Verschleiß elektrischer Kontakte
Im Betrieb werden die Schaltkontakte häufig ein- und ausgeschaltet. Dies führt zu Verschleiß. Der Verschleiß der Kontakte ist zulässig, damit es bis zum Ende der Lebensdauer nicht zu einer Fehlfunktion des Gerätes kommt.
Unter Kontaktverschleiß versteht man die Zerstörung der Arbeitsfläche der Kontakte mit einer Veränderung ihrer Form, Größe, ihres Gewichts und einer Verringerung der Eintauchtiefe.
Der Verschleiß elektrischer Kontakte, der unter dem Einfluss mechanischer Faktoren auftritt, wird als mechanischer Verschleiß bezeichnet. Die Kontakte von Trennschaltern sind mechanischem Verschleiß ausgesetzt – Vorrichtungen, die den Stromkreis ohne Last öffnen. Der Verschleiß äußert sich in Quetschungen und Abflachungen der Endkontakte sowie in der Abnutzung der Schnittkontaktflächen.
Um den mechanischen Verschleiß zu reduzieren, sind bewegliche oder feste Kontakte mit einer Feder ausgestattet, die den Kontakt in der Aus-Position des Geräts bis zum Anschlag drückt und so Kontaktvibrationen verhindert.In der Ein-Stellung bewegt sich der federbelastete Kontakt vom Anschlag weg und die Feder drückt die Kontakte gegeneinander und sorgt so für Kontaktdruck.
Der stärkste Verschleiß tritt unter dem Einfluss elektrischer Faktoren bei vorhandener Strombelastung auf. Dieser Verschleiß wird elektrischer Verschleiß oder elektrische Erosion genannt.
Das häufigste Maß für den Verschleiß elektrischer Kontakte ist der Volumen- oder Gewichtsverlust des Kontaktmaterials.
Kontakte, die zum Schalten von Stromkreisen unter Last bestimmt sind, unterliegen einem mechanischen und elektrischen Verschleiß. Darüber hinaus verschleißen die Kontakte aufgrund der Bildung von Filmen aus verschiedenen chemischen Verbindungen aus dem Material der Kontakte mit der Umgebung auf ihrer Oberfläche, was als chemischer Verschleiß oder Korrosion bezeichnet wird.
Wenn ein Stromkreis mit einer elektrischen Last kommutiert wird, kommt es an den Kontakten zu einer elektrischen Entladung, die zu einer starken Entladung führen kann elektrischer Lichtbogen.
Schließen des Verschleißprozesses
Wenn sich die Kontakte beim Schließen berühren, wird der Federkontakt unter dem Einfluss elastischer Kräfte zurückgeworfen. Es kann zu mehreren Kontaktabweisungen kommen, d. h. es wird eine Kontaktvibration mit gedämpfter Amplitude beobachtet. Die Amplitude der Vibrationen nimmt mit jedem weiteren Aufprall ab. Auch die Ablehnungszeit wird verkürzt.
Vibration der Kontakte beim Einschalten des Geräts: x1, x2 – Amplitude der Ablehnungen; t1, T2, T3 – Zeitverschwendung
Beim Abwerfen der Kontakte entsteht ein kurzer Lichtbogen, der die Kontaktstellen zum Schmelzen bringt und das Metall verdampft. Dabei entsteht in der Kontaktzone ein erhöhter Druck von Metalldämpfen und der Kontakt „hängt“ in der Strömung dieser Dämpfe.Die Zeit zum Schließen des Kontakts wird erhöht.
Der Verschleiß der elektrischen Kontakte beim Einschalten hängt vom anfänglichen Niederdruck im Moment der Kontaktberührung, der Steifigkeit der Feder, die den Kontaktdruck erzeugt, und von den physikalischen Eigenschaften der Kontaktmaterialien ab.
Anfänglicher Stoß der Kontakte zum Zeitpunkt ihres Kontakts – das ist die Kraft, die der Abstoßung der Kontakte beim Zusammenstoß entgegenwirkt. Je größer diese Kraft ist, desto geringer sind die Amplitude und die Zeit der Abstoßung, desto geringer sind die Vibrationen der Kontakte und deren Verschleiß. Mit zunehmender Federsteifigkeit nimmt die Kontaktunterdrückung ab und der Kontaktverschleiß nimmt ab.
