Конспект урока на тему: Электрический аппарат электровоза. Контакт электрических соединений Условия возникновения электрической дуги и методы ее гашения.

Конспект урока на тему:
Электрический аппарат электровоза.
Контакт электрических соединений
Условия возникновения электрической дуги и методы ее гашения.
Электрическим аппаратом называют устройство, предназначенное для управления электрическим током. Его основные функции — это коммутация, регулирование и преобразование тока.
По назначению электрические аппараты классифицируются следующим образом:
– коммутационные аппараты, предназначенные для переключения электрических цепей; они могут быть индивидуальными — коммутирующими одну цепь, или групповыми —
коммутирующими несколько цепей одновременно.
К таким относятся реле управления, контакторы, реверсоры, рубильники, переключатели, кнопки, тумблеры, контроллер машиниста;– аппараты контроля и защиты; к ним относятся предохранители, автоматические выключатели, датчики;
– регулировочные — резисторы и реостаты, используемые для изменения тока при регулировании различных систем электровоза;
– прочие — клеммные рейки, штепсельные разъемы, розетки, патроны.
Дополнительно аппараты можно классифицировать:
– по наличию оболочки — на открытые, защищенные и герметизированные;
– роду тока — на аппараты постоянного и переменного тока;
– способу привода подвижного контакта (при его наличии) — с ручным, электромагнитным, электропневматическим, электродвигательным приводом.
В соответствии с ГОСТ 9219 электрические аппараты работают на электровозе в условиях повышенной вибрации, значительных колебаний температуры (от –50 до +70 °С) и напряжения, воздействия влаги, пыли, грязи, масла и др. Напряжение в силовой цепи
электровоза меняется от нуля до 2500 В. Номинальное напряжение в цепи управления составляет 50 В и допускается его снижение до 20 % от номинального значения. Номинальное давление сжатого воздуха для аппаратов управления устанавливается
5 МПа и допускается его колебание в пределах от 70 до 135 % от номинального значения, что важно для электропневматических контакторов и вентилей. Вибрации могут приводить к ослаблению болтовых соединений, обрыву проводов и ложным включениям и отключениям контактов аппаратов. Чтобы этого не произошло, крепежные элементы ставят с пружинными шайбами; на ряде аппаратов устанавливают шплинты, контргайки, шайбы с отгибающимися концами и др. Для того чтобы исключить ложное срабатывание аппаратов, подвижные части, имеющие пружины невысокой жесткости, балансируют, т.е. регулируют таким образом, чтобы масса подвижных частей относительно оси вращения распределялась равномерно. Часть аппаратов устанавливают на амортизаторах. Наиболее чувствительные и точные аппараты закрывают кожухами . Надежный электрический контакт токоведущих частей аппаратов обеспечивается специальным монтажом проводов, исключающим возможность их перемещения при вибрации. Детали из меди или медных сплавов покрывают оловом (лудят) или красят эмалями и лаками, за исключением рабочих контактов. Детали, изготовленные из черных металлов, оцинковывают или окрашивают, а иногда хромируют или никелируют. Стальные оси шарнирных соединений выполняют, как правило, без покрытий, но в соединение запрессовывают втулку из латуни или бронзы.
Контакт электрических соединений
У коммутационных аппаратов различают контакты главные (силовые) и вспомогательные (блокировочные). Главные контакты предназначены для соединения источников электрической энергии с потребителями, а блокировочные обеспечивают заданный
логический алгоритм работы схемы управления. В зависимости от формы соприкасающихся поверхностей контакты разделяют на три типа: точечный, линейный и плоскостной (рис. 9.1).

В зависимости от конструктивного исполнения контакты могут быть перекатывающиеся, пластинчатые, скользящие, мостиковые и клиновые (рис. 9.2).
Перекатывающимися выполняют главные контакты контакторов; их вспомогательные контакты делают скользящими или мостиковыми. Кроме того, в реверсорах барабанного типа используются скользящие контакты как главные. Пластинчатые контакты применяются в маломощных реле, а клиновые — в рубильниках.

