Zużycie styków elektrycznych

Podczas pracy styki przełączające są często włączane i wyłączane. Prowadzi to do zużycia. Dopuszcza się zużycie styków, aby nie powodowało awarii urządzenia do końca okresu eksploatacji.

Zużycie styków to zniszczenie powierzchni roboczej styków wraz ze zmianą ich kształtu, wielkości, masy oraz zmniejszeniem zanurzenia.

Nazywa się zużycie styków elektrycznych, które występuje pod wpływem czynników mechanicznych zużycie mechaniczne... Styki odłączników narażone są na zużycie mechaniczne — urządzenia, które otwierają obwód elektryczny bez obciążenia. Zużycie objawia się zgniataniem i spłaszczaniem styków końcowych oraz zużyciem powierzchni styku nacięć.

Aby zmniejszyć zużycie mechaniczne, ruchome lub nieruchome styki są wyposażone w sprężynę, która dociska styk do oporu w pozycji wyłączonej urządzenia, eliminując możliwość wibracji styków.W pozycji włączonej styk, który ma sprężynę, odsuwa się od ogranicznika, a sprężyna dociska styki do siebie, zapewniając docisk styku.

Najbardziej intensywne zużycie występuje pod wpływem czynników elektrycznych, w obecności obciążenia prądowego. Zużycie to nazywane jest zużyciem elektrycznym lub erozją elektryczną.

Najczęstszą miarą zużycia styków elektrycznych jest utrata objętości lub masy materiału styków.

Styki przeznaczone do przełączania obwodów elektrycznych pod obciążeniem podlegają zużyciu mechanicznemu i elektrycznemu. Ponadto styki zużywają się w wyniku tworzenia się na ich powierzchni warstw różnych związków chemicznych pochodzących z materiału styków z otoczeniem, co nazywa się zużyciem chemicznym lub korozją.

Kiedy obwód elektryczny jest komutowany z obciążeniem elektrycznym, na stykach dochodzi do wyładowania elektrycznego, które może przekształcić się w potężne łuk elektryczny.

Zamknięcie procesu zużycia

Gdy styki stykają się w trakcie ich zamykania, styk sprężynowy jest odrzucany do tyłu pod wpływem sił sprężystych. Może występować kilka odrzuceń styków, tzn. obserwuje się drgania styków o tłumionej amplitudzie. Amplituda drgań maleje z każdym kolejnym uderzeniem. Czas odrzucenia jest również skrócony.

Drgania styków przy włączonym urządzeniu: x1, x2 — amplituda odrzuceń; t1, T2, T3 — strata czasu

Kiedy styki są wyrzucane, powstaje krótki łuk, który topi punkty styku i odparowuje metal. W tym przypadku w strefie kontaktu powstaje podwyższone ciśnienie par metali i styk „zawiesza się” w przepływie tych par.Wydłuża się czas zamknięcia styku.

Zużycie styków elektrycznych w stanie załączenia zależy od początkowego wciśnięcia w momencie styku styków, sztywności sprężyny wytwarzającej nacisk styków oraz właściwości fizycznych materiałów styków.

Wstępne pchnięcie styków w momencie ich zetknięcia — jest to siła, która przeciwdziała odrzuceniu styków w momencie zderzenia. Im większa ta siła, tym mniejsza będzie amplituda i czas odrzucenia, tym mniejsze będą drgania styków i ich zużycie. Wraz ze wzrostem sztywności sprężyny zmniejsza się odrzucanie styków i zmniejsza się zużycie styków.

Im wyższa temperatura topnienia materiału styku, tym mniejsze zużycie styku. Im większy prąd w przełączanym obwodzie, tym większe zużycie styków.

Otwarty proces zużycia

W momencie rozwarcia styków docisk styku zostaje zredukowany do zera. W takim przypadku rezystancja styku wzrasta, a gęstość prądu w ostatnim punkcie styku wzrasta. Punkt styku topi się, a między rozbieżnymi stykami tworzy się przesmyk (most) stopionego metalu, który następnie pęka. Pomiędzy stykami może wystąpić iskra lub łuk elektryczny.

Pod wpływem wysokiej temperatury podczas wyrzucania część metalu przesmyku stykowego odparowuje, część jest wyrzucana ze szczeliny stykowej w postaci rozprysków, a część jest przenoszona z jednego styku na drugi. Na stykach obserwuje się zjawiska erozyjne — pojawianie się na nich kraterów lub przywieranie metalu.Zużycie styków zależy od rodzaju i wielkości prądu, czasu palenia się łuku oraz materiału styków.

W przypadku prądu stałego przenoszenie materiału z jednego kontaktu do drugiego odbywa się intensywniej niż w przypadku prądu przemiennego, ponieważ kierunek prądu w obwodzie nie zmienia się.

Przy małych prądach erozja styków jest spowodowana zniszczeniem przesmyku stykowego nie w środku, ale bliżej jednej z elektrod. Częściej przerwanie przesmyku kontaktowego obserwuje się na anodzie - elektrodzie dodatniej.

