Токоведущая система выключателя состоит из ряда металлических (обычно из меди или ее сплавов) частей, соединенных либо жестко, либо посредством скользящих или размыкающихся контактов и образующих при включенном выключателе непрерывную токоведущую цепь между двумя выводами каждого полюса.
Под жестким контактным соединением понимается такое соединение двух токоведущих частей, при котором их соприкасающиеся поверхности взаимно не перемещаются при работе выключателя. Контактное нажатие при этом осуществляется посредством резьбового соединения, болтов, заклепок и т. п.
Под скользящим (токоснимающим) контактом понимается такое соединение двух токоведущих частей, при котором их соприкасающиеся поверхности взаимно перемещаются при работе выключателя, при сохранении их взаимного нажатия, осуществляемого посредством пружин.
Под размыкающимся контактом понимается такое соединение двух токоведущих частей, которое позволяет их разъединять и соединять в процессе работы выключателя. Контактное нажатие в этом случае, как правило, также осуществляется посредством пружин.
Рассмотрим работу токоведущей системы при нормальном и аварийном режимах.
а) Нормальный (рабочий) режим.
Токоведущая система обладает известным электрическим сопротивлением, зависящим от материала, длины и поперечного сечения проводников, а также от конструкции контактов и величины контактных давлений. Поэтому при протекании тока все элементы контактной системы нагреваются тем больше, чем больше ток. Одновременно с нагревом идет процесс охлаждения путем отдачи тепла в окружающую среду (воздух, масло, соседние металлические и изоляционные части). Через некоторое время (обычно несколько часов) после начала протекания тока устанавливается тепловое равновесие, при котором количество тепла, выделяемого током в данном проводнике в течение каждой секунды, равно количеству тепла, отдаваемого проводником наружу. В соответствии с этим устанавливается и постоянная температура проводника, превышающая температуру воздуха, окружающего выключатель, на определенную величину, называемую превышением температуры.
Каждый выключатель рассчитывается на определенный ток, при котором он может длительно работать («номинальный ток выключателя»).
При выборе размеров и конструкции элементов токоведущей системы учитывается, с одной стороны, необходимость выбора возможно меньших поперечных сечений проводников и размеров контактных частей с точки зрения экономии металлов, а с другой стороны — необходимость ограничения превышения температуры во избежание порчи как самих токоведущих частей (отжиг, окисление контактов и пр.), так и окружающих изоляционных материалов.
Стандартом (ГОСТ 8024-56) установлены нормы максимально допустимого нагрева для проводников, контактов и контактных соединений, входящих в состав токоведущей системы выключателя. Наибольшие допустимые температуры нагрева при длительном протекании тока установлены следующие:
- Для токоведущих частей, неизолированных (голых) или соприкасающихся с керамической изоляцией 110
- Для токоведущих частей, изолированных или соприкасающихся с пропитанной органической изоляцией в воздухе............................................................... 95 С
- Для токоведущих частей, изолированных или соприкасающихся с погруженной в масло органической изоляцией 90 С
- Для голых токоведущих частей, находящихся в масле 90 С
- Для жестких контактных соединений из меди и ее сплавов без покрытия серебром 80° С
- Для подвижных контактов из меди и ее сплавов без покрытия серебром (скользящих и размыкающихся) 75’С
- Для жестких контактных соединений и подвижных контактов из меди и ее сплавов с гальваническим покрытием серебром 85 С
- Для жестких контактных соединений и подвижных контактов из серебра или с накладными припаянными серебряными пластинами . . 90° С — в масле и 100° С — в воздухе
Одновременно установлены нормы нагрева также и для нетоковедущих металлических частей и изоляционных частей, а именно:
- Для нетоковедущих металлических частей, неизолированных (голых) или соприкасающихся с керамической изоляцией, а также и для керамической изоляции .............................. 110° С
- Для нетоковедущих металлических частей, изолированных или соприкасающихся с пропитанной органической изоляцией в воздухе . . . 95° С
- Для нетоковедущих металлических частей, изолированных или соприкасающихся с погруженной в масло органической изоляцией 90° С
- Для трансформаторного масла . .75° С
Температура нагрева токоведущих частей зависит как от величины тока, так и от температуры окружающего выключатель воздуха. Очевидно, что при одном и том же токе, а следовательно, при одном и том же превышении температуры, температура нагрева будет тем выше, чем выше температура окружающего воздуха.
При конструировании и испытаниях выключателей за исходную наивысшую температуру окружающего воздуха принимают согласно стандарту +35° С. Поэтому, если выключатель предназначен для работы при температуре окружающего воздуха, превышающей указанную величину, должна быть соответственно снижена величина рабо- го тока по сравнению с номинальным током выключали.