Je höher der Schmelzpunkt des Kontaktmaterials ist, desto geringer ist der Kontaktverschleiß. Je höher der Strom im Schaltkreis ist, desto größer ist der Verschleiß der Kontakte.
Offener Verschleißprozess
Im Moment des Öffnens der Kontakte wird der Kontaktdruck auf Null reduziert. In diesem Fall steigt der Kontaktwiderstand und die Stromdichte am letzten Kontaktpunkt steigt. Der Kontaktpunkt schmilzt und zwischen den divergierenden Kontakten bildet sich ein Isthmus (Brücke) aus geschmolzenem Metall, der dann bricht. Zwischen den Kontakten kann ein Funke oder Lichtbogen entstehen.
Unter dem Einfluss hoher Temperaturen beim Ausstoß verdampft ein Teil des Metalls des Kontaktisthmus, ein Teil wird in Form von Spritzern aus dem Kontaktspalt ausgeschleudert und ein Teil wird von einem Kontakt auf einen anderen übertragen. An den Kontakten werden Erosionserscheinungen beobachtet – das Auftreten von Kratern oder das Anhaften von Metall.Der Verschleiß der Kontakte hängt von der Art und Stärke des Stroms, der Brenndauer des Lichtbogens und dem Material der Kontakte ab.
Bei Gleichstrom erfolgt die Materialübertragung von einem Kontakt zum anderen intensiver als bei Wechselstrom, da sich die Stromrichtung im Stromkreis nicht ändert.
Bei niedrigen Strömen wird die Erosion der Kontakte durch die Zerstörung des Kontakt-Isthmus nicht in der Mitte, sondern näher an einer der Elektroden verursacht. Häufiger wird die Unterbrechung des Kontaktisthmus an der Anode – der positiven Elektrode – beobachtet.
Es wird eine Übertragung von Metall auf die vom Schmelzpunkt weiter entfernte Elektrode, meist die Kathode, beobachtet. Das übertragene Metall verfestigt sich auf der Kathode in Form scharfer Vorsprünge, die die Kontaktbedingungen verschlechtern und den Abstand zwischen den Kontakten im geöffneten Zustand verringern. Das Ausmaß der Erosion ist proportional zur Strommenge, die während der Funkenentladung durch die Kontakte fließt. Je größer der Strom und die Brenndauer des Lichtbogens, desto größer ist der Abbrand der Kontakte.
Bei hohen Strömen in industriellen Stromnetzen kommt es häufig zu Lichtbögen zwischen offenen Kontakten. Der Verschleiß des Lichtbogenkontakts hängt von vielen Faktoren ab. Darunter können folgende Faktoren berücksichtigt werden: Netzspannung, Art und Größe des Stroms, magnetische Feldstärke, Stromkreisinduktivität, physikalische Eigenschaften der Kontaktmaterialien, Schaltfrequenz, Art des Kontaktkontakts, Kontaktöffnungsgeschwindigkeit.
Ab einem bestimmten Spannungswert zündet der Lichtbogen zwischen den Kontakten.Wenn Lichtbogenlöschvorrichtungen vorhanden sind, die die Bewegung des Lichtbogens bewirken, vermischt sich der Lichtbogen von den Kontakten, wenn zwischen den Kontakten ein Abstand von 1 bis 2 mm entsteht, der nichts mit der Höhe der Spannung zu tun hat. Daher ist der Kontaktverschleiß praktisch unabhängig von der Spannung. Die Mindestspannungswerte, bei denen ein Lichtbogen für eine Reihe von als Kontakte verwendeten Metallen auftritt, sind in einer Tabelle angegeben. 1.
