Теоретические сведения. До 1982 года в схемах питания и управления низковольтных энергопотребителей переменного тока с использованием асинхронных электродвигателей применялись

До 1982 года в схемах питания и управления низковольтных энергопотребителей переменного тока с использованием асинхронных электродвигателей применялись коммутационные аппараты (пускатели и контакторы) с открытым гашением дуги в магнитных полях и деионных решетках. Но эта аппаратура не отвечает требованиям, предъявляемым к современным силовым аппаратам. Основное требование к аппаратам заключается в согласовании механической и коммутационной износостойкости. Это необходимо во всех приводах и системах энергоснабжения.

По сравнению с классической контактной дугогасительной системой вакуумные имеют ряд преимуществ:

1. отсутствие необходимости обслуживания главных контактов;

2. меньшие размеры и масса по сравнению с аналогичными контакторами серий КТ, KM, SV, HR-VS, VS;

3. высокое быстродействие обусловлено малым ходом контактов;

4. низкий уровень шумов в рабочем состоянии;

5. снабжены электронной схемой управления;

6. возможна комплектация микропроцессорным блоком релейной защиты от короткого замыкания и несимметрии фаз, который устанавливается в удобном для контроля и программирования месте (до 50 м от датчиков) с соблюдением температурного режима.

Программирование микропроцессорного блока защиты осуществляется при помощи персонального компьютера через стандартный СОМ порт (программное обеспечение прилагается). Диапазон рабочих температур контакторов - от –45 до +60°С. Цепи управления могут комплектоваться по требованию Заказчика, В: - 24, 36, 50, 75, 110, 127, 220 постоянного тока; - 36, 110, 127, 220, 380 переменного тока. Напряжение питания микропроцессорного блока защиты, В (50 Гц) 100-240. Диапазон рабочих температур микропроцессорного блока, 0…+40°С.

Вакуумные контакторы переменного тока серии KBI предназначены для включения и отключения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Режимы работы продолжительный, прерывисто-продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

В настоящее время выпускаются контакторы общего применения. Готовятся к выпуску контакторы с повышенной механической стойкостью (для железнодорожного транспорта) и с дополнительными требованиями к коммутационным характеристикам для шахтеров угледобывающей промышленности (для коммутационной аппаратуры во взрывобезопасном исполнении).

Конструктивно контактор состоит из:

1. рычажного электромагнитного привода с возвратной пружиной (соотношение плеч рычага 1 к 3);

2. замыкающих контактов главной цепи;

3. замыкающих и размыкающих вспомогательных контактом

При обесточенных управляющих катушках под воздействием на приводной рычаг возвратной пружины контакты главной цепи находятся в разомкнутом состоянии. При подаче рабочего напряжения на управляющие катушки под воздействием магнитного поля рычаг притягивается к сердечникам катушек, включает контакты главной цепи и переключает вспомогательные контакты.

Контакты главной цепи - это дугогасительные вакуумные камеры серии КДВ-1. Дугогасительная камера состоит из герметичного металлокерамического корпуса, в который смонтированы неподвижный ввод и, через сильфон, подвижный вывод. Ввод и вывод снабжены контакт - деталями специальной конструкции.

Рабочее давление в полости камеры 10^-4 – 10^-6 мм рт. ст.

Разница между давлением внутри и с наружи камеры создает необходимое для нормальной работы контактора контактное нажатие, которое и определило выбор диаметра сильфона и соответственно диаметр подвижного и неподвижного выводов.

Контакт - детали симметричны и имеют следующую конструкцию:

1. два молибденовых кольца толщиной 2 мм,

2. между кольцами и внутри малого кольца находятся полости залитые сплавом " сурьма-олово" (олова 5% - остальное сурьма)

Такая конструкция контакт деталей обусловлена особенностями горения электрической дуги в вакууме.

При высоком вакууме (таком как в камерах серии КДВ1) средняя длина свободного пробега молекул газа значительно превышает размеры камеры и поэтому при приложении напряжения не возникает соударений, приводящих к ионизации среды.

Электрическая прочность вакуума больше электрической прочности соответствующего воздушного промежутка воздушного промежутка и составляет для камер КДВ1 величину не менее 5 кВ/мм при скорости восстановления электропрочности вакуумного промежутка - до 30 кВ/мкс. При рабочем напряжении 1140 В дуга между контактами погаснет при расстоянии между ними 0, 8 -1, 2 мм. Это и определило выбор рабочего хода подвижного электрода камеры примерно 2 мм.

При замкнутом состоянии контактов ток протекает не по всей поверхности, а по отдельным контактным точкам, количество которых зависит от контактного нажатия. При размыкании контактов число таких точек уменьшается, а последняя контактная точка при достижении плотности тока пороговой величины вытягивается в расплавленный металлический мостик, который под воздействием протекающего тока быстро нагревается до температуры кипения материала-контакта и испаряется. Металлический мостик рвется. В образовавшемся облаке паров металла возникает дуговой разряд. Под воздействием дуги материал контактов расплавляется и испаряется с выделением растворенной в материале газов. Испарившийся металл и выделившийся газ поддерживают горение дуги.

