лекция 3 - Казанский Государственный Энергетический
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ _________________________________________________________ кафедра ТОЭ Дисциплина «ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ» Раздел 1 «ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ В ЭЭА» Лекция 1-3 «Контактные явления в электрических аппаратах» Распределение времени: 1. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 3. Вводная часть (объявление темы, цели и вопросов лекции) ……. 5 мин. Основная часть (рассмотрение учебных вопросов)……………...80 мин. Классификация электрических контактов..………………………………. Контактная поверхность и контактное сопротивление…………………. Переходное сопротивление электрического контакта…………………… Материалы для контактных соединений …………………………………….. Контрольные вопросы…………………………………………………………….. Задание для самостоятельного изучения……………………………………… Заключительная часть (общие замечания, контроль присутствия)..5мин. Автор: Свищёва Надежда Александровна Рассмотрена и утверждена на заседании ПМК «__»___200_ г. Протокол №_ КАЗАНЬ 2008 1. Вводная часть На первой лекции не будет лишним напомнить студентам о правилах поведения, организационных моментах, связанных с контролем присутствия и периодическим контролем знаний. Тема лекции дается под запись, цель проговаривается. 2. Основная часть Электрический контакт - это поверхность соприкосновения составных частей электрической цепи, обладающая электрической проводимостью и обеспечивающая протекание тока в электрической цепи. Нередко, соприкасающиеся тела называются контактами или контакт-деталями. 2.1. Классификация электрических контактов Виды контактных соединений, наиболее часто встречающиеся в электрических аппаратах, классифицируются по различным признакам. 1. По виду соединения электрические контакты могут быть: - взаимонеподвижные: а) разъемные (например, болтовое соединение); б) неразъемные (сварные, паяные, напыленные); - взаимоподвижные: а) неразмыкающиеся – предназначенные для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижную или наоборот: щеточные скользящие (рис. 2.1,а); б) жидкометаллические (рис. 2.1,б); в) роликовые (рис. 2.1,в); г) размыкающиеся – расходящиеся в процессе работы [мостиковые контакты (рис. 2.2,а), розеточные (рис. 2.2,б), щеточные (рис.2.2,в), пальцевые или ножевые (рис.2.2,г), с плоскими пружинами (рис.2.2,д)]. Рис. 2.1. Неразмыкающиеся взаимоподвижные контакты: а – щеточные скользящие; б – жидкометаллические; в – роликовые Рис. 2.2. Размыкающиеся контакты: а – мостиковые; б – розеточные; в – щеточные; г – пальцевые; д – с плоскими пружинами 2. По возможному перемещению контактирующих деталей а) Разборный контакт (контактное соединение) - это конструктивный узел, предназначенный только для проведения электрического тока, но не предназначенный для коммутации (болтовое соединение “шин”, присоединение проводника к зажиму). б) Коммутирующие контакты - это конструктивный узел, предназначенный для коммутации электрической сети (выключатель, контактор, рубильник). в) Скользящие контакты - разновидность коммутирующего контакта, у которого одна деталь скользит относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается (контакты реостата, щеточный контакт, шарнирный контакт, проскальзывающий контакт). 3. По форме контактирования а) Точечный контакт (контакт в одной физической площадке: сферасфера, конус-плоскость и т.п.). б) Линейный контакт - условное контактирование происходит по линии (ролик-плоскость). в) Поверхностный контакт - условное контактирование по поверхности. Кроме того контакты бывают герметичными. Их называют ещё герконами. Подробнее с этим видом контактов Вы познакомитесь на предмете «Электрические и электронные аппараты». 2.2. Контактная поверхность и контактное сопротивление Для выяснения сущности явления электрического контакта рассмотрим механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам (рис.2.3,а). Обычно для обеспечения надежного протекания электрического тока контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия. Эта сила может создаваться при затяжке болтов, при обжатии контактного наконечника на конце провода или кабеля или из-за деформации пружин контактной системы. При этом микровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируются; в соприкосновение могут прийти другие выступы и они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия. Давление в разных точках поверхности контактных площадок в общем случае не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации. Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках; при сжатии их силой – по отдельным площадкам. Представим рассмотренные выше поверхности тел, которые находились в соприкосновении (рис.2.3.,б). Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации микровыступов, которые воспринимают усилие. Эта часть контактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей усилие. Очевидно, что электрический ток может проходить только в точках контактной поверхности, в которых имеет место механический контакт, т. е. через точки поверхности, воспринимающие усилие. Однако условие механического контакта является необходимым, но недостаточным. Рис 2.3. Контакт твердых тел: а – профилограмма контактирования; б – контактная поверхность При ближайшем рассмотрении поверхности, воспринимающей усилие, можно видеть, что она весьма неоднородна, а именно: в общем случае одна часть ее покрыта пленками оксидов, другая – адгезионными или хемосорбированными слоями атомов кислорода и, наконец, третья часть представляет собой чисто металлическую поверхность. Для прохождения электрического тока поверхность, покрытая оксидными пленками, обладает большим электрическим сопротивлением, поскольку удельное сопротивление оксидов на несколько порядков выше удельного сопротивления чистых металлов. Через поверхность, покрытую адгезионными и хемосорбированными слоями кислорода, электрический ток может протекать за счет туннельного эффекта. Этот участок поверхности имеет квазиметаллический характер проводимости. И наконец, третья часть поверхности проводит свободно электрический ток благодаря чисто металлической проводимости. (Адгезионный и хемосорбированный слои атомов кислорода, осуществляют слипание и сцепление слоёв, различных по свойству и составу, образуя прочные химические связи на поверхности металла – см. химию). Туннельный эффект - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике.см. физику) Квазиметаллические и металлические поверхности контакта принято называть α-пятнами. Это именно те части контактной поверхности, через которые в электрических контактах протекает ток. В электрических контактах ток проходит только через небольшую часть кажущейся контактной поверхности, и, следовательно, он должен испытывать сопротивление при прохождении через зону контакта. Paccмотрим однородный линейный проводник постоянного поперечного сечения (рис.2.4,а), по которому протекает постоянный ток I. Между точками а и б , находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U1. Тогда активное сопротивление участка проводника R1 = U1/I. Разрежем проводник в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой P (рис. 2.4,б). При протекании того же тока I получим разность потенциалов между точками а и б, U2, отличную от разности потенциалов U1. В этом опыте сопротивление R2 = U2/I. Разность сопротивлений Rк = R1 – R2 называется переходным сопротивлением контакта. Из рассмотренного выше можно предположить, что увеличение сопротивления Rк произошло из-за наличия оксидных пленок на поверхности контакта и их сопротивления Rпл. Однако, из опытных данных, переходное сопротивление контактов оказывается большим, чем сопротивление Rпл, и даже если сопротивление Rпл= 0, то сопротивление Rк для твердых контактов всегда будет отличаться от нуля. Рис. 2.4. К определению переходного сопротивления контактов: а – проводник; б – проводник с контактом Рис. 2.5. Область стягивания электрического контакта Очевидно, кроме пленок на поверхности контакт-деталей существуют еще какие-то причины возникновения переходного сопротивления. Рассмотрим протекание тока через электрический контакт с одним aпятном (рис.2.5). Если на некотором удалении от α-пятна линии тока параллельны друг другу, то в непосредственной близости от него они искривляются и ” стягиваются” к α-пятну. Область электрического контакта, где линии тока искривляются, стягиваясь к α-пятну, называется областью стягивания. В областях стягивания поперечное сечение проводника используется не полностью для протекания электрического тока, что и вызывает дополнительное по сравнению с сопротивлением однородного проводника активное сопротивление. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания. 2.3. Переходное сопротивление электрического контакта Если под микроскопом взглянуть на контакт-детали, то видно, что контакт осуществляется по микровыступам. Существует две причины возникновения контактного сопротивления: 1) Резкое уменьшение сечения проводника в месте контактирования (засчет микровыступов) 2) Образование на контакте окисных пленок, удельное сопротивление ρ которых обычно выше, чем удельное сопротивление ρ основного металла. Контактное сопротивление определяется следующей зависимостью : RK = ε / pn , где ε - величина, зависящая от материала, способа его обработки, состояния контактирующей поверхности. p - сила, сжимающая эти контакты. n показатель степени, характеризующий число точек соприкосновения: 0.5 - для точечного контакта 0.7 - для линейного контакта 1 - для поверхностного контакта Выводы: 1.Контактное соединение зависит от материала и его окисла. 2.Контактное соединение зависит от контактного нажатия. 3.Контактное соединение зависит от состояния контактной поверхности (шлифованная или нет) 4. Контактное соединение зависит от условной площадки контактирования. Если будем увеличивать площадь контакта, то будет увеличиваться число физических точек контактирования. Поскольку в пределе n = 1, то нет особого смысла увеличивать поверхность соприкосновения контакта. Часто поверхность соприкосновения выбирается вследствие эффективного рассеивания тепловой мощности, выделяемой в контактах. Pтепл = I2 × RK. 2.4. Материалы для контактных соединений Требования к этим материалам: 1. Высокая электропроводность и теплопроводность. 2. Стойкость против коррозии. 3. Стойкость против образования пленок с высоким ρ. 4. Малая твердость материала, для уменьшения силы нажатия. 5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях. 6. Малая эрозия. 