КОНТАКТЫ И КОНТАКТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Глава 2ТОКОВЕДУЩИЕ ЧАСТИ

2.1. ПРОВОДА И КАТУШКИ

Силовые цепи
Вспомогательные цепи	2,5
Цепи управлени	1,5
» отопления
Заземления разрядников
» других аппаратов
Блоки электронных аппаратов	0,35

Провода и шины. В состав токоведущих частей аппаратов вхо­дят проводники различных видов, являющиеся как частью аппа­рата, так и используемые для соединения его с другими элемента­ми оборудования.

Провода э.п.с. работают в особых условиях и поэтому отличаются от проводов для стационарного оборудования. В ка­честве основных соединительных применяют специальные одно­жильные провода повышенной гибкости с медными жилами, уси­ленной резиновой изоляцией и усиленной противогнилостной оп­леткой марки ПС или в резиновых шлангах марки ПСШ на напря­жения 1, 2, 3 и 4 кВ. Провода ПС прокладывают в кузове пучками или в кондуитах — тонкостенных стальных трубах, провода ПСШ — без дополнительной защиты на открытом воздухе. Для цепей управления предназначены провода на напряжения 1 и 2 кВ. В поездных цепях управления используют 16- и 37-жильные про­вода (площадь сечения жилы 2,5 мм³) в общей усиленной оплетке марки ПСЭО (ППСРМО) или в резиновом шланге марки ПСЭШ (КПСРМ-660) на напряжения 1 и 2 кВ.

Провода других марок, применяемые в промышленном оборудовании, используют только для внутренних соединений аппаратов, если устранено воздействие на них вибраций и других возмущений. Попытки применить на э. п. с. гибкие провода с алюминиевыми жи­лами не увенчались успехом вследствие их недостаточной гибкос­ти и низкой усталостной прочности.

Исходя из механической прочности и электрических нагрузок устанавливают минимальную площадь сечения, мм², проводов раз­личных цепей э. п. с.:

Для силовых цепей применяют медные, алюминиевые или сталь­ные (расположены на крыше) шины, изоляционные крепления ко­торых должны быть устойчивыми к тряске. При установке и монтаж

Провода соединяют зажимными контактами, обязательно предусматривая меры, предотвращащие саморазвинчивание.

Рис. 2.1. Принципиальная схема (а) и фактическое исполнение (б) раз­ветвления в системах электрообору­дования э.п.с.

Жесткие шины соединяют с аппаратами и машинами гибки­ми проводами.

Из-за недостаточ­ной устойчивости к тряске вне аппаратов нельзя наращивать провода пайкой, исключая мало­ответственные ответвления, например к осветительной арматуре. Все соединения производят на зажимах аппаратов; на каждый зажим можно устанавливать два-три наконечника проводов 1—3 (рис. 2.1).

Все разборные электрические соединения осуществляют, толь­ко применяя наконечники или соединительные шины. Не допуска­ется использовать кольца, скрутки, открытые наконечники или зажимы, из которых провод может выскользнуть при ослаблении крепления. Устанавливать зажимы для гибких проводов без наконечников можно только у выводов резисторов и в других слу­чаях, когда температура проводника может превышать допустимую для припоя.

Для силовых и вспомогательных цепей наиболее практичны и надежны наконечники, показанные в пп. 1 и 2 табл. 2.1. Припаивае­мые наконечники с обжимными кольцами для механической раз­грузки жил (пп. 4 и 5) применяют для проводов с малой площадью сечения, преимущественно проводов цепей управления. Для та­ких проводов перспективно применение наконечников обжимного типа (п. 6), не требующих пайки, которые широко используют в за­рубежной практике и на отечественных заводах.

Площадь поперечного сечения жил проводов определяют по ус­ловиям теплового баланса при допустимом превышении температу­ры

(2.1)

где — удельное сопротивление проводника; а_то — коэффициент теплорассеяния, П — периметр проводника.