Процесс горения дуги в вакууме имеет некоторые особенности, в частности:

1. под воздействием сил, возникающих при взаимодействии протекающего тока с магнитным полем им создаваемым (собственное магнитное поле) происходит самофокусировка дуги с образованием катодного пятна.

2. электрическая дуга вообще не горит при токах, меньших пороговых значений, определяемых материалом контактов.

Это происходит потому, что дуга горит в парах металла - материала катода. При малом токе количества образующегося пара недостаточно для поддержания дуги и она гаснет. Устойчивость дуг и связана с характеристиками материала следующим образом:

где Т_К - температура кипения материала, лт - теплопроводность. Чем больше этот параметр (А) тем труднее нагреть материал до температуры парообразования, тем ниже устойчивость дуги.

Пороговые токи дуги А составляют: для вольфрама 1, 6; молибдена 1, 5; меди 1, 6; хрома 2, 5; железа 1, 5; висмута 0, 27; сурьмы 0, 3.

На переменном токе частотой 50 Гц пороговые токи дуги определяют величину тока среза, который составляет для вольфрама и молибдена 15 А, меди 5 А, у легколетучих материалов, таких как сурьма, висмут, цинк, бор и других он на порядок ниже.

Для поддержания горения дуги и тем самым увеличения времени ее существования в контактный материал добавляют легколетучие материалы.

На электрической дуге в вакууме падает 40 - 50 В. эта величина также определяется материалом электродов и не зависит от величины тока.

При снижении напряжения на электродах ниже этой величины при определенных условиях дуга гаснет.

Под воздействием силы Лоренца, возникающей при взаимодействии тока дуги с собственным магнитным полем тока, дуга непрерывно перемещается и стремится уйти в место с минимальной напряженностью электрического поля дуга по кратчайшему, для данной геометрии электродов, пути уходит на край электродов, вытягивается в петлю и гаснет (рвется) при снижении величины тока до величины тока среза или при снижении величины падения напряжения на дуге ниже порогового.

Время погасания дуги в вакууме составляет 2 - 20 нс.

При отключении чисто активной нагрузки это не имеет принципиального значения.

При отключении нагрузки имеющий комплексный характер это может привести, из-за индуктивной составляющей создающей фазовый сдвиг между током и напряжением, к существенным перегрузкам по напряжению, как в подводящей сети, так и в отключаемой нагрузке, так как дуга может погаснуть при малом напряжении, но при большом токе.

Для исключения этого явления принимаются специальные меры:

1. продлевают время существования дуги между электродами,

2. создают условия для образования такого количества носителей, чтобы ток через межэлектродный промежуток не прерывался при снижении напряжения на нем ниже напряжения горения дуги и при переходе напряжения через ноль.

Требуемое время существования дуги до 10 мс – периода сетевого напряжения обеспечивается конструкцией электродов (контакт - деталей) Реальное время горения дуги в современных системах электродов 8 мс.

Например, в высоковольтных камерах электроды состоят из контактирующей части и зоны дугогашения. Самый простой способ - увеличить диаметр зоны дугогашения до такой величины, чтобы при самых неблагоприятных условиях (максимальной скорости перемещения) дуга не выходила бы из этой зоны в течение 6 - 8 мс. Реальный размер зоны дугогашения будет примерно 0, 5 м. Для уменьшения размеров этой зоны в ней делаются фигурные прорези от зоны контакта до внепшего края, так назьшаемое " закручивание дуги" Размеры и форма прорезей подбираются опытным путем.

Рисунок 10 Пример конструкции электродов высоковольтной камеры

В низковольтных камерах зона контактирования и зона удержания дуги совмещены. В зоне контактирования сделаны кольцевые канавки, на краях которых в начальный момент размыкания контактов (при расстояниях до 0, 5 мм.) неоднородность поля достигает существенной величины. Образовавшаяся дуга, перемещаясь в зону минимальной напряженности электрического поля, попадает в канавку или центральный круг и удерживается там до тех пор, пока в результате движения контактов неоднородность поля этих выборок поля не перестанет доминировать над краевыми эффектами. После чего дуга начинает перемещаться на периферию контакта.

При плоских контактирующих поверхностях и при размыкании без перекосов дуга образовавшаяся ближе к внешнему краю должна сразу выйти наружу. Однако реальные контактирующие поверхности не идеально плоские, контактирование и перемещение подвижного электрода происходит с некоторым перекосом, поэтому при размыкании контактов образовавшаяся дуга начинает свое движение, в ту сторону, где расстояние между электродами увеличивается, то есть к центру. Таким образом, неизбежные в реальности перекосы и неплоскостность и непаралельность электродов обеспечивают надежное дугогашение при малых токах среза.

Рисунок 11 Пример конструкции электродов низковольтной камеры

Для обеспечения стабильности максимального времени горения дуги кроме специальной конструкции электродов требуется определенная и стабильная скорость размыкания контактов. Поэтому для каждой конструкции электродов подбирается своя скорость размыкания контактов. В данном случае эта скорость 4-5 м/с, обеспечивается она возвратной пружиной контактора и подстраивается при выпуске её регулировкой.