В условиях установившегося рабочего режима превышение температуры контактной площадки над средней температурой всего контакта невелико и обычно во внимание не принимается. При коротком замыкании токи резко возрастают и вместе с ними резко возрастает количество тепла, выделяемое в зоне контактной площадки. Время нагрева при к. з. так мало, что тепло из зоны площадки не успевает рассеяться в массе контакта или в окружающей среде. В результате, при температуре контактного соединения, не вызывающей опасений, температура в зоне площадки может повыситься до температуры плавления материала контакта, причем плавление часто происходит уже в первом полупериоде после начала аварийного режима.
Плавление контактной площадки способно привести к свариванию контактного соединения, и если сваривание возникает у выключателя, то последний не сможет разорвать аварийную короткозамкнутую цепь.
По данным ВЭИ, значение амплитуды сваривающего тока 1СВ при неподвижных контактах определяется формулой
где k — коэффициент, зависящий от материала контакта; для медной контактной пары k = 4100; FK — сила нажатия контактов, кгс.
Очень трудны условия работы контакта при включении короткозамкнутой цепи. Если включение происходит медленно, то медленно нарастает и сила нажатия в контактах, тогда как ток к. з. за очень небольшое время достигает максимального значения. При этом ток, безопасный для контактного соединения, находящегося в полностью включенном состоянии, в условиях неполного нажатия при включении вызовет сильное оплавление, что создаст благоприятные условия для сваривания контактов.
Очень быстрое включение также осложняет нормальную работу контактного соединения выключателя, так как при соударении контактов они вследствие упругости материала и контактных пружин часто отскакивают друг от друга, вибрируют, что приводит к образованию электрической дуги, резко увеличивающей износ контактов и вероятность их сваривания.
Заметим, что отброс контактов при включении и при отключении может являться также результатом действия электродинамических сил, всегда возникающих в контактных соединениях в связи с искривлением в них линий тока на участках, близких к контактной площадке (см. рис. 5.10).
В выключателях для облегчения режима работы контактов при включении широко распространено применение контактов с предварительным нажатием, т. е. с предварительно напряженной (сжатой) пружиной. В таких контактах сразу после соприкосновения при включении сила нажатия приобретает конечное значение. По данным ВЭИ, применение предварительного нажатия увеличивает сваривающий ток в два-три раза.
Процесс включения цепи, сопровождающийся образованием электрической дуги в результате отброса либо вибрации контактов или в результате пробоя промежутка между сближающимися контактами, сопровождается не только оплавлением, но и частичным испарением материала контакта. Однако возникающая при включении выключателя дуга существует непродолжительное время, и поэтому разрушение материала контакта относительно невелико.
Иначе обстоит дело при размыкании цепи, особенно при токах к. з. Электрическая дуга, длящаяся в процессе разрыва цепи несколько полупериодов, вызывает значительное разрушение материала контакта (дуговая эрозия), тем большее, чем больше энергия, рассеиваемая в зоне анодного и катодного падения напряжения, т. е. чем больше ток, приэлектродные падения напряжения и продолжительность горения дуги. Рассеиваемая энергия расходуется главным образом на испарение материала, причем пар вырывается с поверхности электродов столь интенсивно, что уносит (разбрызгивает) значительную массу расплавленного металла контакта.
Для иллюстрации интенсивности дуговой эрозии укажем, что, по опытным данным, медные контакты при эффективном токе в 12 000 а всего лишь за 0,017 сек теряют 1,49 г меди.
Задача уменьшения объемных и весовых потерь в контактах при отключении цепей со значительными токами к. з. настоятельно требует применения материалов с высокой теплотой испарения, таких, как графит, вольфрам, молибден. Однако эти материалы обладают высоким удельным сопротивлением, а графит и вольфрам, кроме того, весьма хрупки.
Несомненными преимуществами обладают металлокерамические материалы, сочетающие в себе высокую дугостойкость с относительно хорошей электропроводностью. Металлокерамические материалы представляют собой твердую смесь порошков двух несплавляющихся материалов. Наиболее распространенными композициями металлокерамики являются медь—вольфрам, серебро—вольфрам, серебро—никель, медь—графит и др.
Существенно, что дуговая эрозия композиции из вольфрама—меди (W — 70%, Сu — 30%) почти в четыре раза меньше эрозии медных контактов. Металлокерамику рекомендуется применять в виде облицовки контактной поверхности дугогасительных (разрывных) контактов аппаратов.
