Основные конструкции контактов

Разборные контакты. Такие контакты применяются для жесткого соединения между собой отдельных токоведущих частей. Конструкция должна обеспечивать надежное, неослабеваемое при эксплуатации прижатие контактных поверхностей и минимальное переходное сопротивление.

Рис. 4-6. Болтовые соединения шин

Характерные виды соединения плоских проводников (шин) приведены на рис. 4-6. Шины выгоднее скреплять несколькими меньшими болтами (рис. 4-6, б), чем одним большим (рис. 4-6, а). В первом случае обеспечивается большее число точек соприкосновения, чем во втором. Соединение по рис. 4-6, в обеспечивает большее число точек соприкосновения, чем соединение по рис. 4-6, б. При стягивании накладками (рис. 4-6, г) переходное сопротивление ниже, чем при стягивании сквозными болтами. Соединение пакетов шин рекомендуется выполнять по рис. 4-6, д, где число точек соприкосновения примерно в три раза больше и условия охлаждения лучше, чем при соединении по рис. 4-6, е.

В последние годы нашли распространение разборные соединения с переходными пластинами. Переходная пластина (прокладка) 1 (рис. 4-6, б}, располагаемая между контактирующими элементами, представляет собой легко деформируемую по объему металлическую (медную) фольгу, покрытую с каждой стороны легкоплавким составом (температура плавления 50 — 75°С). При сборке контактного соединения фольга за счет сжатия деформируется. При прохождении тока покрытие пластины вследствие нагрева плавится. В результате деформации и расплавления покрытия происходит полное пли частичное заполнение зазоров между макро- и макронеровностями контактирующих поверхностей. Физическая площадь контактирования существенно увеличивается (в пределе до 100% рабочей поверхности контакта). Тем самым уменьшается переходное сопротивление и значительно повышается его стабильность.

Круглые проводники могут соединяться между собой и с плоскими проводниками следующими способами. Концы проводников расплющиваются или снабжаются наконечниками, которые могут напаиваться, привариваться или плотно обжиматься. При токах до нескольких десятков ампер конец проводника может быть свернут в виде кольца (петли) и зажат болтом. Соединение может быть осуществлено при помощи концентрического зажима. Последнее соединение сложное, дорогое и применяется редко.

Коммутирующие контакты. Такие контакты являются основным элементом коммутационных аппаратов. В контактах на малые токи (до нескольких ампер) стремятся независимо от конструктивного исполнения иметь одноточечное контактирование, чтобы при малых нажатиях получить относительно высокое удельное давление в контактной точке. При сколько-нибудь значительных токах конструкция должна обеспечивать многоточечное контактирование.

Контактные узлы на средние и большие токи могут быть подразделены на рычажные, мостиковые, врубные, роликовые, торцовые, розеточные и могут выполняться одноступенчатыми и многоступенчатыми.

В одноступенчатом контакте контактная пара служит как для продолжительного проведения тока во включенном положении, так и для разрыва дуги при размыкании.

Рис. 4-7, а Одноступенчатые главные коммутирующие контакты

1, 1 ’ – основные контакты

Во многих аппаратах к контактам предъявляются противоречивые требования. Так, в автоматических выключателях контакты главной цепи (главные) должны обеспечивать продолжительное протекание номинальных токов во включенном положении, с одной стороны, и отключение без повреждения больших токов короткого замыкания — с другой. Для удовлетворения первого требования контакты должны иметь возможно меньшее переходное сопротивление, не изменяющееся при окислении поверхности. Для удовлетворения второго требования следует применять дугостойкие контактные материалы, которые имеют, как правило, высокие переходные сопротивления и не пригодны ввиду окисления для длительного проведения тока. Приходится применять многоступенчатые контактные системы из параллельно включаемых основных и дугогасительных контактов (рис. 4-7). Основные контакты выполняются из серебра и служат для продолжительного проведения тока, дугогасительные выполняются из дугостойких материалов и играют основную роль при включении и отключении аппарата. Замыкаются контакты в следующей очередности: сначала – дугогасительные, а затем основные. При размыкании очередность обратная: сначала размыкаются основные контакты, разрыва цепи не происходит, так как весь ток переходит в дугогасительные контакты, а затем размыкаются дугогасительные, на которых и возникает электрическая дуга.