Tabelle 1. Mindestlichtbogenspannung und -strom für ausgewählte Metalle
Schaltkreisparameter Kontaktmaterial Au Ag Cu Fe Al Mon W Ni Mindeststrom, A 0,38 0,4 0,43 0,45 0,50 0,75 1,1 1,5 Mindestspannung, V 15 12 13 14 14 17 15 14
Mit zunehmendem Abschaltstrom nimmt der Kontaktverschleiß zu. Diese Abhängigkeit ist nahezu linear. Gleichzeitig führt die Stromänderung zu einer Änderung des äußeren Magnetfeldes, was sich auf die Art des Kontaktverschleißes auswirkt. Bei Gleichstrom ist der Kontaktverschleiß stärker, was mit der Verzögerung beim Erlöschen des Lichtbogens zusammenhängt. Bei Gleichstrom verschleißen die Kontakte ungleichmäßig.
Die Bewegung des Lichtbogens in Lichtbogenlöschgeräten erfolgt in einem Magnetfeld, das von einem stromdurchflossenen Draht erzeugt wird. Mit zunehmender Stärke des Magnetfeldes nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit der Referenzpunkte des Lichtbogens zu. Gleichzeitig erhitzen und schmelzen die Kontakte weniger und der Verschleiß wird reduziert. Wenn jedoch ein Isthmus geschmolzenen Metalls zwischen den offenen Kontakten auftritt, erhöht die Erhöhung der magnetischen Feldstärke die elektrodynamischen Kräfte, die dazu neigen, das geschmolzene Metall aus dem Kontaktspalt herauszuschleudern.Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß der Kontakte.
Der Kontaktverschleiß wird durch die Induktivität des Stromkreises beeinflusst, da diese mit der Zeitkonstante des Stromkreises und der Änderungsrate des Stroms zusammenhängt. In einem Konstantstromkreis kann eine Erhöhung der Induktivität den Verschleiß bei geschlossenen Kontakten verringern, da der Strom langsamer ansteigt und beim Abfallen der Kontakte nicht seinen Maximalwert erreicht.
In einem Wechselstromkreis kann eine zunehmende Induktivität den Kurzschlussverschleiß erhöhen und verringern. Es kommt darauf an, wann die Kontakte verworfen werden. Beim Öffnen der Kontakte wirkt sich die Induktivität des Stromkreises auf den Verschleiß aus, wenn sie den Strom und die Zeit zum Löschen des Lichtbogens beeinflusst.
Bei Kontakten aus reinen Kontaktmaterialien (Kupfer, Silber) ist ein intensiverer Verschleiß zu beobachten, bei Kontakten aus Legierungen mit feuerfesten Bestandteilen (Kupfer-Wolfram, Silber-Wolfram) nimmt der Verschleiß deutlich ab.
Silber hat bei Strömen bis 63 A eine relativ hohe Verschleißfestigkeit, bei Strömen von 100 A und mehr nimmt die Verschleißfestigkeit ab und bei Strömen von 10 kA wird es zu einem der am wenigsten verschleißfesten Materialien.
Mit zunehmender Schalthäufigkeit nimmt der Kontaktverschleiß zu. Je öfter das Gerät eingeschaltet wird, desto stärker erwärmen sich die Kontakte und ihre Erosionsbeständigkeit nimmt ab. Eine Erhöhung der Kontaktöffnungsgeschwindigkeit verkürzt die Lichtbogenzeit und verringert den Lichtbogenverschleiß an den Kontakten.
Die Parameter der elektrischen Kontakte (Störung, Lösung, Druck) und die Art des Kontakts (Punkt- oder Flächenkontakt, verzerrter Kontakt) beeinflussen sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Verschleiß.Mit zunehmender Kontaktlösung nimmt beispielsweise ihr Verschleiß zu, da die Freisetzung thermischer Energie im Lichtbogenzylinder zunimmt.
Abgenutzte elektrische Kontakte können zu schlechtem Kontakt und zum Verlust von Kontaktverbindungen führen. Dies kann zu einem vorzeitigen Ausfall des Schaltgerätes führen. Der Kontaktverschleiß wird durch ihre Abstoßung unter dem Einfluss elektrodynamischer Kräfte beeinflusst.
Shterbakov E.F.