Главная    ПРОЕКТЫ     Противоречия (часть 5)

Размещено на сайте 14.10.2008.



Часть 1
Часть 2
Часть 3
Часть 4

Противоречия

Часть 5

Иванов Г.И.



Сквозной пример

Электрический размыкатель. (Использования основных принципов разрешения физических противоречий)

При сведении и разведении электрических контактов между ними возникает электрическая дуга. (Дуга это образование под действием электромагнитного поля высоко ионизированного слоя воздуха между контактами, который становится электрическим проводником) Дуга действует малую долю секунды, но рабочие поверхности контактов успевают обгореть и окислиться, поэтому их электрическая проводимость становится плохой. Приходится часто зачищать контакты или заменять их новыми.

Как предотвратить обгорание контактов?

Поставленная цель – предотвратить обгорание контактов.

Элемент не выполняющий или препятствующий достижению цели – дуга, электрический ток,.

Физическое противоречие – Дуга должна быть потому, что это есть природа электрического тока, и дуги не должно быть потому, что обгорают контакты.

Решение

Используем первый принцип - Разнесение противоречивых требований во времени, -

Это значит, что в одно время дуга должна быть, а в другое время дуги нет.

Уточним формулировку – Дуга возникает, но в момент замыкания контактов ее нет.

Как это сделать?

Промышленный переменный электрический ток имеет частоту 50герц. Это значит, что он 50 раз в секунду меняет свою величину от нуля до максимума, то есть 50 раз в секунду тока в цепи нет. Размыкать контакты нужно в момент, когда ток имеет нулевое значение!

Однако «нулевое» значения тока поймать очень трудно, так как этот отрезок времени ничтожно мал и составляет менее одной миллионной доли секунды. Необходимо увеличить время «отсутствия» тока. Для этого перед включением или выключением контактов, ток на короткое время (0, 5сек), направляется через полупроводник. В этом случае ток пойдет только в одном направлении в виде импульсов с разрывами между ними.

Время, которое имеется между импульсами, составляет уже 0,01 секунды, что вполне достаточно, чтобы успеть развести контакты без образования дуги и без повреждения контактов. Мы разнесли противоречие во времени. Такой принцип широко используется в электротехнической промышленности.

Продолжение примера «Электрический размыкатель»

Рассмотренный выше принцип пригоден для размыкания электрических цепей переменного тока, но не применим для цепей с постоянным током. С какой бы скоростью мы не разводили контакты, между ними все равно возникнет дуга. Как быть?

ия противоречий - Разнесение противоречивых требований в пространстве.

В соответствии с этим принципом формулируем следующие условия:

Дуга должна быть, но она образуется не на рабочих поверхностях контактов, а в другом месте. Где? Предположим на боковых поверхностях контакта, которые не являются рабочими, и их повреждение не влияет на работу устройства. Как это сделать?

Это возможно если предусмотреть специальный дугогасительный или, как его еще называют, ложный контакт. (см. рисунок). Ложный контакт может быть самой различной конструкции, например, в виде гибкой стальной пластины прикрепленной к основному.

При замыкании ложный контакт первым приближается к боковой нерабочей поверхности основного контакта и уже между этими поверхностями возникает дуга. Обгорает только ложный контакт и не рабочая поверхность основного контакта. При полном замыкании ток будет идти только по рабочим поверхностям основных контактов, так как они не повреждены и потому имеют меньшее электрическое сопротивление, чем ложные.

При размыкании, процесс идет в обратном порядке. Основные контакты размыкаются первыми, но дуги между ними нет, так как ток продолжает идти по ложным контактам. И только когда они начнут размыкаться, между ними снова возникнет дуга. Но цель уже достигнута - рабочие поверхности основного контакта остались не поврежденными.

