палладия. Для удешевления в напайке может использоваться не дорогой металл в чистом виде, а сплав.
Например, в новой модульной линейке ARMAT IEK использован новейший тугоплавкий серебросодержащий композит.
Такие металлы и их сплавы используют по трём основным причинам:
1. Для получения нужных механических свойств, соответствующих разным применениям контактов, то есть чтобы сделать поверхность контакта более твёрдой или, наоборот, мягкой.
2. Чтобы снизить переходное сопротивление. Например, сопротивление серебра примерно на 5-7% меньше сопротивления меди, к тому же проводимость окислов серебра ненамного ниже, чем у самого серебра. То есть даже окислившись оно будет проводить ток лучше, чем окисленная медь.
3. Для защиты от окисления и химического воздействия окружающей среды. Металлы по-разному взаимодействуют с парами химических веществ, влажностью и воздухом, одни окисляются сильнее, а другие, наоборот, более устойчивы.
Итак, вернёмся к переходному сопротивлению контактов — это сопротивление между прилегающими поверхностями подвижной и неподвижной части контакта. Переходное сопротивление зависит от площади соприкосновения контактных поверхностей.
На картинке выше соприкасающиеся участки контактных поверхностей отмечены красным цветом. И вы видите, что действительная площадь контакта меньше площади напаек. Даже при тонкой механической обработке на поверхностях остаются ямки, бугорки, царапины и прочие неоднородности. Добиться стопроцентного прилегания пластин друг к другу невозможно. Поэтому сопротивление контактов будет выше, чем в условно идеальном случае!
Режимы работы контактов или почему их сопротивление непременно будет расти
Контакты работают в трёх основных режимах:
· Замыкание.
· Замкнутое состояние.
· Размыкание.
Рассмотрим, что происходит в каждом случае.
При замыкании подвижный контакт ударяется о неподвижный. В этот момент происходит упругая деформация обоих контактов, и подвижный контакт отскакивает от неподвижного на небольшое расстояние — доли миллиметра. Подвижный контакт вновь прижимается к неподвижному с помощью контактной пружины. Так повторяется несколько раз с уменьшением амплитуды до тех пор, пока контакты окончательно не прижмутся друг к другу.
Этот процесс называют вибрацией контактов. Проблема в том, что при каждом отскоке контактов возникает электрическая дуга, из-за которой нагреваются, разрушаются контактные поверхности. К тому же при больших токах вибрация контактов усиливается из-за возникающих электродинамических усилий. Поэтому в аппаратах, коммутирующих большие токи, используют более жёсткие пружины для усиленного прижатия контактов друг к другу и уменьшения вибрации.
В замкнутом состоянии через контакты протекает ток. При этом возможно 2 варианта:
· Ток равен или меньше номинального.
· Сверхтоки при перегрузках и коротких замыканиях. При коротких замыканиях ток в цепи может быть в десятки, а иногда и в сотни раз выше номинального.
При протекании тока на контакты падает какое-то напряжение, которое по закону Ома будет зависеть от силы тока и сопротивления контактов. Следовательно, будет выделяться мощность в виде тепла. Она в свою очередь, зависит от падения напряжения на контактах (Uп) и силы тока (I) в цепи — Pтепл=Uп×I. Контакт будет нагреваться.
Обычно у контактов малая постоянная времени нагрева. Другими словами, они могут быстро нагреваться до высоких температур даже при протекании номинального тока, если переходное сопротивление повышено, и тем более при протекании токов КЗ. При этом температура может увеличиться настолько, что металл размягчится (температура рекристаллизации), а затем и начнет плавиться. Для контактов из разных материалов температура рекристаллизации и температура плавления будет разной, например, медь плавится при 1083 °C, а серебро — при 960 °C.
Из-за нагрева до высоких температур контакты могут привариться друг к другу.
Ну и наконец, при размыкании контактов происходит наиболее сильный износ. В первый момент ослабевает сила сжатия контактных пластин, растёт переходное сопротивление и контакты начинают греться. Температура может доходить до температуры плавления, из-за чего образовывается мостик из расплавленного металла, и когда он разрывается, возникает дуговой или тлеющий разряд.
Точка, из которой начинается дуга, и точка, в которой она заканчивается, называются анодным и катодным пятном (в зависимости от полярности). Температура этих пятен легко достигает температуры плавления металла. Поэтому при горении дуги происходит перенос металла с одного на другой контакт и распыление материала в окружающую среду, что особенно критично в цепях постоянного тока, так как направление протекания тока и переноса не изменяется.
Из-за образования дуг при коммутации контакты просто выгорают. Длительность и интенсивность дуги зависят от напряжения в цепи и силы тока в момент коммутации.
Во всех случаях нагрев контактов приводит к ускорению образования оксидных плёнок на их поверхностях.
Таким образом, во время работы поверхность контактов постепенно изнашивается из-за механических воздействий при переключении, а также из-за нагрева, воздействия окружающей среды, например, окисления кислородом, содержащимся в воздухе, и химического воздействия.
Можно ли предотвратить износ контактов или хотя бы отсрочить его? Поговорим об этом во второй части нашей статьи.
Ну а пока, как принято в Дзене: ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал)) И пишите в комментариях, что еще вам было бы интересно узнать про электротехнику?
#iek #iekgroup #электрика #электротехника #контакты
Вторая часть статьи: