Дугогасительное устройство

Контактная система

 

Контакты аппарата подвержены наиболее сильному электрическому и меха­ническому износу ввиду большого числа операций в час и тяжелым условиям работы. С целью уменьшения изно­са преимущественное распространение получили линей­ные перекатывающиеся контакты.

Для предотвращения вибраций контактов контактная пружина создает предварительное нажатие, равное при­мерно половине конечной силы нажатия. Большое влия­ние на вибрацию оказывает жесткость крепления непод­вижного контакта и стойкость к вибрациям всего кон­тактора в целом. В этом отношении очень удачна конструкция контактора серии КПВ-600 (рисунок 1). Не­подвижный контакт 1 жестко прикреплен к скобе 2. Один конец дугогасительной катушки 3 присоединен к этой же скобе. Второй конец катушки вместе с выводом 4 надеж­но скреплен с изоляционным основанием из пластмассы 5. Последнее крепится к прочной стальной скобе 6, кото­рая является основанием аппарата. Подвижный контакт 7 выполнен в виде толстой пластины. Нижний конец пла­стины имеет возможность поворачиваться относительно точки опоры 8. Благодаря этому пластина может перека­тываться по сухарю неподвижного контакта 1. Вывод 9 соединяется с подвижным контактом 7 с помощью гиб­кого проводника (связи) 10. Контактное нажатие созда­ется пружиной 12.

При износе контактов сухарь 1 заменяется новым, а пластина подвижного контакта поворачивается на 180° и неповрежденная сторона ее используется в работе.

.

 

 

Рисунок 1 - Контактор постоянного тока серии КПВ-600

 

Для уменьшения оплавления основных контактов ду­гой при токах более 50 А контактор имеет дугогасительные контакты — рога 2, 11. Под действием магнитного поля дугогасительного устройства опорные точки дуги быстро перемещаются на скобу 2, соединенную с непод­вижным контактом 1, и на защитный рог подвижного контакта 11. Возврат якоря в начальное положение (пос­ле отключения магнита) производится пружиной 13.

Основным параметром контактора является номи­нальный ток, который определяет размеры контактора

Характерной особенностью контакторов КПВ-600 и многих других типов является электрическое соединение вывода подвижного контакта с корпусом контактора. Во включенном положении контактора магнитопровод нахо­дится под напряжением. Даже в отключенном положении напряжение может оставаться на магнитопроводе и других деталях. Соприкосновение с магнитопроводом по­этому опасно для жизни.

Серия контакторов КПВ имеет исполнение с размы­кающим главным контактом. Замыкание производится за счет действия пружины, а размыкание - за счет си­лы, развиваемой электромагнитом.

Номинальным током контактора называется ток пре­рывисто-продолжительного режима работы. При этом режиме работы контактор находится во включенном со­стоянии не более 8 ч. По истечении этого промежутка ап­парат должен быть несколько раз включен и отключен (для зачистки контактов от окиси меди). После этого аппарат снова включается.

Если контактор располагается в шкафу, то номи­нальный ток понижается примерно на 10% из-за ухуд­шающихся условий охлаждения.

В продолжительном режиме работы, когда длитель­ность непрерывного включения превышает 8 ч, допусти­мый ток контактора снижается примерно на 20%. В та­ком режиме из-за окисления медных контактов растет переходное сопротивление, что может привести к повы­шению температуры выше допустимой величины. Если контактор имеет небольшое число включений или вообще предназначен для длительного включения, то на рабочую поверхность контактов напаивается серебряная пластина. Серебряная облицовка позволяет сохранить допустимый ток контактора, равный номинальному току, и в режиме продолжительного включения. Если контактор наряду с режимом продолжительного включения исполь­зуется в режиме повторно-кратковременного включения, применение серебряных накладок становится нецелесо­образным, так как из-за малой механической прочности серебра происходит быстрый износ контактов.

Согласно рекомендациям завода допустимый ток повторно-кратковременного ре­жима для контактора КПВ-600 определяется по формуле:

,

где п – число включений в час.

Необходимо отметить, что если при отключении в повторно-кратковременном режиме длительно горит ду­га (отключается большая индуктивная нагрузка), то температура контактов может резко увеличиться за счет нагрева контактов дугой. В этом случае нагрев контак­тов в продолжительном режиме работы может быть мень­ше, чем в повторно-кратковре­менном режиме. Как правило, контактная система имеет один полюс.

