Электрическим контактом называется поверхность соприкосновения двух проводников, по которым проходит ток. Повышенное сопротивление контакта вызывает повышенный нагрев, в результате которого происходит окисление контактных поверхностей. Это приводит к дальнейшему увеличению сопротивления, оплавлению и свариванию контактов, повреждению аппарата и т.д.
Контактное сопротивление зависит от материала контактов, качества обработки контактирующих поверхностей, сопротивления окислов на поверхности и силы нажатия контактов. Материал контактов должен обладать малым удельным сопротивлением, хорошей износостойкостью, дугостойкостью, иметь большую температуру плавления, повышенную стойкость к окислению.
Силовые контакты изготавливают из меди, которая хоть и легко окисляется, но имеет высокую электро и теплопроводность, механическую прочность и износостойкость. Медные контакты допускают большие нажатия, что облегчает устранение окислов на их поверхностях в процессе притирания контактов (перекатывания подвижного контакта по неподвижному с небольшим скольжением).
Алюминий не применяется из-за малой механической прочности, низкой дугостойкости и склонности к образованию окислов с большим удельным сопротивлением. Стальные контакты используют иногда в качестве блокировочных пальцев аппаратов. Вольфрамовые контакты, несмотря на высокую дугостойкость и твердость, не получили распространения из-за высокого удельного сопротивления и малой теплопроводности. Электрографитные угольные контакты применяют в регуляторах и контактах токоприемников.
Включение и выключение контакторов происходит под действием привода (пневматического, электромагнитного или кулачкового). Конструктивное выполнение контактора обеспечивает определенное расстояние между контактами при полном их размыкании (раствор контактов), перемещении подвижного контакта из положения начального соприкосновения в положение предельного перемещения (провал контактов), необходимое перекатывание со скольжением подвижного контакта по неподвижному в процессе притирания. Минимальный раствор определяется условиями надежного дугогашения при малых токах. За счет провала обеспечивается надежная работа контактов при их износе и необходимый процесс притирания контактов при замыкании и размыкании.
Указанные условия обеспечиваются применением кинематической системы с притирающей пружиной. Пружина работает на сжатие и имеет некоторое начальное натяжение. Ее усилие резко увеличивает нажатие контактов в первый момент соприкосновения и исключает дальнейшее отскакивание и вибрацию подвижного контакта, а также поддерживает стабильное нажатие после износа контактов.
Под действием силы Q рычаг подвижного контакта 1 (рис. 3.15) вращается вокруг оси 01, на конце рычага находится ось 02 держателя 3 подвижного контакта. Притирающая пружина 2, работающая на сжатие, вставлена между выступами держателя 3 и рычага 1. Данная пружина в разомкнутом состоянии контактора поворачивает держатель 3 против часовой стрелки до упора в выступ У1 рычага 1. После включения контактора рычаг вместе с держателем и подвижным контактом под действием привода поворачивается относительно оси 01 в направлении, указанном стрелкой. Контакты сближаются и соприкасаются в точке а (рис. 3.15, а). Дальнейшее движение рычага сопровождается притиранием за счет сжатия пружины 2 и перемещением контакта из точки а в точку б (рис. 3.15, б).
Рис. 3.15. Процесс включения контактов: а — начало включения; б — включенное положение; 1 — рычаг подвижного контакта; 2 — притирающая пружина; 3 — держатель
При размыкании контактов под нагрузкой площадь их касания в начале размыкания уменьшается, а переходное сопротивление резко увеличивается. Это приводит к нагреву контактов и образованию между ними мостика из расплавленных частиц металла. Возникшая электрическая дуга с температурой 2000…3000 °C ионизирует окружающее пространство и сохраняется даже при полностью разомкнутых контактах. Для ее гашения применяют специальные дугогасительные устройства с электромагнитным дугогашением.
Такая система, основанная на взаимодействии магнитного поля и тока дуги, перемещает дугу в камеру, где она растягивается, охлаждается и гаснет. Наиболее простой способ дугогашения основан на использовании собственного магнитного поля дуги и поля вокруг токоведущих частей, соединенных с контактами. Последовательно с контактами включена дугогасительная катушка К (рис. 3.16) со стальным сердечником. К сердечнику примыкают полюсы П из листовой стали, между которыми в зоне горения дуги создается магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка. Полюсы изолированы от дуги стенками дугогасительной камеры Д, которые изготовлены из дугостойкого изоляционного материала. Полюсы расположены с боков камеры и с дугой не соприкасаются.
