В процессе работы коммутирующие контакты часто включаются и отключаются. Это приводит к их износу. Износ контактов допускается такой, чтобы до конца срока службы он не приводил к нарушению работы аппарата.
Износ контактов представляет собой разрушение рабочей поверхности контактов с изменением их формы, размера, массы и уменьшением провала.
Износ электрических контактов, происходящий под действием механических факторов, называют механическим износом. Механическому износу подвергаются контакты разъединителей — аппаратов, размыкающих электрическую цепь без нагрузки. Износ проявляется в виде смятия и расплющивания торцевых контактов и истирания поверхностей врубных контактов.
С целью уменьшения механического износа подвижные или неподвижные контакты снабжаются пружиной, которая прижимает контакт к своему упору в отключенном положении аппарата, исключая возможность вибрации контактов. Во включенном положении контакт, имеющий пружину, отходит от упора, и пружина прижимает контакты друг к другу, обеспечивая контактное нажатие.
Наиболее интенсивно износ происходит под воздействием электрических факторов, при наличии токовой нагрузки. Такой износ называют электрическим износом или электрической эрозией.
Мерой износа электрических контактов чаше всего является объемная или весовая потеря контактного материала.
Контакты, предназначенные для коммутации электрических цепей под нагрузкой подвергаются одновременно механическому и электрическому износу. Кроме того, происходит износ контактов в связи с образованием на их поверхности пленок различных химических соединений материала контактов с окружающей средой, который называется химическим износом или коррозией.
При коммутации электрической цепи с электрической нагрузкой на контактах возникает электрический разряд, который может развиться в мощную электрическую дугу.
Процесс износа при замыкании
При касании контактов в процессе их замыкания, под действием сил упругости происходит отброс подпружиненного контакта. Отбросов контактов может быть несколько, т. е. наблюдается вибрация контактов с затухающей амплитудой. Амплитуда вибрации при каждом следующем отбросе уменьшается. Уменьшается и время отброса.
Вибрация контактов при включении аппарата: x1, х2 - амплитуды отбросов; t1, t2, t3 — время отбросов
При отбросе контактов образуется короткая дуга с расплавлением точек контактирования и испарением металла. При этом в зоне контактирования создается повышенное давление паров металла и контакт «зависает» в потоке этих паров. Время замыкания контактов увеличивается.
Износ электрических контактов при включении зависит от начального нажатия в момент соприкосновения контактов, жесткости пружины, создающей контактное нажатие, от физических свойств контактных материалов.
Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения — это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Чем больше эта сила, тем меньше будет амплитуда и время отброса, тем меньше будет вибрация контактов и их износ. С увеличением жесткости пружины отброс контактов уменьшается и снижается их износ.
Чем выше температура плавления контактного материала, тем ниже износ контактов. Чем выше ток в коммутируемой цепи, тем выше износ контактов.
Процесс износа при размыкании
В момент размыкания контактов контактное нажатие снижается до нуля. При этом возрастает переходное сопротивление контакта и увеличивается плотность тока в последней точке контактирования. Точка контактирования расплавляется, и между расходящимися контактами образуется перешеек (мостик) из расплавленного металла, который затем разрывается. В промежутке между контактами может возникнуть искровой или дуговой электрический разряд.
Под действием высокой температуры при разряде часть металла контактного перешейка испаряется, часть выбрасывается из контактною промежутка и виде брызг, часть переносится с одного контакта на другой. На контактах наблюдаются эрозионные явления — появление на них кратеров или налипание металла. Износ контактов зависит от рода и величины тока, длительности горения дуги и материала контактов.
При постоянном токе перенос материала с одного контакта на другой проявляется более интенсивно, чем при переменном токе, так как направление тока в цепи не меняется.
При малых значениях токов эрозия контактов обусловлена разрушением контактного перешейка не в средине, а ближе к одному из электродов. Чаше разрыв контактного перешейка наблюдается у анода — положительного электрода.