Для реверса асинхронных двигателей при большой часто­те включений в час (до 1200) применяется сдвоенная кон­тактная система. В этих кон­такторах типа КТПВ-500, име­ющих электромагнит постоян­ного тока, подвижные контак­ты изолированы от корпуса, что делает более безопасным обслуживание аппарата. На рисунке 2 показана схема вклю­чения контакторов для ревер­са асинхронных двигателей. По сравнению со схемой, име­ющей однополюсные контакто­ры, схема рисунок2 имеет большое преимущество. При неполадках и отказе одного контактора подается напря­жение только на один зажим двигателя. В схеме с од­нополюсными контакторами отказ одного контактора ведет к возникновению тяжелого режима двухфазного питания двигателя.

 

 

Рисунок 2 - Схема включения главных контактов контактора КТПВ-500

для реверса асинхронного двигателя

 

Контакторы с двухполюсной контактной системой очень удобно использовать для закорачивания сопротив­лений в цепи ротора асинхронного двигателя.

В контакторах типа КМВ-521 применяется также двухполюсная система. Эти контакторы предназначены для включения и отключения мощных электромагнитов приводов постоянного тока масляных выключателей. На­личие двухполюсной контактной системы, включенной в оба провода сети постоянного тока, обеспечивает на­дежное отключение индуктивной нагрузки.

 

 

Дугогасительное устройство

В контакторах по­стоянного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнитным дутьем. При взаимодействии магнитного поля с ду­гой возникает электродинамическая сила, перемещаю­щая дугу с большой скоростью. Для улучшения охлаж­дения дуги ее загоняют в щель из дугостойкого материа­ла с высокой теплопроводностью. При расхождении кон­тактов 1 и 7 (смотреть рисунок1) между ними возникает дуга 14. Дугу можно рассматривать как проводник с то­ком. Катушка 8 создает м. д. с., под действием которой возникает поток. Этот поток проходит через сердечник катушки, полюсные наконечники 15 и воздушный зазор, в котором горит дуга. На рисунок1 крестиками показано направление магнитного потока между полюсами систе­мы, направленного за плоскость чертежа.

В соответствии с рисунком 3, чем больше отключаемый ток, тем выше идет прямая U—iR. Для обеспечения ус­ловий гашения дуги необходимо с ростом тока поднимать вольт-амперную характеристику дуги. Это достигается удлинением дуги либо за счет электродинамических сил, либо за счет механического растяжения дуги.

Рисунок 3 - Ток в цепи при различных сопротивлениях R и наличии дуги

 

На рисунке 4 изображена зависимость раствора кон­тактов, при котором происходит гашение дуги, от тока и магнитной индукции, полученная О. Б. Броном на маке­те контактора.

 

 

 

Рисунок 4 - Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины отключаемого тока

 

При всех значениях индукции В кривые имеют один и тот же характер: при токе 5—7 А кривая достигает максимума, после чего с ростом тока необхо­димый раствор падает и при токе 200 А все кривые слива­ются. Такой ход кривых объясняется следующими явле­ниями. Электродинамическая сила, действующая на еди­ницу длины дуги, равна:

 

,

 

где I — ток;

В — индукция магнитного поля.

Рассмотрим случай, когда В==0 (кривая 1). При малом значении тока в дуге электродинамическая сила получается столь незначительной, что она не оказывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необхо­димые для гашения, создаются за счет механического ра­стяжения дуги подвижным контактом. При этом гашение дуги с ростом тока наступает при большей ее длине.

При токе более 7 А на дугу действует электродинами­ческая сила, возникающая как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации самой дуги (грубо можно представить, что дуга имеет форму части окружности). Эти силы являются решающи­ми для гашения дуги. Чем больше ток в цепи, тем боль­ше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В результате при токе 200 А для гашения дуги достаточ­но иметь раствор контактов около 1,5*10^-3 м. Фактиче­ски при таком токе, как только контакты разойдутся, воз­никающие электродинамические силы выталкивают дугу из межконтактного зазора и перемещают со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина дуги, при которой она гаснет, достигает 0,10 м и более.