Obserwuje się przeniesienie metalu na elektrodę dalej od punktu topnienia, zwykle katody. Przenoszony metal zastyga na katodzie w postaci ostrych występów, które pogarszają warunki styku i zmniejszają odstęp między stykami w stanie otwartym. Wielkość erozji jest proporcjonalna do ilości prądu przepuszczonego przez styki podczas wyładowania iskrowego. Im większy prąd i czas palenia się łuku, tym większa erozja styków.

Przy wysokich prądach w przemysłowych sieciach elektrycznych często występuje wyładowanie łukowe między otwartymi stykami. Zużycie styków łuku zależy od wielu czynników. Wśród nich można mścić następujące czynniki: napięcie sieciowe, rodzaj i wielkość prądu, natężenie pola magnetycznego, indukcyjność obwodu, właściwości fizyczne materiałów styków, częstotliwość przełączania cykli, charakter styku, szybkość otwierania styków.

Łuk elektryczny między stykami zapala się przy określonej wartości napięcia.W obecności urządzeń gaszących łuk, powodujących ruch łuku, łuk będzie mieszał się ze styków, gdy pojawi się przerwa międzystykowa 1 - 2 mm, która nie jest związana z wielkością napięcia. Dlatego zużycie styków jest praktycznie niezależne od napięcia. Minimalne wartości napięcia, przy których występuje łuk elektryczny dla wielu metali stosowanych jako styki, podano w tabeli. 1.

Tabela 1. Minimalne napięcie i prąd łuku dla wybranych metali

Parametry obwodu Materiał styków Au Ag Cu Fe Al Mon W Ni Prąd minimalny, A 0,38 0,4 0,43 0,45 0,50 0,75 1,1 1,5 Napięcie minimalne, V 15 12 13 14 14 17 15 14

Zużycie styków wzrasta wraz ze wzrostem prądu wyłączania. Zależność ta jest zbliżona do liniowej. Jednocześnie zmiana prądu prowadzi do zmiany zewnętrznego pola magnetycznego, co wpływa na charakter zużycia styków. Zużycie styków jest bardziej intensywne przy prądzie stałym, co jest związane z opóźnieniem w gaszeniu łuku. Przy prądzie stałym styki zużywają się nierównomiernie.

Ruch łuku w urządzeniach do gaszenia łuku odbywa się w polu magnetycznym wytwarzanym przez przewód z prądem. Wraz ze wzrostem siły pola magnetycznego wzrasta prędkość ruchu punktów odniesienia łuku. Jednocześnie styki mniej się nagrzewają i topią, a zużycie jest mniejsze. Jednakże, gdy pomiędzy otwartymi stykami występuje przesmyk stopionego metalu, wzrost natężenia pola magnetycznego zwiększa siły elektrodynamiczne, które mają tendencję do wyrzucania stopionego metalu ze szczeliny stykowej.Prowadzi to do zwiększonego zużycia styków.

Na zużycie styków wpływa indukcyjność obwodu, ponieważ jest ona związana ze stałą czasową obwodu i szybkością zmian prądu. W obwodzie stałoprądowym zwiększenie indukcyjności może zmniejszyć zużycie, gdy styki są zamknięte, ponieważ prąd rośnie wolniej i nie osiąga swojej maksymalnej wartości, gdy styki opadają.

W obwodzie prądu przemiennego zwiększenie indukcyjności może zwiększać i zmniejszać zużycie zwarciowe. To zależy od tego, kiedy kontakty zostaną odrzucone. Gdy styki się otwierają, indukcyjność obwodu wpływa na zużycie, jeśli wpływa na prąd i czas wygaszenia łuku.

Większe zużycie obserwuje się w przypadku styków wykonanych z czystych materiałów stykowych (miedź, srebro) i znacznie spada w przypadku styków wykonanych ze stopów z elementami ogniotrwałymi (miedź — wolfram, srebro — wolfram).

Srebro ma stosunkowo wysoką odporność na zużycie przy prądach do 63 A, przy prądach 100 A i wyższych odporność na zużycie maleje, a przy prądach 10 kA staje się jednym z najmniej odpornych na zużycie materiałów.

Zużycie styków wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania. Im częściej urządzenie jest włączone, tym bardziej styki się nagrzewają i maleje ich odporność na erozję. Zwiększenie szybkości otwierania styków skróci czas wyładowania łukowego i zmniejszy zużycie łuku na stykach.

Parametry styków elektrycznych (zwarcie, rozwiązanie, nacisk) oraz charakter styku (styk punktowy lub płaski, styk zniekształcony) wpływają zarówno na zużycie mechaniczne, jak i zużycie elektryczne.Na przykład wraz ze wzrostem roztworu stykowego wzrasta ich zużycie, ponieważ zwiększa się uwalnianie energii cieplnej w cylindrze łukowym.

Zużyte styki elektryczne mogą prowadzić do słabego styku i utraty połączeń stykowych. Może to spowodować przedwczesną awarię urządzenia przełączającego. Na zużycie styków ma wpływ ich odrzucanie pod wpływem sił elektrodynamicznych.

Szterbakow E.F.