Дуга, возникающая между контактами, под действием магнитного поля полюсов перемещается перпендикулярно его силовым линиям на дугогасительные рога Р1 и Р2, растягивается, охлаждается и гаснет. При этом с увеличением разрываемого тока возрастает магнитное поле и, следовательно, сила, выдувающая дугу.
Рис. 3.16. Схема, поясняющая процесс дугогашения
Недостаток такого включения катушек — трудность гашения малых токов, когда магнитное поле уменьшается. Поэтому при относительно малых разрываемых токах и при токах одного направления иногда для гашения дуги используют постоянные магниты (примером могут служить контакторы КМВ-104). Магнит укреплен между стальными полюсами, охватывающими камеру. В зоне гашения дуги создается магнитное поле одного направления, воздействующее на дугу. Такие аппараты являются поляризованными, применять их в цепях с изменяющимся направлением тока нельзя.
Наибольшее распространение получили лабиринтные дугогасительные камеры из специальной пластмассы или асбоцемента. Лабиринт увеличивает путь дуги и одновременно увеличивает поповерхность теплообмена, улучшая отвод тепла. Поэтому в таких камерах происходит интенсивное гашение дуги.
На электропневматических контакторах 1КП.005 (рис. 3.17) вместе с главными контактами применены малые дугогасительные контакты 3. При включении контактора сначала замыкаются дугогасительные контакты и подключают дугогасительную катушку 2. Затем подвижная система перемещается вверх, с притиранием замыкаются главные контакты. Держатель 5 поворачивается по часовой стрелке вокруг шарнира, малые контакты размыкаются, и дугогасительная катушка отключается (если из-за неисправности дугогасительных контактов по катушке будет длительное время протекать ток, контактор сгорит).
Рис. 3.17. Принцип действия контактора 1КП.005: а — начало включения контактора; б—контактор включен; в—начало отключения; г — контактор выключен; 1 — неподвижный контактор; 2 — дугогасительная катушка; 3 — малые дугогасительные контакты; 4 — притирающая пружина; 5 держатель подвижного контакта; 6 — валик; 7 — шунт; 8 — силовые провода
При выключении аппарата его подвижная система перемещается вниз, под действием пружины 4 держатель 5 поворачивается, и дугогасительные контакты замыкаются, подключая дугогасительную катушку. После этого в обесточенной цепи размыкаются главные контакты, вслед за ними расходятся малые дугогасительные контакты. Возникающая между ними дуга взаимодействует с полем катушки, выдувается на рога в камеру, охлаждается, удлиняется до критической длины и гаснет.
Дугогасительная катушка включается кратковременно, только на период гашения дуги (при включенном контакторе она обесточена). В эксплуатации главные контакты практически совершенно чистые, в то время как дугогасительные контакты сильно закопчены.
Герметические контакты (герконы). Данные контакты (рис. 3.18) изготовлены из пластин 1 и 2 железоникелевого сплава (из пермаллоя), запаянных внутри стеклянной колбочки 3, которая заполнена инертным газом (аргоном). Пластины замыкаются под действием магнитного поля управляющей катушки 4. После обесточивания катушки контакты размыкаются вследствие упругости пластины. Для повышения надежности соприкосновения пластины покрывают тонким слоем серебра. Износостойкость герконов, расположенных в инертном газе, во много раз выше износостойкости обычных контактов в воздушной среде. Время срабатывания на включение и выключение в 3 раза меньше, чем у обычных контакторов или реле, т.е. быстродействие срабатывания геркона приближается к срабатыванию электронных приборов.
Рис. 3.18. Геркон (герметический контакт): 1,2 — контактные пластины из железоникелевого сплава; 3 — герметически запаянная стеклянная колбочка; 4 — управляющая катушка
Герконы получают все большее распространение в цепях управления электропоездов. Так, на поездах ЭР2Т и ЭД2Т они используются в качестве реле и блокировок силовых контакторов и успешно работают в цепях коммутации тока до 2…3 А.