Наличие внешнего магнитного поля способствует рез­кому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процесс гашения при токах 100 А и выше. Наиболее оптимальной маг­нитной индукцией является В ==0,0069 Т

В области малых токов с ростом тока увеличивается необходимый для гашения раствор контактов. При за­данной скорости их движения требуется и большее время для достижения необходимого раствора. В области боль­ших токов процесс гашения определяется электродинами­ческими силами. Чем больше ток, тем больше скорость растяжения дуги динамическими силами, тем меньше время, необходимое для достижения дугой критической длины.

Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рисунок 4 и рисунок 5), во всех кон­такторах на токи 100 А и выше такая система обязатель­но применяется. Дело в том, что наличие внешнего маг­нитного поля способствует быстрому перемещению опор­ных точек дуги на контактах, перегоняя ее на дугогасительные электроды — рога и тем самым уменьшая оплавление контактов. Как показали исследования, для каждого значения тока имеется свое оптимальное значение поля. При напряженности, большей оптималь­ной, наступает усиленный износ контактов за счет того, что жидкометаллический контактный мостик, образую­щийся в стадии размыкания контактов, уносится и рас­пыляется сильным магнитным полем.

 

 

Рисунок 5 - Зависимость времени дуги и силы, действующей на дугу, от величины отключаемого тока

 

Величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс гашения дуги только в области малых токов до 30 А. В области с токами выше 100 А, когда решающую роль играют электродинамические силы, величина пита­ющего напряжения практически не влияет на раствор контактов. Раствор контактов обычно берется (10—17)*10^-3 м и определяется условиями гашения малого тока.

Характер нагрузки отключаемой цепи также оказы­вает влияние только при малых токах в области, где га­шение дуги происходит за счет механического растяже­ния дуги. В области больших токов следует опасаться больших перенапряжений и повторных пробоев из-за резкого снижения тока к нулю при сильном магнитном поле.

В зависимости от способа создания магнитного поля различают системы с последовательным включением ка­тушки магнитного дутья (катушка тока), с параллель­ным включением катушки (катушка напряжения) и системы с постоянным магнитом.

В случае применения катушки тока она обтекается током, проходящим в отключаемой цепи. Если прене­бречь магнитным сопротивлением стали, то можно счи­тать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда можно преобразовать к виду:

 

F₁=k₁I².

 

Таким образом, сила, действующая на единицу длины дуги, пропорциональна квадрату тока.

Как было показано ранее, наиболее важно иметь не­обходимую величину магнитного поля для дутья в обла­сти малых токов. Система с катушкой тока обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой индукции магнитного поля (см. зависимость электродинамической силы от тока — кривая 4 рисунок 5). В результате гашение дуги получается малоэффектив­ным. На рисунке 5 изображена зависимость длительности горения дуги и электродинамической силы, действующей на нее, от тока для контактора на 150 А. Кривые времени дуги 1 — при отсутствии магнитного дутья; 2— при маг­нитной системе с катушкой тока. В последнем случае при токе 10 А длительность горения дуги достигает 0,09 с. Та­кая длительность горения дуги недопустима, так как возможно устойчивое горение без погасания.

Согласно опытным данным ток, надежно отключае­мый контакторами с катушкой тока, составляет 20—25% номинального тока аппарата.

Для надежного и быстрого гашения дуги в области малых токов применяются контакторы на небольшой ток (блок-контакторы) со сменными катушками магнитного дутья. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5—40 А. При малом отключаемом токе устанавливается катушка, имеющая большое число витков, благодаря чему созда­ется необходимое магнитное поле для гашения дуги за малое время.

Необходимо отметить, что за счет сильного магнит­ного дутья возможен резкий обрыв тока, что приводит к возникновению перенапряжений в сильно индуктивной цепи. Предельный ток, который может отключать блок-контактор, не должен превышать трехкратного значения номинального тока катушки магнитного дутья.

Достоинствами системы с катушкой тока являются:

1. Система хорошо работает в области токов свыше 100 А. При этих токах магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочих поверхностей контактов и обеспечивает малый их износ.

2. Работа системы не зависит от направления тока. При изменении направления тока меняет знак и магнит­ное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления.

