14.3. Изнашивание при передаче электрической энергии через статический, разрывной и скользящий контакт «провод — токоприемник»

Процесс перехода электрического тока из одного проводящего твердого тела в другое представляет собой сложное физико-химичес­кое явление. Его можно последовательно рассматривать для разных видов контакта: статического, разрывного и наиболее сложного — скользящего с отрывами, где электроискровые и электродуговые про­цессы совмещаются с процессами внешнего трения. При этом в каж­дый момент времени действует сочетание большого количества пере­менных параметров. Особенно сложен процесс «токоприемник — провода контактной подвески».

Статический электрический контакт используется в токопроводящих деталях и узлах контактных сетей и ЛЭП. Статические контакты могут быть: безарматурными, соединяемыми холодной или аргоновой сваркой, а также сваркой взрывом; неразборными. соединяемыми обжимом или опрессовкой овальных соединителей; разборными — болтовыми, клиновыми, цанговыми.

Качество статического контакта зависит от чистоты соединяемых поверхностей, достаточности площади и давления при соединении деталей. При снижении давления может возникнуть электровзрывная эрозия. Считается, что в каждый момент времени касание поверхнос­тей в статическом контакте может быть не более, чем в трех точках.

Разрывной электрический контакт может быть искровым или ду­говым в зависимости от потенциальных условий, которые, в свою оче­редь, влияют на последствия разрывов — радио- и телепомехи или отжиг (пережог) проводов.

Разрывной контакт характеризуется сухо- и мокроразрядным или пробивным напряжением, а также градиентом напряжения в воздушном промежутке между контактами токосъемных устройств, зависящим от величины зазора, который, в свою очередь, опреде­ляется динамикой взаимодействия, вибрациями контактной пары или наличием гололеда. Величина разрываемого тока определяет­ся мощностью ЭПС с учетом индуктивностей в схеме ЭПС и вре­менем (продолжительностями отрывов). Процесс изнашивания кон­тактов при разрывах электрического тока аналогичен электроиск­ровой или анодно-механической обработке металлов.

Скользящий контакт при токосъеме «токопровод—токоприемник» определяется как механическими воздействиями, так и процессами, связанными с прохождением тока.

Процесс токосъема осуществляется при одновременном перемеще­нии токоприемников, оборудованных, как правило, угольными или (реже) металлокерамическими вставками, работающими с использо­ванием сухой графитовой смазки. При таком механизме токосъема об­разуется высокое переходное сопротивление, что определяет повышен­ный уровень нагрева поверхностей проводов, иногда приводящий к рекристаллизации меди. Изнашивание в этом случае сопровождается более интенсивным отделением частиц металла за счет взаимодействия одной из поверхностей с расплавленными микроучастками другой.

Процесс, происходящий в скользящем контакте между кон­тактным проводом и токоприемником, весьма сложен, причем его физические параметры (площадь, давление, ток и пр.) меняются в значительных пределах и зависят от многих факторов.

Теория износа проводов и вставок при взаимодействии токоприем­ников с контактными подвесками включает в себя как анализ специфи­ки токосъема с гибких контактных подвесок токоприемниками с раз­личными контактными материалами при заданных скоростях движе­ния, так и определение одного из критериев токосъема—коэффициен­та экономичности. Для понимания возможностей его использования целесообразно иметь представление о виде сбоку и расположении в плане контактного провода анализируемого пролета (рис. 14.4, а,б)и виде спереди полоза токоприемника (рис. 14.4, в).

Определение коэффициента экономичности для пролета компенси­рованной подвески (с неизменными в течение года стрелами провеса) возможно, если имеются в качестве исходных данных нанесенные на схему (рис. 14.4, г): 1) зависимость интенсивности износа от величин нажатия и тока j(Р_Э,1_Э) для рассматриваемой скользящей контактной пары (U-образная кривая); 2) кривые контактного нажатия в рассмат­риваемом пролете (при заданных скорости движения, длине пролета, высотном положении, жесткости, сухом и вязком трении, массе контак­тной подвески) для обеих пластин Р’_к и Р"_к. По этим кривым, получен­ным теоретическим или экспериментальным путем, следует рассчи­тать две гистограммы n’(Р’_к), n”(Р"_к), показывающие количество слу­чаев для каждого интервала нажатия, имеющего конкретную величину износа. Износ в пролете получится как сумма при перемножении коли­чества случаев на значения износов.

Это можно сделать графически, разделив пролет с контактными на­жатиями вертикальными линиями на множество интервалов, в каждом из которых среднее значение кривой заменив прямой. Нажатие конк­ретного интервала следует горизонтальной линией снести влево до пе­ресечения с U-образной кривой износа. Полученное значение износа снести вниз до оси абсцисс и затем циркулем перенести его на верти­кальную ось шкалы износа в пролете и далее до конкретного интерва­ла. Полученный ограниченный интервалом прямоугольник пропорци­онален прогнозируемой площади износа в данном месте пролета и полоза токоприемника (в соответствии с твердостями их материалов). Износ в пролете получается как сумма площадей износа для всех интервалов. Поделив эту сумму на длину пролета, определяют сред­ний износ, поделив его на токоприемнико-проходы — коэффици­ент экономичности (ориентировочно — удельный износ).

Коэффициент экономичности может быть получен в весовом (на­туральном) и денежном выражении. Весовой коэффициент эконо­мичности к_э приближенно характеризует размер потерь площади се­чения (массы, объема) 1 км контактного провода при проходе под ним токоприемника и потери площади сечения (объема, массы) кон­тактными пластинами токоприемника при его движении по прово­ду такой же длины. Обычно берутся потери, вызываемые 1000 про­ходами токоприемников, а сам коэффициент измеряется в кг/1000 токоприемником (под токоприемником подразумевается число проходов единицы ЭПС по участку длиной 1 км).

Можно определить потери массы провода и пластин для участ­ка сети, равного длине пролета (так как именно для него имеются кривые контактного нажатия). Количество рассматриваемых в про­лете интервалов (число случаев выборки) n=Σn_i.

Рис. 14.4. К определению коэффициента экономичности при токосъеме: вид про­стой контактной подвески сбоку (а), сверху (б), полоз токоприемника (в), определе­ние износа (г): l — длина пролета; х — координата пути; Ъ — зигзаг; ОП — ось пути; Р_т — контактное нажатие; j — износ в точке; S_Х — износ в интервале пролета или полоза

Участок пролета, на котором будет действовать нажатие с разрядным числом P_Ki, получим как n_i l/n.

Тогда потеря П массы провода или пластин в пролете при про­ходе одного токоприемника

(14.1)

Весовой коэффициент экономичности К_э, характеризующий по­терю массы на участке 1 км при проходе 1000 токоприемников (при износе j в кг/км) равен

(14.2)