Для снижения силы удара якоря о сердечник тяговая характеристика электромагнита не должна сильно превышать противодействие. С целью снижения вибрации от удара якоря магнитопровод электромагнита крепится на пружинах амортизатора.
Рисунок 9 Измерение сопротивления контакта
Контакты должны быть замкнуты
2.4.4 Материалы контактов и требования , предъявляемые к ним
Требования:
1. Высокие электропроводимость и теплопроводность.
2. Высокая коррозионная стойкость в воздушных и других средах.
3. Стойкость против образования плёнок с высоким электрическим сопротивлением.
4. Малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия.
5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.
6. Малая эррозия.
7. Высокая дугостойкость (температура плавления).
8. Высокие значения тока и напряжение, необходимые для дугообразования.
9. Простота обработки, низкая стоимость.
Медь
Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость.
Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при работа на воздухе покрывается слоем оксидов (имеющих высокое сопротивление), требует больших сил нажатия.
Для защиты меди от окисления электролитическим способом поверхность контактов покрывается слоем серебра 20-3- микрон.
Серебро
Положительные свойства: высокие электропроводность и теплопроводность. Пленка оксида серебра имеет малую механическую прочность и быстро разрушается при нагреве в контактной точке. Для работы достаточны малые нажатия.
Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость (при наличии дуги, и при частых включениях и отключениях).
Применяется в реле и контакторах до 20 А.
Алюминий
Положительные свойства: достаточно высокие электропроводность и теплопроводность.
Недостатки: Образование на воздухе пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением, низкая дугостойкость.
Малая механическая прочность.
Из-за наличия влаги в воздухе и оксидов медный и алюминиевый контакты образуют своеобразный гальванический элемент, под действием ЭДС элемента происходит электрохимическое разрушение контакта (электрохимическая коррозия).
Вольфрам
Положительные свойства: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания, высокая твердость.
Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок (требует большого нажатия).
В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы: золото, платина, палладий и их сплавы.
Металлокерамические материалы
Рассматривая свойства металлов видим, что ни один из них не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалу контакта. Нельзя получить сплавы серебра и вольфрама, меди и вольфрама. (Для получения высокой электропроводности и дугостойкости).
Материалы, полученные методом порошковой металлургии (металлокерамики) сохраняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость обеспечивается вольфрамом или молибденом. Низкое переходное сопротивление контакта.используется в качестве второго элемента меди или серебра. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % используется для аппаратов защиты на большие токи к.з.
Для контактного аппарата высокого напряжения наиболее распространены металлокерамика:
КМК-А60
КМК-Б20
КМК-А62КМК-Б21
Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, зато в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения прочности.
2.4.5 Герметизированные контакты (герконы)
Наименее надежным узлом реле является контактная система. Электрическая дуга или искра, образующаяся при замыкании или размыкании контакта, приводит к их быстрому разрушению. Этому способствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным недостатком электромагнитного реле является также наличие трущихся механических частей (деталей), износ, а также инерционность, обусловленная значительной массой подвижных деталей. Это всё привело к созданию герконов
Рисунок 10 Устройство геркона
Контактные сердечники 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (герконов) и ввариваются в стеклянный герметичный баллон 3, баллон заполнен инертным газом азотом или азотом с 3% водородом. Баллон устанавливают в обмотке управления 4.
При подаче тока в обмотку, возникает магнитный поток F, который проходит по магнитному сердечнику 1, r через рабочий зазор между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4.
Магнитный поток при прохождении через рабочий зазор создает усилие, которая преодолевает упругость контакта сердечника соединяя их между собой. При отключении обмотки магнитный поток и электромагнитная сила спадают и под воздействием сил упругости контакты сердечника размыкаются.
Преимущества и недостатки герконов.
Преимущества:
1. Возможность работы в условиях повышенной влажности, запыленности.
2. Простота конструкции, малая масса и габариты, что позволяет автоматизировать их производство и снизить стоимость изготовления.
3. Высокое быстродействие позволяет использовать герконы при частоте коммутации до 1000 В сек
4. Отсутствие трущихся деталей.
5. Высокая электропрочность междуконтактного промежутка.
6. Гальваническая развязка цепей управления и коммутируемых цепей.
7. Возможность управления как электромагнитным полем, так и полем постоянного магнита.
8. Надежность работы в широком диапазоне температур (от -60 до +120).
9. Удобство согласования с современными изделиями микроэлектроники.
Недостатки:
1. Сравнительно низкая чувствительность по МДС.
2. Восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мероприятий по защите от их воздействия.
3. Хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и вибрациям, что требует специальных мер по амортизации мест установки геркона.
4. Значительное время вибрации контактов
5. Малая мощность коммутируемых цепей
6. Возможность самопроизвольного размыкания контактов при больших токах.
