Износ контактов коммутационных электрических аппаратов является одной из важнейших характеристик, определяющих устойчивость работы аппарата в эксплуатации.

Износ контактов может происходить как вследствие механических явлений (трение, соударение), так и электрических процессов, главным образом за счет образования и горения электрической дуги на контактах при размыкании цепи. Преобладание того или иного вида износа зависит от режима работы аппарата, величины коммутируемого тока, материала контактов и пр.

Коммутационная аппаратура — общий термин, применимый к группе коммутационных аппаратов для главных и вспомогательных цепей, предназначенных для включения и отключения электрических установок, их защиты или управления ими. Коммутационное оборудование — коммутационная аппаратура, предназначенная для управления данной цепью, машиной или аппаратом.

Износ контактов у слаботочных аппаратов носит иной характер, чем у сильноточных. Мы не ставим своей задачей рассмотреть здесь вопрос эрозии контактов в целом. Нас интересует главным образом износ контактов, порождаемый дуговым разрядом возникающим как при размыкании, так и замыкании электрической цепи контактами сильноточных аппаратов.

В сильноточных аппаратах дуговой износ является основным, определяющим долговечность аппарата. Особенно велики дуговые разрушения контактов при коммутации цепей в режиме короткого замыкания, когда возникает необходимость смены контактов после нескольких (трех — пяти) циклов срабатывания аппарата.

Дуговой износ контактов может проявляться не только в процессе размыкания цепи, но также и в процессе ее замыкания. Соотношение этих процессов может быть различным в зависимости от напряжения, действующего в цепи. Дуговые процессы при замыкании контактов аппарата наиболее сильно проявляются в коммутационных аппаратах высокого напряжения и сравнительно слабо в аппаратах низкого напряжения.

В процессе отключения цепи при рабочих режимах и коротких замыканиях между контактами коммутирующего аппарата возникает дуговой разряд, приводящий к оплавлению и испарению металла контакта.

Степень износа контактов за одну операцию зависит от величины тока в цепи, длительности горения дуги, от материала контактов и конструктивных особенностей аппарата. Общий износ контактов обычно находится в прямой зависимости от числа операций, выполненных аппаратом.

Образованию дуги между контактами часто предшествует так называемая мостиковая стадия процесса. Эта стадия знаменуется тем, что при размыкании контактов в точках их окончательного отрыва, благодаря значительному локальному выделению тепла металл плавится и между расходящимися поверхностями контактов вытягивается жидкий мостик, через который продолжает протекать весь ток цепи.

Жидкий мостик нагревается до температуры кипения и испарения металла. При этом часть материала мостика выбрасывается за пределы контакта в виде пара, а другая часть в виде капель жидкого металла.

Выбрасыванию жидкого металла мостиков часто способствует поперечное магнитное поле. В некоторых типах контактов и режимах их работы мостиковая фаза занимает ведущее место в общем износе.

В процессе включения между контактами аппарата также может возникать дуговой разряд, который является или следствием пробоя промежутка при сближении контактов, или следствием вибрации контактов после их соударения.

Дуговой разряд при смыкании контактов может возникать при большем или меньшем расстоянии между контактами в зависимости от напряжения цепи, вида и состояния газовой или жидкой среды, заполняющей межконтактное пространство (ее диэлектрической прочности, давления, динамического состояния и пр.).

Износ контактов под влиянием дуги включения зависит от величины тока включения, скорости смыкания контактов и размера промежутка, при котором наступает пробой.

Износ контактов под действием дуги включения имеет серьезное значение главным образом в аппаратах высокого напряжения (несколько киловольт и выше). В аппаратах низкого напряжения дуга включения практически отсутствует.

Износ контактов под действием вибрации контактов имеет место почти в равной степени как в аппаратах высокого, так и низкого напряжения.

Природа этого явления заключается в том, что при смыкании контактов в процессе включения имеют место соударения и отбросы контактов друг от друга за счет сил упругих деформаций металла.

При отпрыгивании контактов друг от друга между ними возникает дуга, которая продолжает гореть, пока контакты снова не сомкнутся, и вновь может образоваться при последующем отбросе. Таких отбросов и смыканий в процессе одной операции включения может быть несколько, а общее время вибраций достигает иногда 10 мс и более.

Для уменьшения вибрации контактов применяется ряд мер и в первую очередь предварительное нажатие в контактах, которое повышает значения сваривающих токов и широко применяется в коммутационных аппаратах высокого и низкого напряжения.

Существуют и другие методы борьбы с вибрацией контактов при их соударении, например, установка демпфирующих устройств на контактах, особенно когда контакты находятся в масле.

Дуговой износ контактов аппаратов в их рабочих режимах, т. е. при размыкании токов порядка сотен или тысяч ампер, для единичных процессов обычно бывает невелик. Таким образом, для аппаратов, срабатывающих относительно редко при рабочих токах, вопрос износа не является актуальным.

Однако для ряда аппаратов (контакторы, выключатели нагрузки, силовые реле, некоторые виды автоматов и пр.), предназначенных для очень большого числа операций без ревизий и смены контактов, вопрос износа контактов при рабочих токах становится одной из важнейших характеристик, определяющих надежность аппарата, его устойчивость и срок службы в эксплуатации.

Износ контактов под действием дуги при больших токах имеет свои закономерности. Совокупность вопросов, имеющих первостепенное значение при малых и средних токах, например влияние среды, окислительные процессы на контактах и другие, при больших токах теряют свое значение. Здесь на первый план выступают такие свойства, как тугоплавкость металла и его скрытая теплота парообразования.

Процессы возникновения мощной дуги и разрушения контактов под действием этой дуги носят характер взрыва, при котором несомненно часть металла уносится (выбрасывается) в жидкой фазе. Здесь даже пет речи о мостиковой стадии.

Жидкий металл в мощной дуге образуется на электродах в достаточном количестве и может выбрасываться за пределы контактов за счет локальных давлений, создаваемых магнитиыми полями, и потоков металлического пара.

Чем ниже температура плавления металла, тем большее количество его плавится и выбрасывается из зоны промежутка. На значительный разброс металла, например меди, в жидком виде указывают опытные наблюдения за реальными дугогасительными камерами выключателей.

Обычно стенки этих камер и другие детали, находящиеся вблизи дуги и контактов, покрываются слоем распыленного и разбрызганного расплавленного металла контактов.

В области дугового износа контактов аппаратов и изыскания новых дугостойких материалов большое значение имеют дальнейшие исследования, позволяющие более полно раскрывать механизм дугового износа и намечать пути дальнейшего повышения устойчивости аппаратов, предназначенных для коммутации электрических цепей высокого и низкого напряжения при относительно больших токах.

Смотрите также: Устройство и принцип работы автоматического выключателя и Искрение контактов реле и пускателей — причины возникновения и способы устранения