Очевидно, что материал контактов (который в основном присутствует в промежутке, в небольшом количестве) должен играть очень важную роль в процессе прерывания тока в вакууме.
1.5. ВАЖНОСТЬ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА КОНТАКТОВ
Конкретные материалы обладают специфическими свойствами, различные функции выключателя диктуют противоречивые требования к материалу контактов. В таких случаях, выбор материала должен базироваться на техническом компромиссе.
Рассмотрим сначала процесс отключения тока. При размыкании токоведущих электродов в вакууме ток сосредоточивается в месте последнего контакта и за счет джоулева нагрева приводит к мгновенному образованию мостика из расплавленного металла, который почти сразу же испаряется. Образованного таким образом пара достаточно для поддержания возникающей дуги. Итак, контакты поставляют вещество (металлический пар), в котором горит дуга. Это происходит в случае любого металла. Можно думать, что лучше выбрать материал с высокимдавлением пара, который может обеспечить образование большого количество пара при низком энерговкладе в контакты. Такие тугоплавкие металлы, как вольфрам и молибден, могут обеспечить необходимое количество пара при нагреве до достаточно высокой температуры. Однако в нуле тока, где происходит его отключение, точки контактной поверхности остаются горячими из за низкого давления паров металла (температура катода должна стать достаточно высокой, чтобы обеспечить парообразование) и.
Такие точки становятся источником термоэлектронной эмиссии электронов, которая препятствует восстановлению диэлектрических свойств промежутка. Поэтому тугоплавкие контакты никогда не находили успешного применения в мощных выключателях, рассчитанных на работу с большими токами короткого замыкания, хотя успешно использовались в слаботочных вакуумных коммутаторах.
Материал с очень высоким давлением пара также является неудовлетворительным с точки зрения использования в качестве материала контактов мощного вакуумного прерывателя. В этом случае происходит интенсивная эрозия электродов, образуется избыток металлического пара, препятствующий быстрому восстановлению хорошего вакуума после прохождения тока через нуль.
При малых токах пар образуется в области катодных пятен. Тоже должно происходить и при больших токах, однако опыт свидетельствует о наличии других явлений. При токе дуги около 10 кА (частота тока 60 кГц) внешний вид дуги между двумя торцевыми контактами меняется. Вместо почти диффузного разряда появляется дуга, сужающаяся у анода, и энерговклад в этот электрод приводит к образованию расплавленного анодного пятна. Оно является новым источником пара. При еще больших токах можно наблюдать струи пара, истекающие с поверхностей контактов. Если скорость парообразования станет настолько большой, что при переходе тока через нуль пар не успеет уйти и осесть на экранах, то вакуум не восстановится и отключение тока может не состояться.
Пар содержит большое количество энергии в виде скрытой теплоты испарения. В нем имеются также эмиттированные приэлектродными областями ионы, которые собираются экраном, передавая энергию ионизации. Если экран станет слишком горячим, то он не сможет сконденсировать весь пар и часть его отразится обратно «в поисках» более холодной поверхности. Это одно из ограничений, накладываемых на процесс отключения тока в вакууме. Более холодные части самих контактов представляют собой аффективные конденсирующие поверхности. Значительная часть образующегося пара конденсируется на контактах и вновь испаряется в процессе работы. Установлено, что большие контакты применяются в случае отключения больших токов.
токов.
Кроме выбора контактного материала, хороших характеристик прерывания при сильноточной коммутации можно достичь путем выбора геометрии электродов. Спиральный контакт, используется пара таких контактов, являющихся зеркальным отображением друг друга. Эти контакты снабжены кольцевыми выступами, между которыми и образуется дуга при разведении контактов. Конфигурация тока такова, что его собственное магнитное поле имеет компоненту, стремящуюся «вытолкнуть» дугу в радиальном направлении наружу. При этом опорные пятна дуги движутся вдоль «лепестков», увеличивая выталкивающую силу. Дуга выталкивается к концу лепестка, который закругляется таким образом, чтобы обеспечить появление действующей на дугу тангенциальной силы. Вследствие этого дуга перепрыгивает от лепестка к лепестку, бегая по периферии контакта. Это имеет два преимущества: дуга никогда не остается надолго в одном месте, что уменьшает плавление и эрозию, пар распределяется по большой поверхности, где происходит его конденсация.
Контакты такого типа имеют еще одно преимущество. Как уже отмечалось, они соприкасаются вдоль кольцевых выступов, в то время как прерывание тока (по крайней мере при больших токах) происходит па лепестках. Поэтому для кольцевых выступов и основной части контактов, состоящей из лепестков, можно использовать различные материалы. Материал, противостоящий сварке, необходим только для колец. Материал для основной части контакта выбирается тот, диффузия пара которого происходит быстро из-за малой атомной массы (например, бериллий).
Пары металла (в отличие от твердого металла) не представляют собой хорошего проводника для электричества. Но промежуток, заполненный таким паром при умеренном давлении, может ионизоваться и стать проводящим под действием приложенного электрического поля, как и любая другая газовая среда.
Возникает трудность, связанная с размягчением контактов при отжиге, который происходит при перегреве в процессе коммутации. Это явление несовместимо с быстрым ускорением и замедлением контактов при их размыкании и замыкании. В связи с этим необходимо ввести упрочняющие элементы из других материалов.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.