б) Аварийный режим.
В случае возникновения в электрической цепи короткого замыкания через токоведущую систему включенного выключателя начинает проходить к (сквозной ток короткого замыкания), который может несколько десятков раз превышать номинальный ток выключателя. При этом элементы контактной системы и изоляционные части подвергаются сильному тепловому (термическому) и механическому (электродинамическому) воздействиям. Способность выключателя выдерживать эти воздействия называется устойчивостью выключателя при сквозных токах короткого замыкания.
Термическое действие тока короткого замыкания заключается в выделении большого количества тепла как в проводниках, так и в контактах. В отличие от условий нагрева при длительном протекании рабочего тока, когда часть выделяемого в токоведущей системе тепла передается в окружающее пространство, — в данном случае вследствие кратковременности прохождения тока короткого замыкания (не более нескольких секунд), все выделяемое тепло практически остается в элементах токоведущей системы.
В контактах и контактных соединениях всегда имеется так называемое переходное сопротивление, зависящее главным образом от величины контактного давления, а также от материала контактов, формы и состояния контактных поверхностей. В скользящих и размыкающихся контактах переходное сопротивление может оказаться довольно значительным, в связи с чем места перехода тока (контактные точки) сильно перегреваются, что может привести к оплавлению контактов, разбрызгиванию металла и даже к привариванию контактов, что, конечно, недопустимо.
Таким образом, к контактам выключателя предъявляется требование, выражающееся в том, чтобы они в результате термического действия тока короткого замыкания не выходили из строя, а оставались работоспособными.
Что касается других элементов токоведущей системы, то их чрезмерный нагрев при прохождении токов короткого замыкания может вызвать уменьшение их механической прочности, окисление и пр. В связи с этим стандартом на выключатели (ГОСТ 687-41) установлены предельные температуры токоведущих частей при кратковременном нагреве токами короткого замыкания, а именно:
1. Для токоведущих частей, неизолированных (голых) или соприкасающихся с керамической изоляцией:
а) из меди или ее сплавов ...................................... 300° С
б) из алюминия ....................................................... 200° С
в) из стали .............................................................. 400° С
- Для токоведущих частей, изолированных или соприкасающихся с пропитанной или погруженной в масло органической изоляцией, а также для голых токоведущих частей в масле:
а) из меди или ее сплавов ...................................... 250° С
б) из алюминия ....................................................... 200° С
в) из стали ............................................ 250° С
Как видно из приведенных данных, допустимые предельные температуры при кратковременном нагреве током короткого замыкания значительно выше допустимых температур при длительном нагреве.
Для суждения о способности того или иного выключателя выдерживать термическое действие тока короткого замыкания (термическая устойчивость выключателя) необходимо, очевидно, знать не только величину этого тока, но и время его прохождения или, иначе говоря, знать общее количество выделенного тепла. Последнее зависит от произведения квадрата тока на время его прохождения. Это время, в свою очередь, зависит от уставки времени защитных реле, подающих команду на отключение участков цепи, в которых возникло короткое замыкание; оно может колебаться в пределах от десятых долей секунды до нескольких секунд.
Для каждого типа выключателя заводом-изготовителем задается расчетный ток термической устойчивости для определенного промежутка времени (в СССР — 10 сек), т. е. наибольший ток короткого замыкания, который выключатель во включенном положении может выдержать в термическом отношении в течение данного промежутка времени.
Поскольку, как указано выше, время протекания тока короткого замыкания может быть различным, то для определения допустимого тока термической устойчивости для других промежутков времени (в известных пределах) производят пересчет, исходя из того, что произведение квадрата тока на время его протекания при этом не должно изменяться.
Электродинамическое действие тока короткого замыкания заключается в том, что каждый элемент обтекаемой током токоведущей системы испытывает механические усилия (распределенные по длине электродинамические силы) от другого элемента системы, которые стремятся его деформировать в направлении, перпендикулярном направлению тока в этом элементе.
При больших токах короткого замыкания указанные электродинамические усилия могут составлять десятки и даже сотни килограммов и создавать опасные ломающие усилия как в самих токоведущих частях, так и в связанных с ними изоляционных и других деталях.
В скользящих и размыкающихся контактах возникают, кроме того, электродинамические усилия, направленные обычно так, что они уменьшают контактное нажатие, увеличивая переходное сопротивление контактов и тем самым количество выделяемого в них тепла.
В связи с возможными опасными последствиями электродинамического действия тока короткого замыкания для механической прочности выключателя и для его контактов заводом-изготовителем задается для каждого типа выключателя предельный сквозной ток, т. е. наибольший ток короткого замыкания (выражаемый его начальным значением), который выключатель выдерживает во включенном положении без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.
