Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
да вся деталь выполняется из меди или другого материала, на который приваривается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность.
Алюминий. Положительные свойства: достаточно высокие элек-
трическая проводимость (уступает только меди и серебру) и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник,
имеет почти на половину меньшую массу. Это позволяет уменьшить
массу аппарата. Недостатки: низкая дугостойкость и малая механическая прочность, образование на воздухе и в активных средах пленок с
высокой механической прочностью и высоким сопротивлением, что
существенно ограничивает применение алюминия в ТЭА. Алюминий может использоваться в разборных контактных соединениях при
условии серебрения или омеднения рабочих поверхностей. В коммутирующих аппаратах алюминий может применяться только в скользящих контактах, например, контактных вставках токоприемников.
Вольфрам. Положительные свойства: высокая дугостойкость,
большая стойкость против эрозии, сваривания. Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование
прочных оксидных и сульфидных пленок, требование к большим нажатиям. Высокие тугоплавкость и твердость вольфрама делают его
использование привлекательным в коммутирующих сильноточных
контактах с большой частотой срабатываний. Однако недостатки,
присущие этому металлу, в первую очередь низкая электропроводность, полностью исключают применение вольфрама в чистом виде.
Поэтому вольфрам в ТЭА используют только в составе композиций
металлокерамики в разрывных контактах, как слаботочных аппаратов, так и аппаратов большой мощности.
Металлокерамика. Металлокерамические контакты представля-
ют собой механическую композицию двух практически не сплавляющихся металлов, получаемую методом спекания смеси их порошков
или пропиткой одного расплавом другого. Самое главное достоинство металлокерамических контактов – сочетание в одном материале
свойств разнородных элементов, набор и пропорции которых подбираются индивидуально для конкретного аппарата в зависимости от
его функций, параметров и условий работы. Недостатки металлокерамики: худшая по сравнению с чистой медью электропроводность
(в среднем в три раза [1]) и высокая стоимость. В качестве примера
использования металлокерамики в ТЭА рассмотрим электропневматический контактор ПК-96, применяемый в качестве линейного
21
на грузовых электровозах серии ВЛ80С [4]. Контактор при работе включает электрическую цепь тяговых электродвигателей (ТЭД)
двумя параллельными контактными парами. Первая – дугогасительная – состоит из композиции МВ50 (медь-вольфрам), вторая –
главная – СОК15 (серебро-окись кадмия). При этом один из металлов
имеет хорошую проводимость (медь, серебро), а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким
(вольфрам). Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую
дугостойкость с относительно хорошей проводимостью. Другими
наиболее распространенными композициями металлокерамики
являются [2]: СВ50, СВ70 (серебро – вольфрам), СМО60 (серебро
– молибден), СН30, СН40 (серебро – никель), СГ3, СГ5 (серебро –
графит), СН29Г3 (серебро – никель –графит), СОМ10 (серебро –
окись меди), СК22Н1 (серебро – кадмий – никель), МГ3, МГ5
(медь – графит).
Сталь. По сравнению с другими материалами, применяемыми
в ТЭА, сталь обладает двумя существенными достоинствами – высокая механическая прочность и низкая стоимость. Однако ее основной недостаток – низкая электропроводность (в 90 раз ниже, чем у
чистой меди [1]) – существенно ограничивает область ее применения
в ТЭА. На ЭПС из стали в основном изготавливают блокировочные
контакты коммутирующих аппаратов (см. рисунок 2.6, г).
Электротехнический уголь и графит. Эти материалы ценятся
в электроаппаратах, прежде всего, за свою низкую износостойкость.
Это свойство имеет ключевое значение в скользящих контактных
соединениях, ремонт которых сопряжен с большими материальными и трудовыми издержками. Применяя в паре скользящих контактов в качестве второго элемента контакт-деталь из электрографитированного угля, обслуживание аппарата при износе контактного
соединения будет ограничиваться заменой только одного контакта,
который выполняется в виде вставки или щетки (см. рисунок 2.8).
Область применения: токосъемные аппараты, вибрационные регуляторы напряжения.
2.3 Переходное сопротивление электрического контакта,
его микрогеометрия. Контактное нажатие
Как ни тщательно обработаны поверхности соприкосновения
контактов, электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как получить
22
абсолютно гладкую поверхность практически невозможно. Примерная картина соприкосновения контактов показана на рисунке 2.11 [3].
Благодаря нажатию Р одного контакта на другой вершины выступов деформируются и образуются площадки действительного касания контактов. Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических контактов по торцам.
Р
Рисунок 2.11 – Соприкосновение поверхностей контактов
В результате стягивания линий тока к площадке касания их дли-
на увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически
проходит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопротивления. Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, называется переходным сопротивлением стягивания контакта.
Одноточечный контакт применяется в основном только при ма-
лых токах (до 20 А). При больших токах (100 А и более) применяется многоточечный контакт. В многоточечном контакте ток проходит
через несколько контактных переходов, соединенных параллельно.
