Контакт означает касание, соприкосновение. Электрическим контактом называется место соприкосновения двух или нескольких проводников между собой, через которое электрический ток проходит из одной цепи в другую. Детали, находящиеся в соприкосновении, принято называть контактными частями или контактами. В электрических цепях контактами называют каждый из соприкасающихся проводников контактного соединения.
По своему назначению и условиям работы контакты можно разделить на две основные группы неразмыкаемые и размыкаемые. Неразмыкаемые контакты в свою очередь делятся на: неподвижные (жесткие) контакты, в которых отсутствует перемещение контактных частей относительно друг друга и которые служат для соединения проводов и шин (рис. 1), ответвлений от них, выполняемых сваркой и при помощи пружинных болтовых соединений;
Рис. 1. Неразмыкаемые контактные соединения — подвижные контакты, в которых имеет место скольжение или качение одной контактной части относительно другой.
На рис. 1. приведены болтовые соединения, выполненные внахлестку (а), внахлестку с изгибом шины "уткой" (б), встык с помощью накладок (в), внахлестку с помощью сжимов (г). Сварка обеспечивает более надежные по сравнению с болтовыми контактные соединения шин и, следовательно, повышает надежность ошиновки в целом. Сварные соединения по сравнению с болтовыми менее трудоемки и более экономичны, поскольку требуют меньше шин из-за выполнения соединений встык. Поэтому сварку шин следует применять во всех случаях, за исключением тех, когда по условиям эксплуатации необходимо иметь разъемные соединения.
Рис. 2. Виды контактных поверхностей
По конструктивному выполнению различают контакты: плоскостные пружинные рубящего типа, состоящие из пружинящих контактных стоек 1 (рис. 3, а), подвижного контакта го ножа 2 и стальной пружины 3, обеспечивающей при необходимости дополнительное давление в контактах;
торцевые, имеющие в качестве контактных частей: плоско-торец стержня, стержень-стержень; труба-труба; плоскость трубы (рис. 3, б), где подвижный контакт 2 выполнен в виде медной трубы со съемными латунными наконечниками, а неподвижный контакт 1 также со съемным наконечником, соединен с корпусом 6 гибкими связями 3; пружина 4 создает необходимое контактное давление и предотвращает жесткие удары при включении, когда оба контакта продолжают двигаться вверх по направляющему стержню 5, сжимая пружину, упирающуюся в изолирующую пластмассовую шайбу 7;
Рис. 3. Конструкции размыкаемых контактов
— розеточные с гибкими связями (рис. 3, в), состоящие из нескольких контактных сегментов 1, снабженных пружинами 2 и соединенных токоведущими связями 5 с контактодержателем 6; пружины, упираясь в кольцо 3, прижимают сегменты к подвижному контакту 4, диаметр которого несколько больше внутреннего Диаметра сжатой розетки;
розеточные без гибких связей (рис. 3, г), обеспечивающие электрическую связь подвижного контакта 3 с контактодержателем 1 через контактные сегменты 2, нижние выступы 4 которых при включении упираются в кольцевую выточку контактодержателя;
пальцевые, имеющие контактные латунные пальцы 2, закрепленные на гибких токоведущих пластинах 3 и прижимаемые плоскими стальными пружинами 4 к клинообразному контактному ножу 1.
По назначению бывают контакты:
рабочие, рассчитанные на длительное протекание рабочих токов нагрузки;
дугогасительные, включаемые параллельно рабочим контактам и предназначенные для разрыва электрической дуги при размыкании цепи и защиты рабочих контактов от дуги.
При наличии рабочих и дугогасительных контактов у отключающих аппаратов подвижную, систему выполняют так, чтобы при отключении сначала расходились рабочие контакты, а дугогасительные некоторое время оставались замкнутыми, а затем разрывали цепь, образуя дугу, сохраняя при этом дорогостоящие массивные рабочие контакты. Процесс включения проходит в обратном порядке, первыми замыкаются дугогасительные контакты, затем — рабочие.
Качество контакта в значительной степени характеризуется его электрическим соприкосновением, так как от величины последнего зависит нагрев контакта в нормальном режиме и при протекании тока короткого замыкания. Чрезмерный перегрев контактов может привести к их разрушению и тяжелой аварии.
Анализ соприкосновения двух хорошо обработанных и пригнанных друг к другу плоских контактов показывает, что в действительности контакты соприкасаются не по всей поверхности, а только в небольшом числе точек. Объясняется это тем, что на поверхности даже тщательно, обработанных металлических контактов остаются микроскопические выступы и впадины, как это показано в сильно преувеличенном виде на рис. 4. При отсутствии силы нажатия плоские контакты обычно соприкасаются в одной-трех точках, в зависимости от их конструкции.
Предположим, что при наложении контакты соприкасаются только в одной точке. При сжатии контактов некоторой силой F, вершины бугорков, по которым они соприкасаются, несколько сомнутся и образуется небольшая площадка о действительного касания контактов (рис. 4, а). Увеличение сжимающей силы до F2 приводит к еще большему смятию бугорков, к сближению контактов и возникновению новых дополнительных площадок касания б (рис. 4, g). Таким образом, действительная площадь соприкосновения контактов, равная сумме элементарных площадок касания, очень невелика и во много раз меньше полной контактной поверхности.