Основные параметры, характеризующие работу подвижного контактного соединения, следующие: конечное нажатие, начальное нажатие, зазор, провал. Сила, создаваемая контакт ной пружиной в точке конечного касания контактов, называется конечным нажатием. От конечного нажатия в значительной степени зависит нагрев контактов. Сила, создаваемая пружиной контакта в точке начального касания контактов, называется начальным нажатием. Пониженное значение начального нажатия приводит к вибрации подвижного контакта при замыкании, что может вызвать оплавление контактов;
увеличенное его значение — к нечеткому срабатыванию контакта и заклиниванию его в промежуточных положениях. Расстояние между контактами в их разомкнутом положении называется зазором (рис. 9.3, а). Большой зазор может не обеспечить нормального нажатия контактов, а малый может вызвать появление электрической дуги между ними. В процессе замыкания контактов происходит их относительное перемещение — скольжение и перекатывание. Процесс относительного перемещения и взаимодействия контактов от момента соприкосновения до конечного рабочего положения называется притиранием контактов. В замкнутом состоянии между контактами действуют значительные силы нажатия; в противном случае при вибрации или износе контактов невозможно было бы обеспечить их надежный контакт.Если неподвижный контакт убрать, то под действием силы нажатия подвижный контакт переместится на некоторое расстояние —«провалится» относительно плоскости их касания.

Соответственно провалом контактов называется расстояние, на которое переместится из замкнутого положения один контакт при удалении другого контакта. Чаще провал контактов определяют по повороту якоря, происходящему при перекатывании контактов (рис. 9.3, в).
Материалом контактов, как правило, служит электротехническая медь (марки М1), имеющая низкое сопротивление, достаточную механическую прочность и износостойкость. Медь с присадкой кадмия увеличивает износостойкость контактов. Медные контакты со временем покрываются слоем окислов, что увеличивает их переходное сопротивление.
Альтернативой меди при изготовлении контактов является серебро. Оно имеет сопротивление меньшее, чем медь, но значительно дороже меди и уступает ей по износостойкости. Серебряные контакты в виде тонких пластинок, напаянных на медные держатели, используются в отдельных аппаратах цепей управления электровозов.
Также в тяговой электроаппаратуре находят широкое применение металлокерамические контакты, представляющие композицию серебра с другими металлами (окись кадмия, никеля, вольфрама). Добавочное сопротивление протеканию тока через коммутационные контакты называется переходным сопротивлением контактов Rк. Оно обусловлено :1) наличием на поверхностях контактов окисных, сульфидных и кислородных пленок, которые создают сопротивление Rпл; окисные пленки образуются при взаимодействии материала контактов с кислородом, сульфидные — с сероводородом. Пленки имеют толщину до 10–5 мм и удельное сопротивление до 104 Ом·мм;
2) наличием сопротивления сужения Rс, которое обусловлено тем, что ток будет протекать не по всей поверхности контактов, а только по отдельным площадкам, называемым контактными пятнами; эти контактные пятна определяются микрогеометрией поверхностей контактов (рис. 9.4, а).
Переходное сопротивление контакта электрических соединений (электрическое сопротивление в контакте) зависит от материала, температуры и качества обработки соприкасающихся поверхностей и обратно пропорционально силе нажатия контактов Fк.

