Нагревание контактов и их расчет

Тепловые процессы. Работоспособность контактных соединений и контактов определяется тепловыми процессами в них. При этом решающее значение имеет соотношение между энергией потерь в контактном соединении и энергией А_то теплорассеяния, отда­ваемой за то же время в окружающее пространство. За время Т энергия, теряемая в контакте,

(2.23)

Эта зависимость для контактных соединений имеет некоторые особенности. Так, даже при постоянном значении тока / сопротив­ление г к не остается постоянным, особенно для коммутирующих контактов. Превышение температуры контакта _к вызывает уве­личение поверхностной пленки, что повышает r_к. Характер измене­ния r_K(t) отличается тем, что dr_к(t)/dt > 0; d²r_K(t)/dt² > 0. Это вы­звано тем, что возрастание r_к связано с превышением температуры _к из-за увеличения мощности потерь Р_к = r_K(t).

Рассматриваемый процесс — лавинный: начавшись, он разви­вается с нарастающей интенсивностью. Обычно периодически в его развитии наступают почти мгновенные разрывы. В какие-то нерегу­лярные моменты времени возраставшая до этого величина _к, а вместе с ней и r_к резко (почти мгновенно) снижаются до исход­ного или близкого к нему значения. Вызвано это тем, что возрос­шее U_к становится достаточным для пробоя поверхностной плен­ки и образования новых точек, через которые проходит ток, в пре­делах контактных пятен. В дальнейшем процесс развивается в та­кой же последовательности.

Большую роль играет рассеяние энергии потерь в окружающее пространство

(2.24)

где — коэффициент теплорассеяния, различный для разных поверхностей контактов; — превышение температуры отдельных частей контактов над температурой окружающего воздуха.

Точно определить значение А_то сложно, потому что у большин­ства контактов тепловые потери выделяются в ограниченном про­странстве контактных пятен, а рассеиваются всей поверхностью контактных деталей. Материал контактов однороден и почти оди­наков коэффициент теплоотдачи со всех поверхностей, но совершен­но неодинаково расположены эти поверхности в ограниченном внут­реннем пространстве аппарата. Совершенно различны условия об­текания их охлаждающим воздухом, а следовательно, и коэффици­енты теплорассеяния. Все это осложняет расчетное определение энергии A_то, заставляет упрощать условия расчета, широко ис­пользовать накопленные опытные данные.

Обычно процесс нагревания контактов рассматривают для од­ного, номинального режима работы аппарата. Расчетный режим счи­тают установившимся, соответствующим току ,. Предполагают также что при продолжительном режиме превышения температуры контактов выравниваются и соответствуют допускаемым. По ГОСТ 9219—88 установлены следующие превышения температуры контактных соединений т_д для температуры окружающего воздуха не выше +40 °С и при условии, что они не вызывают нагрева соседних частей выше допустимых для них температур, °С:

Коммутирующие контакты (кроме п. 9) из меди, гилавов меди и метало керамики на основе меди	75
То же и скользящие контакты с накладками из се- ргбра или металлокерамики на основе серебра	75
Коммутирующие контакты реле или подобных ап­паратов при малых нажатиях (до 5 Н) с наклад­ными из серебра или металлокерамики на основе серебра	65
Разборные и неразборные контактные соединения ииутри аппарата, контактные соединения выводов ил аппарата к внешним проводам из меди, алюми­нии, стали и других металлов с защитным покры­тием, обеспечивающим стабильное переходное  сопротивление, меньшее, чем у меди	65
То же, но с покрытием контактной поверхности серебром	80
Контактные неразборные соединения внутри аппа­рата, паянные мягкими припоями	80
Перазборные контактные соединения внутри аппа­рата, выполненные твердой пайкой или сваркой .
То же алюминиевые шины и голые алюминиевые провода, соединененные холодной или горячей	200
9. Контакты и другие детали, работающие как пру­жины:
а) медные (кроме п. 9, б)	35
б) медные контакты разъединителей	50
в) из фосфористой бронзы и подобных сплавов	65
г) из бериллиевой бронзы и купиаля	110
д) из углеродистой конструкционной стали	45

Расчет коммутирующих стыковых контактов силовых цепей.