Рис. 4-7, б двухступенчатые главные коммутирующие контакты

2, 2 ’– дугогасительные контакты

Иногда применяют систему из трех параллельных контактов: основных, промежуточных и дугогасительных. Промежуточные контакты служат для облегчения перехода тока из дугогасительных в основные (при замыкании) и обратно (при размыкании).

Рычажные контакты (рис. 4-8) применяются в аппаратах с поворотной подвижной системой. Как правило, оси вращения контакта O ₁ и подвижной системы О ₂ не совпадают. Кроме того, контакта касаются раньше, чем подвижная система достигает конечного положения. Вследствие этого при замыкании и размыкании происходит перекатывание и проскальзывание подвижного контакта по неподвижному, в результате начальная точка касания при замыкании, она же последняя точка касания и точка возникновения дуги при размыкании, оказывается смещенной по отношению к точке 2 конечного касания контактов.

Рис. 4-8. Рычажные контакты:
а, б, в – кинематика движения; г – к определению радиуса кривизны

Таким образом, поверхности, обеспечивающие продолжительное проведение тока и определяющие переходное сопротивление контакта, отдалены от места возникновения дуги. Проскальзывание контактов при достаточном контактном нажатии приводит к стиранию окисной пленки и грязи с поверхности контакта, т.е. к самоочистке контактов, и это позволяет применять медь в качестве контактного материала.

Проскальзывание при той шероховатости, которую обычно имеют поверхности контактов (в особенности, работавших), вызывает дополнительный дребезг контактов при их замыкании, а следовательно, и их повышенный износ. Ввиду этого появилась тенденция исключать или сводить к минимуму проскальзывание, сохраняя перекатывание.

Для того чтобы подвижный контакт мог перекатываться по неподвижному, центр вращения первого при перемещении по контактной поверхности второго должен описать развертку круга. Радиус кривизны неподвижного контакта (рис. 4-8, г) может быть вычислен из следующего приближенного уравнения:

где с – длина дуги АВ от начальной точки А до конечной В; а – расстояние от центра вращения подвижного контакта; а, – расстояние перемещения точки вращения подвижного контакта; a, b, c задаются конструктивно.

Отказ от проскальзывания требует повышения контактного нажатия для обеспечения работы аппарата в продолжительном и прерывисто-продолжительном режимах. При полном отсутствии проскальзывания и недостаточно высоком нажатии следует ожидать высокого перегрева медных контактов за счет постепенного окисления конечной контактной точки.

Рабочие поверхности рычажных контактов выполняются главным образом в виде плоскость – цилиндр, цилиндр – цилиндр.

Рычажные контакты требуют гибкой связи для присоединения к токоподводу, но, гибкая связь в ряде случаев является слабым местом контактной системы. Ее трудно осуществить на большие токи, механическая износостойкость ее оказывается ниже, чем других деталей.

Мостиковые контакты (рис. 4-9, а) применяются главным обрезом в аппаратах с прямоходовой подвижной системой. Гибкая связь отсутствует; что является достоинством конструкции, но зато требуется удвоенное контактное нажатие сравнительно с рычажными, так как число переходных контактов удваивается. У мостиковых контактов теоретически перекатывание и проскальзывание отсутствуют. Поэтому медные контакты здесь применяться не могут, а используются контакты из серебра или металлокерамики на базе серебра.

Рис. 4-9. Мостиковый контакты

Рабочие поверхности выполняются в виде плоскость – плоскость, плоскость – цилиндр, цилиндр – цилиндр, плоскость – сфера, сфера – сфера (при малых токах).

Врубные контакты (рис. 4-10). Простейшие из них на небольшие токи состоят из неподвижной контактной стойки 1, в которую входит подвижный контактный нож 2. Нажатие осуществляется за счет упругих свойств материала стоек (твердотянутая медь, специальная бронза), которым придается соответствующая форма. При перегреве, а также при частых включениях пружинящие свойства губок ослабляются и контакт нарушается. Для устранения указанного недостатка во врубных контактах на большие токи для получения более высоких и устойчивых нажатий применяют стальные пружины 3.