Перенос металла наблюдается в сторону электрода, дальше расположенного от точки расплавления, обычно в сторону катода. Перенесенный металл затвердевает на катоде в виде острых выступов, ухудшающих условия контактирования и уменьшающих зазор между контактами в разомкнутом состоянии. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искрового разряда. Чем больше ток и время горения дуги, тем больше эрозия контактов.
При больших значениях тока в промышленных электрических сетях чаще возникает дуговой разряд между размыкаемыми контактами. Дуговой износ контактов зависит от многих факторов. Среди них можно отмстить следующие факторы: напряжение сети, род и величина тока, напряженность магнитного поля, индуктивность цепи, физические свойства контактных материалов, частота коммутационных циклов, характер контактирования контактов, скорость размыкания контактов.
Электрическая дуга между контактами загорается при определенном значении напряжения. При наличии дугогаситсльных устройств, вызывающих движение дуги, дуга перемешается с контактов при появлении межконтактного промежутка в 1 - 2 мм, что не связано с величиной напряжения. Поэтому износ контактов от напряжения практически не зависит. Минимальные значения напряжения, при которых возникает электрическая дуга для ряда металлов, применяемых в качестве контактов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Минимальные значения напряжения и тока возникновения дуги для некоторых металлов
| Параметры цепи | Материал контактов | |||||||
| Au | Ag | Cu | Fe | Al | Mo | W | Ni | |
| Минимальный ток, А | 0,38 | 0,4 | 0,43 | 0,45 | 0,50 | 0,75 | 1,1 | 1,5 |
| Минимальное напряжение, В | 15 | 12 | 13 | 14 | 14 | 17 | 15 | 14 |
Износ контактов растет с увеличением отключаемого тока. Эта зависимость близка к линейной. В то же время изменение тока приводит к изменению внешнего магнитного поля, что сказывается на характере износа контактов. Износ контактов интенсивнее наблюдается при постоянном токе, что связано с затяжкой гашения дуги. При постоянном токе контакты изнашиваются неравномерно.
Движение дуги в дугогасительных устройствах происходит в магнитном поле, создаваемом проводником с током. С ростом напряженности магнитного ноля растет скорость движения опорных точек дуги. При этом контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается. Однако при появлении перешейка из расплавленного металла между размыкаемыми контактами рост напряженности магнитного поля увеличивает электродинамические силы, которые стремятся выбросить расплавленный металл из межконтактного промежутка. Это приводит к увеличению износа контактов.
На износ контактов оказывает влияние индуктивность цепи, так как она связана с постоянной времени цепи и скоростью изменения тока. В цепи постоянного тока увеличение индуктивности может снизить износ при замыкании контактов, так как ток нарастает медленнее и при отбросе контактов он не достигает максимальною значения.
В цепи переменного тока увеличение индуктивности может увеличить и уменьшить износ при замыкании. Это зависит от момента отброса контактов. При размыкании контактов индуктивность цепи влияет на износ, если она оказывает влияние на величину тока и время гашения дуги.
Более интенсивный износ наблюдается на контактах из чистых контактных материалов (медь, серебро) и значительно уменьшается на контактах из сплавов с тугоплавкими компонентами (медь - вольфрам, серебро - вольфрам).
Серебро имеет относительно высокую износостойкость при токах до 63 А, при токах 100 А и выше износостойкость снижается, а при токах 10 кА становится одним из наименее износоустойчивых материалов.
Износ контактов увеличивается с увеличением частоты коммутационных циклов. Чем чаше включается аппарат, тем больше нагреваются контакты и снижается их устойчивость к эрозионным явлениям. Увеличение скорости размыкания контактов сокращает время горения дуги и снижает дуговой износ контактов.
Параметры электрических контактов (провал, раствор, нажатие) и характер контактирования (точечное или плоскостное контактирование, касание контактов с перекосом) влияют как на механический износ, так и на электрический. Например, при увеличении раствора контактов их износ увеличивается, так как увеличивается выделение тепловой энергии в стволе дуги.
Износ электрических контактов может привести к ненадежному контактированию и к нарушению контактного соединения. Это может вызвать преждевременный выход из строя коммутационного аппарата. На износ контактов оказывает влияние их отброс под действием электродинамических сил.
Щербаков Е. Ф.