Приведенные принципы расчета контактных соединений могут быть использованы для контактов различных видов и конструкций. И тяговых аппаратах наиболее широко применяют контакты так называемого грибкового типа (рис. 2.18). Контактная пара на рис. 2.18, а состоит из медных контактов: нижнего — плоского наи­более простой формы и верхнего — грибкового с радиусом цилинд­рической поверхности R. В контактной паре рис. 2.18, б оба кон- икта грибковые, изготовленные из профильной полосы твердотянутой меди. Они имеют одинаковый радиус R, но в контактную поверхность нижнего контакта врезана и впаяна металлокерамическая пластинка.

Рис. 2.18. Стыковые линейные грибковые контакты

В аппаратах (контакторах) эти контакты установлены так, что их торцовые поверхности Т практически воздухом не обдуваются. Они расположены с небольшими монтажными зазорами между ас­бестоцементными пластинами или прессованными стенками дугогасительной камеры, обладающими плохой теплопроводностью. Щель между контактными поверхностями в замкнутом состоянии узка, отвод тепла от этих поверхностей невелик. Поэтому при рас­чете учитывают лишь площадь S боковых поверхностей контак­тов, пропорциональную их ширине b,

(2.25)

где — коэффициент пропорциональности, зависящий от формы контактов.

При определении электрического сопротивления контактного соединения делают допущение m = 1; для линейных контактов это не оказывает большого влияния. При этом уравнение (2.22) примет вид

Для рассматриваемого установившегося режима, Вт,

(2.26)

При принятых условиях А _п = Л_то и соответственно

(2.27)

где а_то — средний коэффициент теплорассеяния для контактов.

Из выражений (2.24), (2.26), (2.27) получим или иначе

( (2.28)

Диализ величин, входящих в правую часть уравнения (2.28),

показывает, что для рассматриваемых условий работы контакта

и аппарата они постоянны; в основном эти параметры и определяясь

протекание теплового процесса. Величина А_к представляет собой

тепловую постоянную контакта. Она характеризует мощность

потерь, которые контакты аппарата могут рассеивать при продолжительном режиме.

Левая сторона уравнения — произведение двух плотностей то­на по нажатию j_н, А/Н, и линейной плотности j_л, А/мм:

(2.29)

Определив тепловую постоянную контактов конструктивно по­понных аппаратов на основе опыта, по этим выражениям можно достаточно рассчитать эту величину для аналогичных аппара­та расчетное определение этой постоянной весьма сложно и не достаточно точно. В табл. 2.7 приведены значения удельных плотностей тока и величины для характерных тяговых коммутационных аппаратов, имеющих медные коммутирующие контакты.

Здесь большие значения относятся к аппаратам, рассчитанным на большие токи. Используя принципы конструктивного подобия при одном и том же материале контактов для конструкционных подобных аппаратов, получим:

bF_K b₀F_KО

Где b, F_K, I_ном — соответственно ширина контакта (длина линии контакта), мм. сила нажатия, Н, и номинальный ток рассчитываемого аппарата, А; —то же для исходного прототипа аппарата.

Рис. 2.19. Мостиковые контакты:

а — включающий с медными контактами; б — выключающие с серебряными контактами; в, г — включающие с серебряными контактами.

Если контакты не из меди, а из других металлов, значения Л_к определяют исходя из А_к0 для тех же аппаратов с медными кон­тактами при практически неизменных и _то

(2.30)

где — допустимые превышения температуры для контактов соот­ветственно из рассматриваемого материала и меди.

Приведенный метод расчета наиболее приемлем для решения практических инженерных задач. При этом имеется возможность варьировать величинами b и F_K. Для снижения размеров аппарата выгоднее уменьшать длину контактной линии Ь. Однако при этом давление в месте контакта р_тах [см. выражение (2.20)] не должно превышать допустимое напряжение смятия _см. Допустимые зна­чения _см существенно выше для металлокерамики, т. е. в случае ее применения снижается ширина, а также износ контактов.

Рис. 2.20 Допустимые плотности тока поверхностных контактов в зависи­мости от номинального тока

Расчет коммутирующих контактов цепей управления. В сов­ременных тяговых аппаратах выполняют такие контакты преиму­щественно с серебряными или металлокерамическими наклад­ками. Наиболее широко приме­няют мостиковые контакты (рис. 2.19), обеспечивающие дву­кратное замыкание и размыка­ние цепи, что существенно по­вышает надежность этих опера­ций.

Накладки из серебряных сплавов или металлокерамики изготовляют специальные пред­приятия цветной металлургии. Размеры и допустимые токи этих накладок нормированы.