Для наиболее распространенных материалов контактов их переходное сопротивление может быть определено как:
Таблица 9.1
Значение коэффициента контактного сопротивления
Материал контактной пары ρк, 10–5 ОмНМедь—медь 0,8—1,4 Медь—медь луженая 1,0—1,8 Серебро—сплавы серебра 0,3—0,6 Сталь—сталь 73—77 Сталь—медь 3,6—3,8 Латунь—латунь 6,7—7,2 Металлокерамика—металлокерамика 2,6—3,3 Для точечного контакта m = 0,5, для линейного — m = 0,5—0,8,для плоскостного — m = 1.
При протекании тока через контакты они нагреваются, сопротивление Rк увеличивается и падение напряжения на них Uк возрастает. Зависимость переходного сопротивления
контактов от падения напряжения на них называется R—U-характеристикой контактов
(рис. 9.4, б). В какой-то момент времени под действием высокой температуры материал контактов размягчается, площадь контактных пятен увеличивается и падение напряжения на них уменьшается. Напряжение на контактах, при котором происходит размягчение
металла, называется напряжением размягчения Up.
При дальнейшем увеличении Uк возрастает Rк и температура контактов, которая в некоторый момент может достичь температуры плавления металла контактов. Под действием силы контактного нажатия площадь контактных пятен вновь увеличится, а сопротивление Rк уменьшится. Напряжение, соответствующее этому режиму, называется напряжением плавления Uпл.

Значение тока, при котором контактные пятна оплавляются, называется минимальным плавящим током. При этом токе происходит выброс расплавленного металла из зоны касания контактов и сваривание их, причем сила отрыва контактов друг от друга после
сваривания может достигать тысяч ньютонов.В процессе работы контактов — замыкания и размыкания —происходит их износ.При замыкании контактов перед их соприкосновением загорается дуга замыкания, под действием ко торой металл контактов испаряется. Кроме того, износ контактов при замыкании происходит еще и потому, что после соприкосновения имеет место некоторое притирание контактов, необходимое для частичного удаления пленок. При размыкании, уменьшение контактного нажатия сопровождается увеличением переходного сопротивления Rк, температура контактов растет и практически всегда достигает температуры плавления материала контактов. В результате между контактами образуется мостик жидкого металла, который быстро разрывается, а процесс разрыва имеет характер взрыва. Если ток и напряжение на контактах превышают допустимые значения, то загорается дуга отключения. Минимальные значения тока дугообразования через контакты I0 и падения напряжения дугообразования на контактах U0 для некоторых металлов приведены в табл. 9.2.
Даже при токах, меньших, чем I0, контакты подвергаются мостиковой эрозии. Эрозия контактов возникает из-за того, что жидкий мостик разрвается не посередине, а обычно ближе к аноду (контакту, соединенному с положительным полюсом источника напряжения). Некоторое количество металла разбрызгивается, остальное — возвращается на контакты: большая часть на катод, меньшая — на анод. В результате после многих отключений на катоде образуются наросты, выступы, на аноде — впадины, кратеры. Наиболее эффективный способ борьбы с мостиковой эрозией контактов заключается в подборе разных металлов для анода и катода, чтобы уменьшить тепловую несимметрию жидкого мостика.
К материалу контактов предъявляются требования, определяемые условиями работы конкретного аппарата. Для высокой надежности материал контактов должен обладать:
1) высокими электрической проводимостью, теплопроводностью, температурой рекристаллизации, температурой плавления;
2) умеренными плотностью, твердостью и упругостью;
3) низкими коэффициентом трения, термической и механической прочностью, химической неактивностью с окружающей средой.
Чистые металлы по своим свойствам не удовлетворяют всем указанным требованиям. Поэтому для изготовления контактов иногда используют сплавы металлов и металлокерамические материалы. Главные контакты электровозных контакторов
изготавливают из меди или из композитного материала (керамики и серебра);
вспомогательные контакты контакторов и контакты реле выполняются из меди, меди с серебряными контактными напайками и стали. Поскольку состояние контактов в аппаратах имеет по существу случайный характер, их необходимо периодически проверять.
Допустимые значения Uкд (Iном)для коммутирующих, разборных и неразборных контактных соединений приведены на рис. 9.5.