Многие промышленные выключатели устроены именно таким образом, тоесть физическое противоречие, связанное с дугой, разнесено в пространстве контактов. Например, большинство, так называемых, рубильников, имеют контакты в виде широких плоских ножей. Их рабочая контактная поверхность боковая. При соединении и разъединении дуга возникает только на торцевых частях этих ножей. Рабочие боковые поверхности остаются целыми. Дуга есть, но она не разрушает рабочие поверхности контактов.

Продолжение примера. «Электрический размыкатель»

Предположим, что ни первый, ни второй принцип разрешения противоречий применить не удалось. Тогда воспользуемcя третьим принципом разрешения противоречий -

изменение системных отношений рассматриваемого элемента.

Переход моносистемы в полисистему.

Это значит, что в момент замыкания или размыкания контактов дуга должна раздробиться, то есть превратиться в полисистему. Теперь каждая маленькая дуга наносит меньший вред поверхностям контакта. Как раздробить дугу?

На практике используют много способов. По одному из них в момент замыкания контактов их обдувают импульсом сжатого газа, например, воздухом. Дуга дробится на мелкие части, то есть становится полисистемой и повреждения контактов уменьшаются.

ТАК ЖЕ раздробить дугу возможно, если контакты сделать полисистемными, вплоть до щеточной конструкции. Но этот способ менее надежен и применяется в основном в слаботочных электрических системах.

Переход системы в антисистему или использования антисистемы.

Это значит, что с помощью того же электрического тока, мы должны создать систему, которая работает против электрической дуги. Существуют различные конструкции таких антисистем.

По одной из них в момент включения, создают мощный импульс электромагнитного поля, который задавливают дугу и уводит ее в сторону от контактов.

Изменение агрегатного состояние вещества – твердое, жидкое, газообразное, плазменное

Дуга это уже плазма - четвертое агрегатное состояние вещества. Наука еще не знает, как переводить плазму в еще более высокое агрегатное состояние. В этом случае попробуем изменить агрегатное состояние взаимодействующего с ней объекта, то есть контакта. В момент включения он должен перейти из твердого состояния в жидкое. Как это сделать?

Возможна следующая конструкция.

Один из контактов (нижний) выполнен в виде чашечки, которая заполнена легкоплавким металлическим материалом, например ртутью или галлием (температура плавления +160С) и при необходимости может иметь электрический подогрев.

При замыкании верхний твердый контакт погружается в нижний жидкий контакт

Возникающая при соединении и разъединении дуга хотя и разрушает контакты, но это не ухудшает качество электрического соединения.

В промышленности данный принцип - (изменение агрегатного состояния контактов) находит все более широкое применение, в так называемых, жидкометаллических контактах. В их полости находится жидкий металл. Такие контакты отличаются высокой надежностью, простотой в изготовлении и эксплуатации. Их применяют для отключения и влючения даже очень больших токов, более 10кА.

Существуют жидкометаллические контакты, которые изготовлены из тугоплавких пористых материалов – вольфрама или молибдена поры, которых заполнены жидким сплавом галлия с индием, температура плавления этого сплава +160С. Такие контакты могут работать в любом положении.

Использование фазовых переходов вещества.

Любая жидкость при нагреве до температуры кипения превращается в пар, который занимает объем в 1000 раз больше чем жидкость. Это используется в масляных выключателях. В момент возникновения дуги масло вскипает, и его пары сдувают и подавляет дугу.

МАСЛЯННЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ


Использование физических эффектов.

Электрическая дуга это высоко ионизированный газ, который становится проводником электрического тока. При отсутствии газа не возможно возникновение проводящих ионов, поэтому дуга не возникает. В последнее время в промышленности, в сетях трехфазного переменного тока, все больше используются вакуумные выключатели.

Кроме того, в электрических выключателях широко используются физические эффекты на микроуровне вещества. Это различные электронные вентили, светодиоды и так далее. Но это уже тема другого разговора,

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.


Главная    ПРОЕКТЫ     Противоречия (часть 5)