Поэтому его переходное сопротивление при неизменном нажатии
меньше, чем у одноточечного контакта. Однако нажатие в каждой
контактной площадке уменьшается, и число точек соприкосновения
остается почти на прежнем уровне, хотя и распределенных на большей общей поверхности. Поэтому переходное контактное сопротивление R
зависит главным образом от силы нажатия контактов FК
К
и находится по эмпирически установленной формуле
ρ
R
к
, (2.1)
=
К
м
F
к
23
где ρК – коэффициент контактного сопротивления, зависящий от
рода материала контактов, способа обработки, формы контактной поверхности, ее состояния и температуры, Ом·Н.
Значения ρК приведены в таблице 2.1 [1];
м – показатель степени, зависящий от формы контактов. Для пло-
ских контактов м = 1,0, линейных – м = 0,5…0,8, точечных –
м = 0,5.
Таблица 2.1 – Значения коэффициента ρК для ряда контактных пар
Материал контактной пары Коэффициент ρК, 10-3 Ом · Н
Медь – медь 0,8…1,4
Медь – медь луженая 1,0…1,8
Серебро – сплавы серебра 0,3…0,6
Латунь – латунь 6,7…7,2
Сталь – сталь 73…77
Сталь – медь 3,6…3,8
Медь – латунь 3,5…3,8
Металлокерамика – металлокерамика 2,6…3,3
Переходное контактное сопротивление зависит и от обработки
поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая
с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при
больших силах нажатия. Поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.
Переходное сопротивление контактов обусловлено не только
явлением стягивания линий тока. Контактирующие поверхности
покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контакты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате
чего на их поверхности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением. Зависимости переходного контактного сопротивления от силы контактного нажатия RК(FК) для различных
типов контактов и материалов приведены соответственно на рисунках 2.12 и 2.13.
24
0,0003
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
0,0004
0,00045
0 50 100 150 200
Контаткное сопротивление, Ом
Сила нажатия, Н
медь; серебро; металлокерамика
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
Контактное сопротивление, Ом
0
0 50 100 150 200
Сила нажатия, Н
плоские; линейные; точечные
Рисунок 2.12 – Зависимости RК(FК) для различных типов контактов
Рисунок 2.13 – Зависимости RК(FК) для различных видов материалов
25
2.4 Тепловые характеристики контактных соединений
в установившемся режиме
Работоспособность контактных соединений в сильноточных элек-
трических цепях определяется, прежде всего, тепловыми процессами в них. Решающее значение при этом имеет соотношение между мощностью электрических потерь на контактном сопротивлении
в функционирующей контактной паре и мощностью теплорассеяния
в окружающее пространство.
Уравнение баланса электрической и тепловой мощности, выделя-
емой и рассеиваемой в установившемся режиме, имеет вид
Р
где Р
– длительная мощность в установившемся режиме;
ДЛ
ДЛ
= I2
= α S τК, (2.2)
ДЛ RК
IДЛ – ток нагрузки контактного соединения;
RК – электрическое переходное сопротивление контакта;
α – коэффициент теплорассеяния контактной пары;
S – площадь поверхности теплорассеяния;
τК – превышение температуры контактов над температурой
окружающего воздуха.
В реальных условиях эксплуатации некоторые из указанных фи-
зических величин нестабильны. Так, например, значение RК имеет
тенденцию к повышению с течением времени с возрастанием температуры контактирующих деталей и более интенсивным окислением соприкасающихся поверхностей.
Кроме того, неодинаковы условия теплорассеяния с разных по-
верхностей контактов, что обусловливает непостоянство значений
коэффициента α. Однако в целях упрощения расчетов контактов
ТЭА принимают значения сомножителей приведенного выше уравнения постоянными.
При определении площади теплорассеивающей поверхности S следу-
ет учитывать особенности расположения контактной пары в конструкции аппарата. Торцевые поверхности контакт-деталей воздухом почти
не обдуваются, так как они расположены с небольшими монтажными зазорами между изоляционными пластинами либо между стенками
дугогасительной камеры, обладающими низкой теплопроводностью.
Щель между контактными поверхностями в замкнутом состоянии
контактора очень узка, и отвод тепла от этих поверхностей незначи-
26
телен. Поэтому в расчетах тепловых процессов обычно учитывают
дл
Н
м
к
I
jF=
дл
Л
I
jb=
лишь площадь боковых поверхностей контакт-деталей, пропорциональную их ширине b, являющейся длиной линии контакта
S = k
– коэффициент пропорциональности, зависящий от формы
где k
1
b, (2.3)
1
контакт-деталей.
Преобразовав (2.2) с учетом (2.1), (2.3) и разделив обе части ра-
венства на ρК b, получим уравнение баланса мощностей в следующем виде:
2
I
Fb
k
ατ
дл
м
к
к
1
=
. (2.4)
ρ
к
Анализ величин, входящих в правую часть равенства, показал, что
при определенной токовой нагрузке они постоянны и характеризуют протекание теплового процесса. Это выражение принято считать
тепловой постоянной контакта АК.