Условия возникновения электрической дуги и методы ее гашения.
Размыкание электрических цепей коммутирующими устройствами обычно сопровождается возникновением электрической дуги. В тяговых аппаратах дуга появляется при размыкании под током силовых цепей, а также цепей управления, особенно с большими индуктивностями.
Электрическая дуга представляет собой процесс прохождения тока в среде ионизированных газов при термическом характере их ионизации. Ствол дуги — это поток ионов, заряженных в основном отрицательно. Ствол можно рассматривать как своеобразный проводник, обладающий многими свойствами газов и, прежде всего, незначительной связью между отдельными частицами. Поэтому ствол легко деформируется под воздействием различных внешних факторов. Дуговой разряд в газовой среде характеризуется:
1) высокой плотностью тока в дуговом стволе (десятки-сотни А/мм2);
2) высокой температурой газа внутри дугового столба (у катода 6000—8000 К).
Для возникновения дуги необходима ионизация воздуха между контактами. В момент размыкания контактов воздух ионизируют электроны, вылетающие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, поскольку металл контактов в зоне жидкого мостика нагрет до высокой температуры. Под действием напряжения, действующего между контактами, электроны устремляются к аноду и выбивают из атомов воздуха электроны, превращая их в ионы. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, протекает лавинообразно.
Образовавшиеся ионы перемещаются к катоду и создают около него электрическое поле, под действием которого из металла катода также вырываются электроны. Это явление называется автоэлектронной эмиссией.
При горении дуги одновременно с ионизацией происходит рекомбинация, в результате которой электроны и положительные ионы образуют нейтральные атомы. В установившемся режиме горения дуги между процессами ионизации и рекомбинации существует равновесие. При снижении интенсивности ионизации (например, при охлаждении ствола дуги) начинает преобладать рекомбинация, число ионов и электронов уменьшается — и дуга гаснет.
Канал дуги условно делят на три зоны (рис. 9.6):
1) катодная зона; падение напряжения в этой зоне Uкз = 12—13 В, напряженность электрического поля Ест до 40 000 В/см;
2) ствол дуги; напряженность электрического поля Ест = 8—100 В/см.
3) анодная зона; падение напряжения в этой зоне Uа = 10—11 В.
Зависимость напряжения Uд от тока цепи дуги I называется вольтамперной характеристикой дуги. Различают статическую и динамическую вольтамперные характеристики дуги.

Статическая вольтамперная характеристика дуги соответствует ее установившемуся
состоянию при постоянной длине дуги Lст и постоянной поперечной скорости дуги (рис. 9.7). Обычно приходится иметь дело с динамическими характеристиками.
Динамическая вольтамперная характеристика дуги соответствует ее неустойчивому состоянию, когда скорость изменения тока (обычно его снижение), не позволяет установить в ней тепловой баланс. Динамическая характеристика дуги зависит прежде всего от параметров цепи, в ко торой дуга возникает. Так, при отсутствии или пренебрежимо малом значении индуктивности выключаемой цепи подведенное к ней напряжение (рис. 9.7, а)