3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Такая катушка механически прочна и не боит­ся ударов, возникающих при работе контактора. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта. Поэто­му к изоляции катушки не предъявляются высокие тре­бования.

Наряду с достоинствами эта система имеет и ряд недостатков:

1. Плохое гашение дуги при малых токах (5—7 А).

2. Большая затрата меди на катушку.

3. Нагрев контактов за счет тепла, выделяемого дугогасительной катушкой.

Несмотря на эти недостатки, благодаря высокой на­дежности при гашении номинальных и больших токов система с катушкой тока получила преимущественное распространение.

В параллельной системе катушка магнитного дутья подключается к независимому источнику питания. Маг­нитная индукция, создаваемая системой, постоянна и не зависит от отключаемого тока.

Сила, действующая на дугу согласно (**), пропор­циональна отключаемому току

 

F₂=k₂I

 

На рисунке 5 изображена эта зависимость (кривая 5) для случая, когда м. д. с. катушки тока при номинальном токе равна м. д. с. катушки напряжения. При токах от 0 до I_н сила, действующая на дугу, при катушке напряже­ния получается большей, чем при катушке тока, — пря­мая 5 идет выше параболы 4. Это позволяет резко сни­зить длительность горения дуги в области малых токов. При токах, больших I_н, сила, действующая на дугу, при катушке тока больше, чем при катушке напряжения. Однако для гашения это не имеет существенного значе­ния, так как решающими являются силы, возникающие в самом контуре дуги.

Зависимость времени гашения дуги от тока для си­стемы с катушкой напряжения приведена на рисунке 5 (кривая 3).

Поскольку в области малых токов катушка напряже­ния действует более эффективно, чем катушка тока, при одной и той же длительности горения дуги требуется меньшая м. д. с., что дает экономию. Однако ка­тушки напряжения имеют и ряд существенных не­достатков:

1. Направление электродинамической силы, действу­ющей на дугу, зависит от полярности тока. При измене­нии направления тока дуга меняет направление своего движения. Контактор не может работать при перемене полярности тока.

2. Поскольку, к катушке прикладывается напряжение источника питания, изоляция должна быть рассчитана на это напряжение. Катушка выполняется из тонкого провода. Близость дуги к такой катушке делает ее рабо­ту ненадежной (расплавленный металл контактов может попадать на катушку).

3. При коротких замыканиях возможно снижение на­пряжения на источнике, питающем катушку. В результа­те процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками системы с катуш­кой напряжения в настоящее время применяются только в случаях, когда необходимо отключать небольшие то­ки — от 5 до 10 А. В аппаратах на большие силы тока эта система не применяется.

Система с постоянным магнитом по существу мало отличается по своей характеристике от системы с катуш­кой напряжения. Магнитное поле создается за счет по­стоянного магнита. По сравнению с системами, где поле создается обмот­ками, постоянный магнит имеет ряд преимуществ:

1. Нет затраты энергии на создание магнитного поля;

2. Резко сокращается расход меди на контактор;

3. Отсутству­ет подогрев контактов от катушки, как это имеет место в системе с катушкой тока;

4. По сравнению с системой с ка­тушкой напряжения система с постоянным магнитом об­ладает высокой надежностью и хорошо работает при лю­бых токах.

В силу своих преимуществ эта система, оче­видно, в дальнейшем будет широко использоваться. Магнитное поле, действующее на дугу, создает силу, которая перемещает дугу в дугогасительную ка­меру. Назначение камеры — локализовать область, занятую раскаленными газами дуги, препятствовать пе­рекрытию между соседними полюсами. При соприкосно­вении дуги со стенками камеры происходит интенсивное охлаждение дуги, что приводит к подъему вольт-ампер­ной характеристики и успешному гашению. Исследования О. Б. Брона показали, что в качестве материала необходимо применять дугостойкую керамику.

Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рисунок 6,б). Благодаря увеличению длины дуги и хо­рошему тепловому контакту дуги со стенками камеры происходит ее эффективное гашение. По сравнению с обычной продольной щелью (рисунок 6, а) зигза­гообразная щель уменьшает количество выброшенных из камеры раскаленных газов и, следовательно, зону вы­хлопа.

 

Рисунок 6 - Дугогасительные камеры контакторов постоянного тока