7. Высокая дугостойкость (температура плавления). 8. Высокое значение тока и напряжения, необходимые для дугообразования. 9. Простота обработки и низкая стоимость. В природе нет материалов, полностью удовлетворяющих этим требованиям. Медь удовлетворяет всем пунктам, кроме 2го и 5го. Серебро, удовлетворяет всем требованиям за исключением дугостойкости. Используют в качестве накладок на рабочие поверхности из меди. Платина, золото, молибден. Используются на малые токи при малых напряжениях, т.к. не образуют окисных пленок. Вольфрам и его сплавы (с малибденом и платиной) используются на малые и большие токи в качестве дугостойкости контактов. Металлокерамика - механическая смесь двух практически не сплавляющихся, металлов получаемая методом спекания их порошков или пропиткой одного расплавом другого. Один из материалов имеет большую проводимость, другой обладает механической прочностью, дугостойкостью, тугоплавкостью (серебро, вольфрам, Ag-Ni, Ag-Графит,Ag-окись кадмия, Agмолибден). Металлокерамика применяется в качестве дугогасительных контактов, в качестве основных основных контактов на токи до 600 А. Aлюминий для коммутирующих контактов не используется, применяется только в разборных соединениях, при ормировании его медью или серебром. Применяются также его сплавы. 2.5. Контрольные вопросы 1. Что такое электрический контакт? 2. Какие виды контактов Вам известны? 3. Что такое площадь контакта и чем она отличается от кажущейся видимой поверхности контактов? 4. Что такое переходное сопротивление контактов? 5. В результате чего возникает контактное сопротивление? 6. Назовите составляющие переходного сопротивления контактов. 7. Какие требования предъявляются к материалам контактов? 2.6. Задание для самостоятельного изучения 1. Явление спекания (сваривания) контактов во включенном состоянии 2. Износ контактов. Дребезг 3. Заключительная часть После общих замечаний и объявления темы следующей лекции лектор организует выход из аудитории, контроль присутствия и заполняет журналы. САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ Явление спекания (сваривания) контактов во включенном состоянии При прохождении тока в площадке контактирования согласно закону Джоуля-Ленца будет выделяться тепловая энергия: Вследствие нагрева контакта, он еще в большей степени окисляется. Это приведет к увеличению контактного сопротивления RK и приведет к увеличению энергии, выделяемой в контакте WK . Ток определяется нагрузкой, он постоянный. Процесс может стать лавинообразным и при некоторой температуре на поверхности образуется слой жидкого металла. Контактное сопротивление резко уменьшается, энергия выделяемая тоже резко уменьшается. Металл охлаждается и кристаллизуется (затвердевает). Это явление является отрицательным для коммутирующих контактов. Для борьбы с этим явлением используется понятие - провал контактов, т.е. сжатие контактов при помощи контактной пружины. Провал контактов - это расстояние, на которое перемещается подвижная контактная система после касания контактов (расстояние на которое перемещается контактная система, если неподвижную контактную систему мысленно убрать). Х - провал контакта [мм] - это паспортная техническая величина, обеспечивающая усилие нажатия. В процессе эксплуатации контакт изнашивается (трение, выгорание части контакта вследствие электрической дуги) и контактное нажатие снижается, а значит увеличивается сопротивление контакта и возрастает опасность сваривания. Поэтому провал контактов в процессе эксплуатации контролируется. Допустимо уменьшение провала контактов на 50% от начального значения приведенного в документации завода изготовителя. Износ контактов. Дребезг Износ - это разрушение рабочей поверхности коммутирующего контакта, приводящее к изменению формы, размера, массы и к уменьшению провала контактов. а) Износ при размыкании. Сила сжимающая контакты уменьшается до нуля, резко возрастает контактное сопротивление, возрастает плотность тока в последней площадке контактирования. Вся энергия стала выделятся в этой площадке, она разогревается и расплавляется. И между расходящимися частями контакта образуется мостик жидкого металла (контактный перешеек), этот мостик рвется и в промежутке между контактами возникает электрический разряд. Два вида разряда: 1) Для меди, при токе 0.5 А и напряжении > 15 В возникает дуговой разряд. 2) При токах < 0.5 A - искровой разряд. Под действием высокой температуры искры (дуги) часть металла разбрызгивается и выбрасывается из контактного промежутка. При искровом разряде на поверхности контакта образуются лунки и наплывы-эрозия контактов. б) Износ при замыкании вызван дребезгом контактов. Дребезг - это отбрасывание подвижной контактной системы за счет упругой деформации неподвижной контактной системы (на расстояние 0.01 0.1 мм). Процесс этот идет с затуханием (с затухающей амплитудой). При каждом отбросе возникает электрическая дуга (искра) смотри первый случай, вызывающая износ контактов. Дребезг может быть опасным, когда величина амплитуды колебаний системы превосходит величину упругой деформации системы. При этом происходит разрыв цепи. В противном случае возникает неопасный дребезг. Теоретически дребезга избежать невозможно, поэтому при проектировании электрического аппарата добиваются, чтобы дребезг был неопасным.