Обычно накладки припаи­вают к несущим деталям мягкойпайкой или дозированной контактной сваркой. Для того чтобы не деформировать наделки при сварке, с привариваемой стороны на них делают расплавляемый выступ, автоматическая дозирующая система сварочной установки обеспечивает энергию А_св = const.

Учитывая воздействия динамических возмущений, для коммути­рующих контактов цепей управления в тяговых аппаратах приме­няют несколько завышенные нажатия, наименьшие значения ко­торых F_{K min}, Н, следующие:

Стыковые контакты кулачковых устройств	(2—5)
Контакты электрических блокировок	(1,5—3)
реле обычного исполнения	(1—2)
То же повышенной чувствительности	(0,5—1)

Для реле повышенной чувствительности необходимы легкая уравновешенная контактная система, амортизированное, защитное исполнение контактных устройств. Обычно выбор точечных кон­тактов цепей управления ограничен подбором необходимых наде­лок, выбором нажатия, а в дальнейшем — их проверкой на пре­дельные токи.

Расчет поверхностных контактов. Их рассчитывают исходя из допустимой плотности тока j_доП, А/мм², и поверхностного давления р_к, Па. Обычно принимают р_к = 4,0 5,5 кПа. Для разборных контактных соединений при таком давлении появляются пласти­ческие деформации покровного слоя полуды. Сила нажатия, Н,

р_к (2.31)

где — площадь контактной поверхности, мм².

Необходимую площадь контактной поверхности определяют исходя из допустимой плотности тока , А/мм², зависящей от тока (рис. 2.20),

/ (2.32)

С увеличением тока его плотность снижается, потому что уве­личение площади контактных пятен непропорционально увеличе­нию площади контактной поверхности детали. Так как все разбор­ные соединения э. п. с. имеют болтовое скрепление, то при расчете их следовало бы определять размеры болтов, соответствующие необ­ходимой силе F_K. Однако обычно в таком расчете нет необходимости, так как их размеры нормализованы по размерам наконечников, т. е. по допустимому для них току.

В качестве коммутирующих поверхностные контакты применя­ют преимущественно для разъединителей различного назначения (например, для отключателей тяговых двигателей, разъедините­лей токоприемников и др.). Как пример, рассмотрим принцип рас­чета контактного узла разъединителя (рис. 2.21). Толщину с и ширину h ножа определяют, рассчитывая его как токоведущую шину, работающую при токе /_то. Ширина пружиняще­го контакта, мм,

Рис. 2,21. Расчетная схема разъе­динителя

(2.33)

Нажатие контакта, Н,

F_K=p_дhb 10-³. (2.34);

Обычно принимают толщину щеки неподвижного пружинящего контакта а с/2. Длину этой щеки до середины поперечного се­чения ножа можно найти из условий получения необходимого нажатия F_к

l= (2.35)

где — допускаемое напряжение лзгиба; для прямых врезных пружи; нящих щек из твердой (твердотянутой) меди его принимают приблизительно равным 15 МПа, из твердой латуни — 20 МПа. ¹

Полную длину пружинящей щеки l_Щ обычно определяют как l_щ l+0,6h, необходимый прогиб контактной щеки

F=2 /(3 ), (2.36)

где Е_M — 1,1 10⁴ МПа — модуль упругости для меди.

Обязательно должно выполняться условие f< с/2.

Рассмотренные методы расчета контактных соединений исполь­зуются для установившихся режимов при номинальных токах. В действительности контакты силовых цепей в тяговых аппаратах, работают при токах, изменяющихся в широких пределах. Токи, меньшие номинальных, не оказывают неблагоприятного воздейст­вия на состояние контакта, а токи, превышающие номинальные*; заметно затрудняют его работу. При этом возникают явления, которые могут приводить к опасным последствиям.

Ранее были рассмотрены процессы изменения сопротивления контакта и падения напряжения в нем при токе, постоянном по значению. Эти величины заметно изменяются, что приводит к несбалансированности энергий А _п и . В конечном счете значения А _п и А_то выравниваются, что дает возможность рассматривать такой процесс как установившийся. Иначе обстоит дело при нарастании тока, когда dI/dt > 0. В этом случае может возникнуть значительное расхождение = А _п — A_т0.