Электрическое сопротивление неокисленного контактного соединения в основном обусловлено сильным сужением пути протекания тока в непосредственной близости к местам перехода с одного контакта на другой вследствие малых размеров площадок, через которые протекает ток. Сказывается также увеличение средней длины пути тока.
Рис. 4. Вид контактных соединений:
а — до сжатия; б — после сжатия
Термическая ионизация — это процесс образования свободных электронов и положительных ионов при столкновении нейтральных частиц газа, попадающих в область дуги с температурой выше 5000°С и приходящих в быстрое беспорядочное движение.
Термоэлектронная эмиссия — процесс испускания электронов с поверхности накаленного катода, когда его температура достигает величины, необходимой для преодоления электронами потенциального барьера на поверхности раздела катод — газ. С повышением температуры катода скорость движения электронов внутри его возрастает и для некоторых из них становится достаточной для преодоления потенциального барьера.
Разогрев катода происходит в первый момент отключения электрической цепи, когда растет переходное сопротивление контактов и увеличивается потеря энергии в них. В дальнейшем температура контактов поддерживается и даже возрастает в результате бомбардировки поверхности катода положительными ионами, которые имеют в отличии от электронов большую массу, что способствует выделению при ударах значительного количества тепловой энергии.
Несмотря на высокую электрическую проводимость дуги, распределение напряжения вдоль ее столба неодинакова, что видно на рис. 5. Вблизи электродов наблюдается резкое изменение напряжения:
катодное падение напряжения UK в катодном пространстве /а = 10"6 м имеет постоянную величину, равную приблизительно 10- 20В, и зависит от температуры, материала катода и среды, в которой горит дуга;
анодное падение напряжения Е/а в анодной зоне /а = 10"6 м обычно меньше катодного U., в большой степени зависит от тока в дуге и при больших токах близко к нулю;
падение напряжения в столбе дуги Ua пропорционально длине столба /ст и для воздуха (при нормальном давлении) составляет 0,1 + 0,3 В/м.
Область катодного падения напряжения UK, несмотря на очень тонкий слой, играет важную роль в процессе образования и поддержания дуги. Дуга между электродами может существовать только в том случае, если приложенное к ним напряжение больше катодного падения напряжения. U при определенных условиях (при больших токах и короткой дуге) могут иметь весьма малые величины, стремящиеся к нулю. В длинной дуге высокого напряжения Uk имеет ничтожно малое значение по сравнению с Ua.
Деионизация дугового промежутка является процессом противоположным ионизации, т.е. представляет собой процесс образования нейтральных атомов из электронов и положительных ионов или удаления заряженных частиц из дуги в окружающую среду. Деионизация происходит путем рекомбинации и диффузии ионов.
Рис. 5. Распределение напряжения вдоль электрической дуги
Рекомбинация или воссоединение заряженных частиц происходит в дуговом столбе, где электрон, как более подвижная частица (скорость движения электронов примерно в 1000 раз больше скорости Движения ионов) сначала заряжает нейтральную частицу (как бы "прилипает" к ней при соударении), в результате образуется отрицательный ион. Затем отрицательно и положительно заряженные ионы, имеющие примерно равные массы и скорости движения, процесс перемещения дуги под влиянием массы из магнитного материала. Магнитное дутье широко применяется для гашения дуги в аппаратах постоянного и переменного тока. Оно основано на том, что ток в дуге, взаимодействуя с внешним магнитным полем, отклоняет дугу. Усилие F, действующее на дугу, перемещающие ее вверх по рогам контактной системы, создается магнитным полем между полюсами с напряженностью Н. Магнитный поток в свою очередь создается током I, протекающим по катушке магнитного дутья.
Гашение электрической дуги путем дробления ее на несколько коротких дуг рядом последовательно расположенных металлических пластин (рис. 8, а). В этом случае каждая пара пластин представляет собой катод-анод, в каждой дуге образуется катодная зона со сравнительно большим падением напряжения, что способствует гашению дуги. Металлические пластины снижают также температуру дуг, замедляя процесс ионизации.
Гашение электрической дуги с использованием многократного разрыва электрической цепи показано на рис. 8, б и в. Общая длина последовательных дуг значительно больше длины одной дуги и каждую дугу можно гасить, используя указанные выше методы, что обеспечивает эффективное отключение. На рис. 8, б представлена схема отключения электрических цепей напряжением до 35 кВ, на рис. 8, в — более высокого напряжения (110 кВ и выше).
Рис. 8:
а — дробление электрической дуги; бив — образование нескольких последовательных дуг
Гашение электрической дуги в вакуумной камере осуществляется благодаря тому, что давление газа составляет 10'4-- 10"5 Па и ионизация его при расхождении контактов практически отсутствует, поэтому после прохождения переменного тока через нуль дуга не восстанавливается.
