Об энергии короткого замыкания
С момента изобретения мощных источников тока началась и история развития автоматического выключателя. В чем, собственно, заключается проблема – щелк и все, цепь разомкнута. Но на самом деле все гораздо сложнее. По электрическому проводу может течь огромная, по своей разрушающей возможности, энергия. И именно автоматический выключатель должен сделать разрыв в цепи и при этом остаться неповрежденным.
Если говорить о простом размыкании, сделанным при выключенных потребителях электроэнергии, то все довольно просто. Никаких подводных камней нет. Самый сложный случай – была какая-то авария, и автоматический выключатель сам отключился. Что в таких ситуациях происходит чаще всего? Вы правильно ответили – открывается электрощиток, и рычажок автомата переводится в верхнее положение.
Если причина аварии не была устранена или хотя бы не «отгорела» , то происходит еще одна авария, только происходит она не где-нибудь , а прямо перед вами – внутри корпуса автоматического выключателя.
Энергию короткого замыкания можно примерно оценить, имея точные данные по проекту электроснабжения помещения. Но это будет просто приблизительная оценка. Реальное короткое замыкание в проводке квартиры – это всегда искры, хлопок и обгорание материалов в зоне действия дуги. Именно в таких условиях контакты автоматического выключателя работают и остаются целыми. Это достигается разными способами и путями.
Материалы для автоматических выключателей
Бытует мнение, что наилучшим материалом для контактов автоматических выключателей, является серебро. Для контактов – несомненно , но именно для простых контактов. Серебро имеет много положительных качеств и востребовано в электротехнике.
Два отрицательных момента портит его идеальную картинку – это довольно высокая цена и низкая температура плавления. При 960 градусах по Цельсию изделии из этого благородного металла превратятся в лужицу расплава.
Если вернуться к возможной температуре в зоне действия дуги короткого замыкания, то это – около 6000°С . Это очень высокая температура и серебро в чистом виде расплавиться за очень короткое время.
Что бы этого избежать, для изготовления контактов применяются различные сплавы и покрытия. Идеального материала для контакта еще не придумали. К этим материалам, или композициям из них, предъявляются требования, противоречивые по своей природе. Но эти требования вполне логичны :
- Устойчивость к механическому износу;
- Коррозия и электрический износ так же должны быть минимальными ;
- Максимально возможная электропроводность и теплопроводность ;
- Максимальная устойчивость к свариванию.
Все контактные материалы могут не полностью удовлетворяют всем предъявляемым к ним требованиям. Например, многие материалы, обладают хорошей электропроводностью и теплопроводностью, но не имеют достаточной твердости или подвержены окислению.
При разработке и изготовлении электрических контактов выбирают то материал или группу материалов, которые наиболее полно удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к работе данной контактной пары. Для электрических контактов и деталей автоматически выключателей наиболее часто используются традиционные для электротехники материалы : твердая и мягкая медь, латунь для изготовления токоведущих деталей аппаратуры, сталь и , естественно, благородные и редкие металлы. Без них качественный контакт получить не удается. Это типовой перечень проводниковых материалов, которые находят самое широкое применение при изготовлении электрических контактов.
Форма контактов
Современная теория электрических контактов еще разрабатывается. Даже не все физические явления, происходящие между контактов, до конца исследованы и объяснены. Но на многие вопросы уже получены ответы, и наработанный опыт позволяет сформировать общая теория электрических контактов.
Поверхность можно определить, как границу между реально существующими телами и окружающей их средой. Простейшей формой поверхности принято считать плоскость, но ее практически невозможно получить.
Всякую плоскость можно представить как часть некоторой прямолинейной поверхности с очень большим радиусом кривизны. И по этому такие поверхности обладают некоторой стрелой прогиба. Величина этого прогиба зависит как от метода изготовления поверхности, так и от условий ее работы. Стрела прогиба характеризует величину отклонения реальной плоскости от идеальной. Поверхности реальных плоскостей имеют волнистости. С помощью микроскопа можна увидеть и более сложные построения отдельных элементов поверхности.
Поверхности можно разделить на три группы :
- Ровные;
- Шероховатые;
- Гладкие;
- Не ровные.
