Жидкометаллические контакты

Недостатки твердометаллических контактов:

1. С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов.

2. Эрозия контактов ограничивает износостойкость аппарата.

3. Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата.

Этих недостатков лишены жидкометаллические контакты.

Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2. Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса заполнены жидким металлом 4 и соединяются между собой отверстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды 1 и 2, контактор включается.

Недостатки:

1. Обычно применяемые контактные материалы галлий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева контактов до момента включения, так как температура окружающей среды может быть ниже температуры затвердевания этих материалов.

2. Большинство аппаратов с ЖМК требуют определенного положения в пространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибраций).

Электрическая дуга постоянного и переменного тока в электрических аппаратах

Общие сведения

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается или размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окружающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250-300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах.

Электрическая дуга – это явление прохождения электрического поля через газ, который под действием различных факторов ионизируется.

Известно четыре основных пути появления в дуговом промежутке электрических зарядов – ударная и термическая ионизация, термо- и автоэлектронная эмиссии.

Ионизация есть процесс появления в дуговых промежутках электрических зарядов – положительных и отрицательных электронов.

Термоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из раскаленной поверхности катода. После разрыва жидкометаллического мостика на катоде образуется пятно, которое и является основанием дуги. Под действием температуры этого пятна электроны получают энергию для преодоления потенциального барьера и выскакивают с электрода в пространство. Количество электронов в результате термоэлектронной эмиссии невелико и этот процесс служит для разжигания дуги, т.е. является инициатором возникновения дуги. Но его недостаточно для поддержания горения. Наряду с этим процессом возникает процесс автоэлектронной эмиссии.

Автоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из катода под действием сильного электрического поля. Этот процесс тоже незначительный, он также может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Основные два процесса, которые поддерживают дугу это:

Термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высокой температуры (основной вид ионизации). Температура ствола дуги достигает 7000 К. Под действием этой высокой температуры возрастает число и скорость движения заряженных частиц. При этом они соударяются, электрон при столкновении с нейтральной частицей может выбить из нее другой электрон. В результате получается свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется – ударной ионизацией.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную.

Околокатодная область.

Занимает небольшое пространство длиной не более 10^-6 м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 10⁷ В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. При соударении такого электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией. Это называется ионизацией ударом.

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ионизации ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние. Для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой ионизации требуется многократное соударение электронов с атомом (десятки электронов для образования одного положительного иона). Поэтому ток около катода, носит электронный характер.

Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода.

Область дугового столба.

Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит. При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. С ростом давления газа, в котором находятся электроды, степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги.

Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех дугогасящих устройствах стремятся отводить тепло от дуги за счет либо охлаждения движущимся воздухом или газом, либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

Наряду с ионизацией в дуговом столбе протекают процессы рекомбинации и диффузии. Степень рекомбинации зависит от рода газа, давления и температуры. При спадании температуры рекомбинация сильно возрастает. Деионизация также происходит за счет диффузии. Скорость убывания числа частиц резко возрастает с уменьшением радиуса столба дуги.

Рекомбинация – процесс образования нейтральных атомов при соударении разноименно заряженных частиц.

Диффузия – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. (Вынос заряженных частиц с помощью магнитного поля).

При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эффективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее охлаждению за счет конвекции.

Околоанодная область.

Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры катода. Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода. Такие дуги называются короткими.

В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Такие дуги называются длинными.