Рис. 4-10, а. Врубные контакты

В контактах по рис. 4-10, а соприкосновение происходит по линии. При том же нажатии здесь достигается большее удельное давление, чем при поверхностном контакте, и меньшее переходное сопротивление. Но и эта конструкция чувствительна к перекосам контактного ножа. Более совершенной является контактная система, изображенная на рис. 4-10, б. Здесь неподвижный контакт охватывается подвижными контактными ножами 2, имеющими цилиндрические выступы. Нажатие осуществляется стальными пружинами 3. При практически возможных перекосах линейный контакт в этой конструкции не нарушается.

Рис. 4-10, б. Врубные контакты

Рассмотренные конструкции находят широкое применение в рубильниках, переключателях, плавких предохранителях.

Рис. 4-10, в. Врубные контакты

В высоковольтных выключателях применяются контакты ламельные врубные (рис. 4-10, в). Подвижный контакт здесь выполняется из отдельных ламелей, их может быть несколько пар, неподвижный выполняется клинообразным. Подвижная система прямоходная. Ламели могут быть несамоустанавливающиеся или самоустанавливающиеся (рис. 4-10. в). В самоустанавливающейся конструкции ламель может всегда принять положение, обеспечивающее не менее двух контактных точек. Такая конструкция более совершенна и дает при равных нажатиях меньшее переходное сопротивление. Рассмотренные контакты могут выполняться на очень большие токи путем параллельного присоединения любого числа пар ламелей.

Розеточные контакты (рис. 4-10, г). Они состоят из контактного стержня 1 (подвижный контакт) и ряда сегментов 2 (ламелей) с пружинами 3, образующих неподвижный контакт. Розеточные контакты применяются преимущественно в качестве основных.

Рис. 4-10, г Розеточные контакты

Врубные и розеточные конструкции не могут отключать значительные токи. Возникающая при этом дуга нарушает контактные поверхности. На них появляются оплавления, контакт нарушается. Кроме того. резко возрастает усилие, необходимое для включения и выключения. Для отключения значительных токов применяют параллельное включение дуюгасительных контактов.

Роликовые контакты (рис. 4-11) служат для токосъема с неподвижных деталей (стержней) 7, перемыкаемых роликами 2. на подвижный контакт 3. Ролики как бы заменяют гибкую связь и широко применяются при больших ходах подвижного контакта и больших номинальных токах.

Рис. 4-11. Роликовые контакты

Торцовые контакты (см. рис. 4-9,6) выполняются в виде сплошных металлических стержней или полых труб. Контактные поверхности могут быть плоскими, сферическими или одна – плоской, а другая – сферической. Контакты имеют большое переходное сопротивление и требуют большого нажатия, поэтому применение их на большие номинальные токи затруднено. Они используются преимущественно как дугогасительные. Торцовые контакты требуют гибкой связи, роликового или другого токоподвода.

Торцевой контакт

Скользящие контакты. Эти конструкции осуществляют передачу тока без обрыва цепи с неподвижной контактной детали на подвижную. Они могут выполняться с рычажными, мостиковыми, роликовыми и другими контактами.

Разновидностью скользящего контакта является шарнирный контакт. Он одновременно обеспечивает и механическую связь между деталями. В аппаратах низкого напряжения скользящие соединения широко применяются в реостатах и контроллерах.

Герметичные контакты. Контакты обычных реле работают в среде атмосферного воздуха. Они загрязняются пылью, парами металлов, покрываются окислами, возникающими при химических реакциях под воздействием электрической дуги (искры), подвергаются влиянию различных атмосферных агрессивных газов, водяных паров. Все эти факторы понижают надежность их работы и износостойкость, особенно при малых токах и напряжениях, когда окисление контактных поверхностей может привести к прекращению проводимости контактов. Указанные явления можно ослабить или практически исключить, если поместить контакты в инертный газ или вакуум.

Одним из наиболее перспективных направлений усовершенствования контактных устройств (особенно на малые токи и напряжения) является разработка герметичных магнитоуправляемых контактов (МК) – герконов.