Многие поверхности оптических приборов, с некоторой натяжкой, можно отнести к гладким. Поверхности электрических контактов наиболее часто являются шероховатыми. Долговечность электрических контактов, в значительной мере, определяется качеством обработки их поверхности, которое зависит от чистоты и свойств применяемого металла.
Форма неровностей поверхности значительно влияет на следующие эксплуатационные свойства электрических контактов :
- Износоустойчивость трущихся поверхностей ;
- Усталостную прочность ;
- Сопротивляемость эрозии ;
- Коррозионную устойчивость.
Гладкие и совершенно параллельные поверхности получить, в принципе, невозможно. По этому поверхности двух соединенных электрических контактов соприкасаются между собой лишь в некоторых точках. В случаи повышение сжатия контактных поверхностей происходит раздавливание и деформация металла в местах выступов и превращение их в маленькие поверхности с отличным пропусканием тока. Зона полной проводимости находится вместе наибольшего давления между контактами.
Зона неполной проводимости состоит из совокупности частей поверхности, покрытых пленками окислов. Электроны могут переходить через такие пленки, благодаря туннельному эффекту. От одной контактной поверхности к другой.
Зона полной непроводимости начинается там, где туннельный эффект уже невозможен. В этих зонах пленки окисления имеют значительную толщину.
При сравнительно небольших силах сжатия выступающие участки поверхностей входят в механическое соприкосновение. Это упругие деформации. Есть и пластические деформации, возникающие в случае, когда давление на контактирующие поверхности возрастает настолько, что достигается предел упругости. А в результате появляется остаточная деформация.
Одни метали хорошо сопротивляются оказываемому на них давлению, так как они достаточно тверды, другие – плохо, так как они пластичны. Пластичные металлы, и серебро в этом списке в самом начале, предпочтительнее для использования в качестве электрических контактов. Но есть еще требования износостойкости, и тут мягкие материалы уже завершают список.
Борьба с окислением
На поверхностях практически всех электрических контактов образуются пленки. Эти пленки имеют сложный химический состав. Компонентами пленки является металл контакта, кислород, сера и прочие химические элементы. Например. Атомы кислорода сначала создают на поверхности металлов тонкую атомную пленку сцепления, которая со временем и с повышением температуры утолщается.
Толщина возникающих пленок зависит от таких фактов :
- Химической активности металлов ;
- Степени их очистки и полировки ;
- Химического состава среды, в которой находятся контакты ;
- Температуры и многих других факторов.
Так, в чистом воздухе окисная пленка алюминия имеет толщину 10-15 нм, а цинка – 0,5 – 0,6 нм. Эти цифры дают представление о скорости проникновения в глубину металлов атмосферной коррозии. Она составляет :
- Для свинца – 4 мкм/год ;
- Для алюминия – 8 мкм/год ;
- Для меди и олова – 12 мкм/год ;
- Для цинка – 50 мкм/год ;
- Для железа – 200 мкм/год.
Если толщина пленки превышает 2,5 – 3 нм, туннельный эффект прекращается. При этом электроны уже не могут преодолеть достаточно большой потенциальный барьер, и пленка становится диэлектриком.
Пленки потускнения
Эти пленки плохо проводят электрический ток и относятся у диэлектрическим пленкам. Они появляются на поверхности чистых металлов и легко определяются – по потере металлического блеска поверхности. Окисные пленки могут возникать из-за соединения металла с кислородом воздуха, а сульфидные пленки – и из-за металла с серой.
На поверхности некоторых металлов окисные пленки создаются чрезвычайно быстро, буквально за доли секунды или секунды, на других они формируются в течение минуты.
На поверхности никеля окисная пленка формируется достаточно медленно, но при повышении температуры толщина ее может быстро увеличиваться. В конце концов, постепенное утолщение пленки приводит к разрыву электрической цепи.
Бронза при нормальной температуре заметно не окисляется.
Поверхность контакта из вольфрама практически не покрывается пленками окисления.
Золото, даже при высокой температуре, заметному окислению не подвержено. Платина не окисляется. Правда, при соединении з некоторыми газами может создавать на своей поверхности пленки, которые несколько ухудшают проводимость в месте контакта.