7. Недопустимое замыкание и размыкание контактов при питании обмотки током низкой частоты.
8. Значительный технологический разброс параметров.
Герконы широко используются в схемах автоматики и защиты, как логические элементы, преобразователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупроводниковыми устройствами и силовыми электрическими аппаратами.
2.5 Электрическая дуга
Рисунок 11 Возникновение дуги
Любой замкнутый контур запасает электромагнитную энергию
(30)
При размыкании цепи эта энергия расходуется на создание разряда между размыкающимися контактами. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют:
из процессов, происходящих в дуговом промежутке -- термическая ионизация и ионизация толчком.
Термоэлектродная эмиссия -- явление испускания электронов из накаленного электрода.
Рисунок 12 Протекание дугового процесса
При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка разогревается до расплавления и образования контактного перешейка из-за расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвётся, происходит испарение металлоконтактов. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскаленная площадка), которая служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Достаточно для возникновения электрической дуги, но недостаточно для её горения.
Автоэлектронная эмиссия -- явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.
Рисунок 13 Протекание дугового процесса
Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна , затем убывает по мере расхождения контактов. Конденсатор заряжается и напряжение на нём растёт постепенно от нуля до напряжения сети. Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом дугового разряда.
Ионизация толчком
Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей и большой температуре, которая имеет место области дугового столба скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Она является основным источником электронов и ионов в дуге.
Зона столба дуги
Рисунок 14 Зоны столба дуги: где 1 -- околоанодная область 2 -- ствол(столб) дуги 3 -- околокатодная область
Околокатодная область -- занимает очень малое место. Около катода возникает положительный объёмный заряд, создаваемый положительными ионами, между этим зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до , в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости достаточной для ионизации удара. Действует ступенчатая ионизация. При ступенчатой ионизации необходим многократный удар электронов по атому, поэтому около катода носит электронный характер.
Область дугового столба.
Уравнение Саха:
(31)
Где х - степень ионизации, равная отношению числа ионизированных частиц к полному количеству;
p- абсолютное давление газов,(Па);
Т - абсолютная температура газов (К);
Ui - потенциал ионизации (В).
1. Если температура постоянная (), то учитывая что , то получается что
С ростом давления степень ионизации х- уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги.
2. Очень сильное влияние на ионизацию влияет температура. Во всех дугогасящих устройствах стремятся отводить тепло от дуги за счёт либо охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушный, масляные выключатели), либо отдачей тепла стенкам дугогасительной камеры.
Околоанодная область
Вблизи анода создается отрицательный объёмный заряд, что вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока . Энергия, приобретенная электронами отдается аноду. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба. Околоанодное падение напряжения столь мало, что им можно пренебречь.
2.6 Поляризованные электромагниты
Рисунок 15 Устройство поляризованного электромагнита: 1-сердечник 2-якорь 3-поляризующий магнит 4-обмотка
2.7 Автоматические выключатели (автоматы)
Рисунок 16 Устройство автоматического выключателя: 1 Дугогасительные контакты 2 Дугогасительная камера 3 Основные контакты 4 Электромагнитное включение 5 Тепловой расцепитель (срабатывает только при токах перегрузки) 6 ,7,13 Механизм свободного расцепления 8,10 Расцепитель (токовая отсечка) срабатывает только при токах КЗ 9 Пружина. Обеспечивает скорость расхождения контактов. 11 Электромагнит дистанционного включения (независимый электромагнитный расцепитель) 12 Рукоятка включения
Автомат служит для отключения электрической цепи при ненормальных и аварийных режимах, перегрузках, КЗ, чрезмерном понижении напряжения питания. Также используются при редких включениях отключениях номинальных токов нагрузки.
Требования:
1 Токоведущая цепь должна пропускать номинальный ток в течении длительного времени.
2 Должен обеспечивать многократное отключение предельных токов КЗ. После этих отключений автомат должен быть пригоден к длительному пропусканию номинальных токов.
3 Для повышения электродинамической и электрической стойкости энергоустановок, уменьшение разрешений, вызываемых токами КЗ автоматы должны иметь малое время отключения.
2.8 Предохранители
Предохранители - аппараты, защищающие установки от токов КЗ.
Основными элементами являются плавкая вставка и дугогасительное устройство.
Требования:
- При КЗ предохранители должны работать селективно
- Характеристики предохранителей должны быть свободными
(32)
(33)
- пусковой ток.
При тяжелых условиях пуска в знаменателе вместо 1,5 надо ставить 1,6-2.
Плавкие вставки должны устанавливаться последовательно. В сети должны работать селективно, т.е должны перегорать вставки которые находятся ближе к КЗ, а не наоборот.
Для этого практически нужно чтобы ток вставки, расположенной ближе к месту КЗ был на 1-2 ступени ниже по шкале номинальных токов вставок.