Материалы контактов, раствор и провал контактов

К материалу контактов предъявляются следующие требования:

1. Высокие электрическая проводимость и теплопро­водность.

2. Стойкость против коррозии в воздухе и других газах.

3. Стойкость против образования пленок с высоким удельным сопротивлением.

4. Малая твердость для уменьшения необходимой си­лы нажатия.

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

6. Малая эрозия.

7. Высокая дугостойкость (температура плавления).

8. Высокие значения тока и напряжения, необходи­мых для дугообразования.

9. Простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмот­рены ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие электрическая прово­димость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволяет применять при частых включениях и отключениях, довольно высокие значения U_o и I_o, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: низкая температура плавления, при работе на воз­духе покрывается слоем прочных окислов, имеющих высокое сопро­тивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. На главных контак­тах иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включае­мых относительно редко). Применяется как материал для плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контак­торов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель­но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

Серебро. Положительные свойства: высокие электро- и тепло­проводность, пленка окисла серебра имеет малую механическую проч­ность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт серебра устойчив, благодаря малой механической прочно­сти достаточны малые нажатия (применяется при нажатиях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.

Отрицательные свойства: малая дугостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и при частых включениях и отключениях.

Применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. При боль­ших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокие электри­ческую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плот­ности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.

Недостатки алюминия: образование на воздухе и в актив­ных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); малая механическая прочность; при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электро­литическим путем либо оба металла необходимо покрывать се­ребром.

Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются глав­ным образом как материал для шин и конструкционных деталей ап­паратов.

Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сварива­ния. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатками вольфрама являются: высокое удельное сопротив­ление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большого на­жатия.

В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы — золото, платина, палладий и их сплавы.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полно­стью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.

Основные необходимые свойства контактного материала — высо­кие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получены за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольф­рам, медь и вольфрам, так как эти металлы не образуют сплавов. Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии (металлокерамики). Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контак­тов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими ме­таллами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переход­ного сопротивления контакта в качестве второго компонента используют серебро или медь. Чем больше в материале вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность, сопротивление свариванию. Но соответственно растет сопротивление контактов, уменьшается теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50% применяется для тяжело нагруженных аппаратов, отключающих большие токи короткого замыкания.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наибольшее распространение получила металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, МК-Б20, КМК-Б21.

В аппаратах низкого напряжения наибольшее распространение получила металлокерамика КМК-А10 из серебра и окиси кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заcтавляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги.

Металлокерамика, состоящая из серебра и 10% окиси меди, МК-А20 еще более стойка к износу, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые контакты хорошо обрабатываются, обладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты дают низкое и устойчивое в эксплуатации переходное сопротивление. Однако они легче свариваются, чем контакты из материала КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря высокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные контакты.

В заключение следует отметить, что хотя применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры в эксплуатации, эти «лишние» затраты быстро окупаются, так как возрастает срок службы аппарата, увеличивается время между ревизиями и значительно повышается надежность.

Под провалом контактов подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.

Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.

После соприкосновения контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекаты­вании происходит разрушение окисных пленок и других химиче­ских соединений, которые могут появиться на поверхности кон­тактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздей­ствию дуги и являющиеся, поэтому более «чистыми». Все это умень­шает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются).

Раствором контактовназывается расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электро­магнита. Это приводит к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощ­ности катушки электромагни­та и его габаритов. Мини­мальная величина раствора контактов определяется: тех­нологическими и эксплуата­ционными условиями, возмож­ностью образования металли­ческого мостика между кон­тактами при разрыве цепи тока, условиями устранения возможности смыкания кон­тактов при отскоке подвиж­ной системы от упора при отключении аппарата. Раствор кон­тактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.