Серебро окисляется, но совсем мало. Окисные пленки на серебре легко снимаются. Значительно более опасными и прочными являются пленки, образуемые серебром с серой и ее соединениями, особенно в присутствии влаги. Серебро при этом тускнеет, и на его поверхности появляются пятна темного цвета. Но при достаточных механических сдавливающих усилиях эта пленка потускнения может разрушиться, и появятся очаги проводимости.
Существует ряд способов снятия пленок потускнения с поверхности металлов в целях улучшения электрического контакта. Например, разрушения пленок с помощью ударного воздействия или сильного сдавливания. Это называется искусственным старением. Пленки и сами по себе с течением времени могут растрескиваться и отваливаться. Это приводит к улучшению электрического контакта. Процесс некоторого улучшения контакта при его эксплуатации, называется естественным старением.
Зависимость электрической проводимости контактов от механического сжатия
Размеры контактной поверхности, а , следовательно, и электрическая проводимость, существенно зависят от силы сжатия. Характер изменения проводимости малых, средних и больших контактных усилиях несколько различается, но во всех случаях сдавливание контактов ведет начала к упругой, а затем – к пластической деформации.
Проводимость контактов, находящихся под большим сжатием, более стабильна во времени, чем проводимость контактов, к которым приложены средние и , тем более, малые сдавливающие усилия.
Но возникает другая проблема – прилипание контактных поверхностей друг к другу. Пластичные металлы могут прилипать друг к другу и без повышения температуры. А при нагреве эти процессы значительно усиливаются. Прилипание контактов возможно лишь в случае применения чистых металлов, на поверхности которых отсутствует слой окисной или иной пленки. При наличии пленок эффект прилипания ослабляется или полностью прекращается. При прохождение электрического тока через области контакта с окисными пленками, они могут полностью разрушиться, и тогда область контакта будет состоять из чистого металла. Возникают условия для прилипания и даже сваривания контактов.
Перейдем к чистой практике
Теория и практика на примере рассмотрения автоматического выключателя идут рука об руку. Выбор автомата затруднен богатством представленного предпочтения, и производитель уже определен, то осталось выбрать номинал и тип. Это уже проще. Но сначала про сам автоматический выключатель (рис.1), что в нем есть и для чего.
Рис.1. Устройство автоматических выключателей
Независимо от номиналов самого выключателя, хоть он рассчитан для работы в линии 10 ампер, хоть 63 ампера, его устройство практически одинаково.
Корпус автоматического выключателя выполнен из пластика, не поддерживающего горение. Про воздействие высокой температуры, это материал может оплавиться, может потерять форму, но он не горит и даже при сильном нагреве не может стать источником возгорания.
Контактная пара состоит из неподвижного и подвижного контакта. Форма и материал его тщательно подбираются, исходя из требуемого режима работы. Катушка электромагнитного расцепителя имеет необходимое сечение провода и требуемое количество витков для расчетного тока срабатывания в режиме короткого замыкания.
Рычаг управления позволяет включать и отключать автоматический выключатель. Дугогасящая камера вступает в работу только в экстремальных ситуациях, когда при разрыве контактов возникла мощная электрическая дуга, и ее энергию необходимо погасить.
Биметаллическая пластина служит, своего рода измерительным инструментом, и определяет силу тока, текущего в линии. Регулировочный винт предназначен ТОЛЬКО для заводских настроек. Именно про его помощи возможна точная подстройка автоматического выключателя на заданные номиналы срабатывания. Для подсоединения линии к автоматическому выключателю предназначены винтовые зажимы.
Это очень важно, так как автоматический выключатель должен сработать при аварийной ситуации, а не стать самим источником ее. В книге намеренно не расписываются свойства автоматических выключателей разных серий, все эти данные есть в любом каталоге. Тип, марка, номинал – все это всегда указывается в проектах. И что-то изменять здесь не стоит.
Чтобы автоматический выключатель прослужил долго – его надо правильно установить. Обычно все проблемы возникают только от плохо затянутых контактов. Периодическая инспекция электрического щита, выявление мест локального нагрева и протяжка контактов позволит избежать проблем с электроснабжением.