Тепловая постоянная контакта оценивает мощность потерь, ко-
торые контакты аппарата могут рассеивать в продолжительном режиме работы. Постоянная АК может быть выражена произведением
плотности тока по нажатию и линейной плотности тока
А
= jН jЛ. (2.5)
К
Плотность тока по нажатию определяется как
. (2.6)
Линейная плотность тока определяется как
Величины А
, jН, jЛ нормируются для различных коммутирующих
К
. (2.7)
аппаратов, применяемых на ЭПС (таблица 2.2 [1]).
27
Таблица 2.2 – Величины тепловой постоянной и удельных плотностей
dI
dt
>
0
к
K
()
dI dI
dt dt
п
dR
dt
A fI A U
>>
∆ = → ∆ ↑ → ∆ ↑ ↑
00
2
тока контакта для различных типов ТЭА
Тип ТЭА
Электропневматический
контактор
Электромагнитный контактор
с Г-образным якорем
Электромагнитный контактор
Переключатель
Номинальный
ток, А
150…750 А
-
менее 100 А 3…6 3,1…5,1 8…21
более 100 А 6…8 5,1…6,2 31…41
менее 400 А 15…40 3,1…4,1 51…72
более 400 А 20…25 3,1…4,1 82…102
jЛ, А/мм jН, А/мм
18…22 6,1…6,5 112…133
14…17 3,1…6,2 71…100
АК, А2/
Н·мм
2.5 Нестационарные тепловые процессы в контактных
соединениях. Размягчение, плавление и сваривание контактов
Как говорилось выше, тепловой баланс в контактной паре со-
храняется при токах, близких к номинальному значению. В действительности контакты сильноточных ТЭА работают при токах, изменяющихся в широких пределах. Токи меньше 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.
При нарастании тока
равенство (2.2) нарушается и по-
является энергия небаланса ΔА, равная разности энергии тепловыделения ΔАп и теплоотдачи ΔАто.
Падение напряжения в контактном соединении ΔUК= f(I) будет
расти интенсивно, так как
К тому же, особенно при быстром изменении тока, растут элек-
тродинамические силы, снижающие нажатие контактов. Электродинамическая сила, снижая нажатие F
и падение напряжения ΔUК дополнительно к вызванному увеличением тока. Когда ΔUК достигает значения ΔUР – падения напряжения,
28
, увеличивает сопротивление R
K
К
соответствующего размягчению материала, – начинается структурное
изменение поверхностного слоя контактных деталей. При определенном значении несбалансированной энергии ΔА может появиться
значительная пластическая деформация контактных поверхностей,
в результате чего значительно возрастет суммарная площадь контактных пятен, почти мгновенно снизятся контактное сопротивление
и падение напряжения.
Если ток далее не возрастает, то пластическая деформация фик-
сируется, искажая поверхность контакта. Дальнейшее нарастание
тока приводит также к увеличению падения напряжения в контактном соединении (рисунок 2.14). При достижении им значения ΔU
ПЛ
выделяется избыточная энергия ΔА, достаточная для расплавления
поверхностного слоя контактов. Расплавление в зоне контактных пятен вызывает резкое снижение падения напряжения, так как уменьшается сопротивление. Резко снижается также энергия небаланса
(вплоть до изменения знака).
I, ∆U
I
∆U
p
Пластическая
деформация
∆U
dI
= 0
dt
dI
> 0
dt
I
I
1
ПЛ
∆U
при I
при I
1
Сваривание
dI
< 0
dt
Рисунок 2.14 – Нестационарные тепловые процессы
в контактных соединениях
При достижении падением напряжения значения ΔUCB (напряже-
ния сваривания) оплавленная зона остывает настолько, что контакты
свариваются. Процесс сваривания усиливается при снижении тока
(кривая I
на рисунке 2.14), что связано с продолжающимся окисле-
1
нием контактных поверхностей.
Сваривание контактов может приводить к аварийным последстви-
ям, так как цепь не размыкается, несмотря на поступление сигналов
29
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 ΔUР, ΔUПЛ, ΔUCB в первую очередь зависят
от материала контактных деталей (таблица 2.3 [1]).
Таблица 2.3 – Падения напряжения размягчения, плавления и сваривания контактов для различных видов материалов
Материал ΔUР, В ΔUПЛ, В ΔUCB, В
Медь 0,12 0,43 0,10
Серебро 0,09 0,37 0,24
Никель 0,22 0,65 Вольфрам 0,40 1,10 0,60
Графит 2,00 5,00 -
Соотношение значений ΔUCB и ΔUПЛ характеризует свариваемость
контактов. Склонность к прочному соединению сваркой тем выше,
чем меньше разница между ΔU
и ΔUCB. Наибольшей свариваемо-
ПЛ
стью обладают серебряные контакты. Металлокерамические контакты имеют свариваемость промежуточную между свариваемостями
основного токоведущего металла и отвердителя. Свариваемость тем
выше, чем меньше отвердителя в составе металлокерамики.
Для безаварийной работы ТЭА при проектировании контактных
соединений необходимо соблюдать условия температурной устойчивости:
I
≥ 2 · IДЛ,
Р
≥ 10 · IДЛ.
I
ПЛ
Падение напряжения в контактной зоне в номинальных режи-
мах работы в сильной степени зависит от характера работы контактов (рисунок 2.15).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]