Наибольший ток будет перед размыканием цепи Imax =Uн /R (рис. 9.7, б). Падение напряжения в дуге Uд изменяется по линейному закону, что определяется характером падения напряжения на сопротивлении R. Таким образом, при активном сопротивлении
цепи динамическая вольтамперная характеристика дуги имеет вид прямой. Она пересекает все статические характеристики, которые расположены ниже нее, т.е. в процессе выключения дуги она может иметь длины, соответствующие любой из пересекаемых статических характеристик. Предельно возможная — критическая— длина дуги Lкр соответствует точке соприкосновения статической и динамической характеристик. Очевидно, что значение Lкр будет изменяться при изменении Uн и R.
Реальная коммутируемая цепь, как правило, содержит индуктивность, которую не учитывать нельзя. В этом случае напряжение на коммутируемой цепи (рис. 9.7, а)
На основании вышеизложенного можно сформулировать основные задачи, которые необходимо решать, создавая системы управления дугой в тяговых аппаратах. Цель управления — осуществление коммутации цепей с минимальными перенапряжения-
ми. Для рассеивания дугой большого количества магнитной энергии, накопленной в элементах выключаемого контура, необходимо, чтобы в начале процесса выключения значение ек было большим, что обеспечивает интенсивное удлинение дуги и повышение
градиента падения напряжения в ней. В конце процесса выключения следует снижать значение ек. Увеличение индуктивности в цепи дуги повышает ее критическую длину Lкр, что обычно соответствует большему выделению энергии в ней.
Коммутационные свойства аппаратов постоянного и пульсирующего тока (в цепи возбуждения тягового генератора) можно существенно повысить, шунтируя дугу резистором (рис. 9.9). При этом одновременно снижаются коммутационные перенапряжения в цепи. После размыкания контакта контактора 1 падение напряжения на сопротивление Rш такое же, как и в дуге Д, а общий ток цепи i разделяется на ток дуги iд и ток шунта iш. Возникающая при коммутации ЭДС вытесняет ток в цепь шунта, что существенно ускоряет гашение дуги. Окончательно цепь может быть разомкнута контактом контактора 2 при меньших токах и напряжениях.
При размыкании низковольтных цепей необходимая вольтамперная характеристика дуги получается путем регулирования величины раствора контактов. Для надежного гашения дуги контактов, размыкающих цепи с большими значениями тока и напряжения, длина дуги настолько велика, что не представляется возможным выполнить необходимыйраствор контактов. В этом случае применяют специальные дугогасящие устройства,
обеспечивающие удлинение и охлаждение дуги — дугогасительные камеры.
Дугогасящее устройство с целью уменьшения износа контактов должно обеспечивать надежное и быстрое гашение дуги. Однако время гашения дуги должно быть таким, чтобы перенапряжения на контактах не превышали допустимого напряжения по электрической прочности изоляции аппарата и цепи. Обычно время гашения дуги составляет от нескольких сотых секунды до 0,1 с.
Основные методы гашения дуги при коммутации контактов:
1) растягивание ствола дуги расходящимися контактами;
2) перемещение и удлинение ствола дуги внешним магнитным полем, создаваемым специальными системами магнитного дутья;
3) охлаждение дуги в щелевых камерах, выполненных из термостойкого изоляционного материала, куда дуга затягивается внешним магнитным полем;
4) разбиение ствола дуги металлическими пластинами на ряд коротких участков, в результате чего растет напряжение на дуге и улучшаются условия теплоотвода от нее;
5) помещение контактов в трансформаторное масло;
6) выдувание дуги с контактов струей сжатого воздуха;
7) помещение контактов в вакуум.
На рис. 9.10 приведены переходные процессы в цепях, отключаемых контактами с разными дугогасительными устройствами. Из них следует, что использование масляных выключателей в цепях постоянного тока недопустимо из-за больших перенапряжений; масляные выключатели могут применяться в цепях переменного тока, где иные условия гашения дуги.
У электровозных низковольтных коммутационных аппаратов гашение дуги выполняется
растягиванием ее ствола расходящимися контактами; у силовых контакторов — удлинением ствола дуги внешним магнитным полем, создаваемым дугогасительной катушкой и охлаждением дуги в щелевых камерах.
Дугогасительная катушка (катушка магнитного дутья) 2 включается в цепь тока,
разрываемого главными контактами 1 контактора (рис. 9.11). Стенки дугогасительной камеры имеют стальные полюсные наконечники 5, замкнутые сердечником катушки 3. Между полюсами возникает магнитное поле, направление которого выбирают таким, чтобы дуга вытеснялась в дугогасительные рога 4. Под действием магнитного дутья и потоков нагретого воздуха внутри камеры электрическая дуга перемещается к концам дугогасительных рогов, удлиняясь и охлаждаясь, что приводит к быстрому ее гашению. Дугогасительные камеры изготовляют из материалов, обладающих высокой теплостойкостью и хорошими изолирующими свойствами. Они препятствует распространению электрической дуги на близко расположенные металлические части. Чтобы ускорить гашение дуги, дугогасительную камеру разделяют перегородками.