Рис. 4-12. Герметичный контакт

Простейшая конструкция МК (рис. 4-12) представляет собой стеклянный баллон 1 с заключенными в нем двумя электродами 2 и 3. Баллон заполнен инертным газом (азот, аргон, водород и т.п.) либо вакуумирован до остаточного давления 0,13—0,0013 Па. Электроды выполнены из магнитного материала (обычно пермаллоя) и являются одновременно и магнитопроводом. Концы электродов F в месте контактирования покрываются слоем какого-либо благо­родного металла (золото, палладий, радий либо их сплавы).

Управление МК осуществляется магнитным полем, которое может создаваться либо катушкой, либо постоянным магнитом 4. Магнитный поток Ф замыкается через электроды и воздушный зазор 5 (зазор контактов), замыкая контакты. Размыкание контактов осуществляется за счет упругих свойств электродов. Таким образом, электроды выполняют функции контакта, магнитопровода и пружины.

МК может выполняться также с размыкающим или переключающим контактами. Имеются МК с контактами, смачиваемыми ртутью, что обеспечивает их лучшее контактирование и большую коммутируемую мощность.

По своим техническим характеристикам МК приближаются к бесконтактным устройствам, обладая в то же время и всеми достоинствами контактных.

Они имеют высокое быстродействие (допускают частоту включений до 100 Гц), большой ресурс (10⁷—10⁹ срабатываний), высокую надежность, обеспечивают коммутацию весьма малых токов при малых напряжениях (единицы микроампер при напряжении несколько милливольт), могут применяться во взрывоопасной аппаратуре, допускают эксплуатацию при любом положении в пространстве и при большом диапазоне изменения температуры (от —60 до +125 °С).

Основными недостатками МК являются их сравнительно малая коммутационная (до 15—60 Вт) и перегрузочная способность и низкая электрическая прочность межконтактного промежутка.

Рис. 4-13. Герметичный силовой контакт – герсикон

В развитие указанного принципа и в целях повышения коммутационной способности разработаны магнитоуправляемые герметичные силовые контакты (МКС) — герсиконы. В отличие от герконов здесь применены различные детали для контактов и магнитопровода (рис. 4-13). Внутрь герметичной оболочки (плата 1, корпус 14 и крышка 9) введены полюсы 2 и 4 электромагнита. Один полюс обеспечивает жесткое крепление конца ферромагнитной пружины якоря 12, несущей подвижный контакт 10,.а второй, образует с этой пружиной рабочий зазор в цепи магнитопровода. Ферромагнитная пружина с наружной стороны шунтирована более тонкими ферромагнитными пружинящими пластинками 13, значительно увеличивающими общее сечение якоря электромагнита, но практически не повышающими противодействующее усилие. Это позволяет при относительно небольшой магнитодвижущей силе получить необходимое электромагнитное усилие. Магнитодвижущая сила создается катушкой 3, размещенной вне герсикона.

Контакты герсикона выполнены массивными с напайками из тугоплавкого материала. Подвод тока к подвижному контакту осуществляется посредством гибкой связи высокой проводимости. Неподвижный контакт 11 крепится на конце специального регулировочного винта 7, введенного внутрь герметичной оболочки. Такое крепление позволяет регулировать зазор, провал и контактное нажатие. Внешние зажимы 5 и 8 расположены вне герметичного корпуса.

Ниппель 6 служит для обеспечения откачки воздуха из герметичного корпуса и заполнения его защитным газом (смесь азота с водородом), обеспечивающим высокую электрическую прочность (до 3000 В).

Герсикон типа КМГ-12 на номинальный ток 6,3 А предназначен для работы в цепях с напряжением 380-440 В при частоте 50—60 Гц. Он способен включать ток 180 А и отключать ток 60 А. Износостойкость контактов при напряжении 380 В и частоте коммутаций 1200 включений и отключений в час -двигателя мощностью 1,1 кВт составляет более 10 млн. циклов срабатываний. Герсиконы обладают большим быстродействием — около 10 мс. Мощность, потребляемая катушкой контактора с герсиконом типа КМГ-12, не. превышает 2 Вт, что позволяет применять контактор в качестве выходного элемента логических устройств вместо более сложного тиристорного усилителя.

Дата добавления: 2014-10-15