Падение напряжения в контактном соединении будет возрастать интенсивно, так как U_K . К тому же, особенно при быстрых изменениях тока, растут электродинамические силы, снижающие

Нажатия контактов. В связи со случайным характером прохожде­нии тока в контактном соединении точно рассчитать эти силы порядока определяется зависимостью

(2.37)

где R - радиус условной окружности, в которую вписывается попереч­ным сечением контактной детали, см; — радиус условной окружности, в ко­торую вписывается контактное пятно, см; I—ток через контакт, А.

Электродинамическая сила, снижая нажатие Fк, увеличивает сопротивление и падение напряжения Uк дополнительно к вызваному увеличением тока. Когда Uк достигает значения — падение напряжения, соответствующего размягчению материала, — начинается структурное изменение поверхностного слоя контакт­ных деталей. При определенном значении несбалансированной энергии А может появиться значительная пластическая деформа­ции контактных поверхностей, в результате чего значительно возрастает суммарная площадь контактных пятен, почти мгновенно появляется контактное сопротивление и падение напряжения Uк.

Если ток далее не возрастает, то пластическая деформация фиксируется, искажая поверхность контакта. Дальнейшее нарастание приводит также к увеличению падения напряжения в контактним соединении (рис. 2.22). При достижении им значения выробатывается избыточная энергия А, достаточная для расплавления поверхносного слоя контактов. Расплавление в зоне контактных пятен вызывает резкое снижение падения напряжения, так как умень­шайся сопротивление. Резко снижается также энергия А (вплоть изменении знака); при достижении падением напряжения значения (напряжения сваривания) оплавленная зона остывает настолько, что контакты свариваются. Процесс сваривания усили­вается при снижении тока (кривая ). Как показано на рис. 2.22, при d dt < 0 в результате продолжающегося окисления контакт­ных поверхностей падение напряжения продолжает нарастать.

Рис 2.22. Зависимость падения напряжения от тока в контактном соединении

Материал	Температу­ра размяг­чения, °С	Л Uv, в	Температу­ра плавле­ния, “С	∆ , B	∆ , B
Медь	190	0,12	1083	0,43	0,1
Серебро	180	0,09	960	0,37	0,24
Никель	520	0,22	1452	0,65	-
Вольфрам	1000	0,4	3390	1,1	0,6
Г рафит		2	3650	5

Сваривание контактов может приводить к аварийным послед­ствиям, так как цепь не размыкается, несмотря на поступление сиг­налов о ее выключении. При расчете приводов аппаратов предусмат­ривают такие характеристики выключающих пружин, которые обес­печивали бы размыкание даже при сварившихся контактах. Одна­ко точно определить необходимые для этого силы трудно из-за слу­чайного характера протекающих процессов. В некоторых случаях, например при групповых приводах, предусматривают специальные устройства принудительного размыкания сварившихся контактов.

Падения напряжения (табл. 2.8) в первую очередь зависят от материала контактных деталей.

Соотношение значений и характеризует сваривае­мость контактов. Склонность к прочному соединению сваркой тем выше, чем меньше разница между и . Наибольшей сва­риваемостью обладают серебряные контакты. Металлокерамичес­кие контакты имеют свариваемость промежуточную между свари­ваемостями основного токоведущего металла и отвердителя. Она тем выше, чем менше отвердителя в составе металлокерамики,

В зависимости от материала контактов можно определить наи­больший ток , не вызывающий их пластической деформации,

(0,56 0,60) , (2.38)

где , — контактные сопротивления соответственно при номи­нальном режиме и режиме размягчения.

Для аппаратов э. п. с. должно быть , где - коэффициент эксплуатационной перегрузки э. п. с. (тяговых дви­гателей).

Обычно определяют коэффициент эксплуатационного запаса коммутирующих контактов

(0,56 0,60) . (2.39)

Иногда для оценки качества коммутирующих контактов опре­деляют коэффициент их аварийного запаса

(0,45 0,58) (2.40)

где — ток плавления контакта, который должен быть больше тока„ возникающего в цепи аппарата при наиболее неблагоприятных аварийных си­туациях (например, при коротком замыкании).

При работе тяговых аппаратов пластические деформации кон­тактов и их сваривание возможны и в случае токов, меньших /д или /пл. Кроме токовых нагрузок, на аппараты могут воздейство­вать и различные возмущения или их комбинации. Например, под воздействием динамических возмущений может импульсно изме­няться и особенно снижаться нажатие контактов FK, что вызовет увеличение контактного сопротивления и падения напряжения в соединении. Хотя эти и другие подобные возмущения и кратковре­менны, но они достаточны для появления деформаций контактных поверхностей.