Выбор материала контактов вакуумных камер выключателей

Известно, что электрическая дуга в вакууме существует не за счет ионизированных газов, как во всех остальных типах дугогасительных устройств, а за счет ионизированных паров металла, испаряющегося с поверхности электродов. Поэтому характер дуговых процессов в вакууме существенно зависит от свойств контактного материала.

В первых образцах вакуумных выключателей в качестве материала контактов широко применялся вольфрам. Он, как и другие тугоплавкие материалы с низким давлением пара, имеет ряд преимуществ при использовании. Вследствие малого эрозионного износа тугоплавкие контакты обеспечивают большой срок службы камеры, обладают хорошей стойкостью к свариванию, высокой механической прочностью. Кроме того, металл с низким давлением пара определяет высокую скорость восстановления электрической прочности промежутка.

Однако по мере развития вакуумных дугогасительных устройств у вольфрама и других подобных материалов был обнаружен ряд существенных недостатков. Основной недостаток заключается в том, что вследствие низкого давления пара и большой работе выхода вольфрама плотность пара при малых токах резко падает, и задолго до перехода тока через нулевое значение дуга гаснет. На рис. 1 приведены зависимости средней продолжительности горения дуги между электродами из различных материалов от тока (металлы располагаются слева направо в порядке уменьшения устойчивости дуги), а на рис. 2 — температурные зависимости давления паров для тех же металлов. Из зависимостей следует, что между стабильностью дуги и давлением паров существует положительная связь. Это значит, что для обеспечения низкого значения тока среза необходимо использовать материалы с высоким давлением паров.

Рис. 1. Зависимость устойчивости горения дуги от тока для различных контактных материалов: 1 — висмут; 2 — цинк; 3 — серебро; 4 — медь; 5 — вольфрам: 6 — молибден

Кроме того, было установлено, что скорость восстановления электрической прочности вакуумного промежутка между вольфрамовыми контактами высока лишь при небольших значениях тока. Для коммутации больших токов тугоплавкие металлы не могут быть использованы, так как за время горения дуги они нагреваются до очень высоких температур, и в процессе восстановления электрической прочности промежутка они становятся интенсивным источником термоавтоэлектронной эмиссии. Происходит пробой промежутка восстанавливающимся напряжением.

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров металлов от температуры

1 — висмут, 2 — цинк: 3 — серебро: 4 — медь: 5 — вольфрам: 6 — молибден

Материалы с высоким давлением паров обеспечивают низкий уровень тока среза, но имеют сравнительно небольшой срок службы из-за эрозии. Кроме того, крайне медленно происходит восстановление электрической прочности промежутка, так как высока скорость испарения материала электрода после нулевого значения тока.

Хотя окончательный выбор материала определяется конкретными условиями работы аппарата, чаще всего выбор падает на материал с промежуточными значениями упругости пара (например, медь). Медь имеет умеренное значение температуры плавления, высокую электропроводность, однако образует весьма прочное сварное соединение.

Таким образом, при использовании чистых металлов достичь одновременного выполнения всех требований нелегко. Для успешного разрешения этой проблемы были разработаны металлокерамические композиции. Такие композиции создаются методами порошковой металлургии и представляют собой многокомпонентную структуру, в которой за счет рационального подбора составляющих компонентов можно получить контактный материал с заданными характеристиками.

Для пропитки металлокерамики используются материалы с высокой электропроводностью или сплавы на их основе. Это дает возможность получить достаточно малое переходное сопротивление и хорошую теплопроводность материала. Тугоплавкий каркас или различные включения повышают стойкость к механическому износу, электродуговой эрозии, свариванию. Композиции получают прессованием из порошков металлов с нагревом до температуры плавления легкоплавкого компонента либо путем пропитки предварительно отпрессованных пористых каркасов из тугоплавкого материала. При создании композиционных материалов происходит не просто суммирование полезных качеств компонентов, но и проявляются свойства, не присущие ни одному из составляющих.

Металлокерамические композиции имеют средний ток среза значительно меньший (в 2 — 3 раза), чем однородные металлы, входящие в эти композиции (табл. 1).

Температура поверхности в пределах разных металлов, вводящих в металлокерамическую композицию, растет с неодинаковыми скоростями. При этом возникают горизонтальные потоки тепла через границу раздела металлов. Причем в поверхностном слое, толщина которого изменяется в зависимости от условий нагрева (от десятков до сотен микрометров), наблюдается поток тепла, направленный из металла с меньшим коэффициентом аккумуляции тепла в металл с большим коэффициентом Ка:

где А, с, у — соответственно теплопроводность, теплоемкость и плотность материала.

Таким образом, температура нагрева одного из компонентов растет быстрее, чем в случае нагрева однородного электрода из этого материала. Так, в композиции W-Cu нагретый до большей температуры вольфрам за счет горизонтального потока тепла нагревает и медь до более высокой температуры.

Благодаря этому после прекращения нагрева (погасания дуги) охлаждение поверхности одного из компонентов (меди) идет медленнее, чем при соответствующем однородном электроде. Поэтому при наличии высокотемпературного вольфрамного каркаса пары меди продолжают поступать в межконтактный промежуток и после прекращения нагрева в течение длительного времени. Этим и объясняется значительное снижение тока среза в композиции.

Таблица 1

Значение среднего тока среза для различных контактных материалов

В поверхностном слое контактов, в зоне воздействия оснований дуги компоненты должны иметь по возможности большую разницу в коэффициентах аккумуляции тепла. Однако необходимо отметить, что в ВДК на большие номинальные токи тугоплавкие металлы не могут быть использованы в качестве основных компонентов композиции, так как в этом случае не обеспечивается быстрое восстановление электрической прочности промежутка. Поэтому, если необходимо получить достаточно высокую отключающую способность камеры, температура кипения компонентов не должна превышать 3000 К.

Другим способом снижения тока среза является введение в композицию легколетучих материалов (Sb, Bi), не образующих твердых растворов с основными компонентами.

В трехкомпонентных материалах также существуют потоки тепла от металла с малым коэффициентом аккумуляции Ка к составляющей с большим Ка. Этот фактор и присутствие легколетучей добавки обеспечивают минимальное значение тока среза.

Кроме того, наличие горизонтальных потоков тепла в зоне, прилегающей к поверхности контактов, ведет к уменьшению энергии, поступающей в контакты от дуги, в результате чего понижаются глубина проплавления и коэффициент выброса металла.

Необходимо отметить, что и сам механизм эрозии в металлокерамических композициях существенно отличается. Эрозия монометаллических материалов идет преимущественно в жидкой фазе за счет интенсивного выброса расплавленных частиц. Дуговая эрозия композиционных материалов происходит относительно равномерно по всей поверхности и преимущественно за счет испарения.

Помимо низкого уровня тока среза и эрозии контактов материал электродов должен обеспечить высокую стойкость последних к свариванию. Эта проблема решается путем введения небольшого количества примесей в материал контактов.