Вводят понятие коэффициента формы сечения проводника, от которого зависит интенсивность теплорассеяния: учетом

(2.2)

Значения коэффициентов формы зависят от сечения проводника (табл. 2.1)

Приведенные соотношения от­носятся к проводникам без изоля­ции ИЛИ с тонким изоляционным слоем. Для проводников с толстым изоляционным слоем нагрузки вы­бирают в зависимости от допусти­мого превышения температуры их изоляции . При этом допустимое превышение температуры провод­ника

 

Рис. 2.2. Номинальный ток для проводов с резиновой изоляцией в зависимости от S

 

 

Перепад температуры в изоля­ции

 

где , — соответственно мощность установившихся потерь и поверхность теплоотдачи на 1 м длины проводника; ,толщина изоляции; , — коэффициент теплопроводности изоляции.

Номинальный ток зависит от площади сечения (рис. 2.2) прово­дов. При непостоянных нагрузках расчет ведут на эффективный ток

 

где i — текущее значение тока в продолжении рассматриваемого цикля работы продолжительностью Т.

При повторно-кратковременных (ПВ) режимах с током I и про­должительностью включения t_nB в абсолютных цифрах

I_эф =I

Площади сечения проводов нормированы, в условиях э.п. с. для них нормированы допустимые нагрузки при различных значениях ПВ (табл. 2.3).

Таблица (2.3)

Площадь Сечения,	Допустимый ток, А, при	Площадь Сечения,	Допустимый ток, А, при
	0,40	0,25		0,40	0,25
1,5
2,5

 

Таблица(2.4)

Площадь Сечения,	Диаметр Проволоки, мм	Размеры Провода, мм		Площадь Сечения,	Диаметр Проволоки, мм	Размеры Провода, мм
1,5	0,08	2,3			0,13	6,7
2,5	0,10	2,6			0,08	2,5x10
	0,13				0,10	4x14
	0,13	5,4			0,10	4x20

Приведенные в табл. 2.3 данные соответствуют температуре окружающего воздуха 40°С и обычным условиям охлаждения. При ухудшении этих условий (например, для пучков с большим числом проводов) допустимые нормы токов снижают. В случае параллель­ного включения нескольких проводов из-за неточного распределе­ния нагрузки между ними площади сечения принимают с запасом 10-15%.

Шины прямоугольного сечения целесообразно устанавливать на узкое ребро и окрашивать в черный цвет. Необходимая площадь сечения шин при этих условиях определяется плотностью тока в них j=I/s.

Для нормально охлаждаемых шин из меди, установленных на узкое ребро, принимают j= 4 6 А/мм². Большие значения отно­сятся к шинам, имеющим небольшие площадь сечения и толщину, меньшие — к шинам, рассчитанным на большие токи и имеющим большую толщину. При неокрашенных и особенно полированных шинах плотность тока снижают до 0,72—0,85 от приведенных значений. Площадь сечения алюминиевых шин принимают исходя из допустимой плотности тока, равной 0,6—0,62 плотности для ана­логичных медных шин.

Гибкие шунты соединяют подвижные токоведущие час­ти с неподвижными. При сравнительно небольших изгибах и для токов более 300—400 А применяют гибкие шунты, набранные из полос мягкой медной ленты (фольги), толщиной не более 0,01 мм. Если перемещение подвижных частей значительно или происходит в нескольких плоскостях, применяют гибкие шунты, сплетенные из высокогибкого провода марки ПЩ. При токах более 100 А, ког­да площадь сечения превышает 10 мм², шунту придают прямоуголь­ное сечение, сплетая его из круглых проводов ПЩ (табл. 2.4).

Для больших токов шунты составляют из нескольких шунтов меньшей площади сечения, соединяя их в общих наконечниках (см. табл. 2.1, рис. з). Для сохранения гибкости составного шунта, имеющего несколько слоев, надо выбирать длины составляющих шунтов исходя из рис. 2.3:

(2.4)

где — длины прямых участков, мм; —полная длина слоя п, мм; — угол выкружки рад. ; R — радиус внутренней выкружки шунта, мм; а — толщина слоя шунта, мм.

Аналогично выбирают длины медных полос для фольговых шун­тов. Зазор между полосами принимают примерно равным толщине полосы, при этом уравнение (2.4) примет вид

+ . (2.5)

Катушки тяговых аппаратов. В исполнительных системах ка­тушки используют для создания м. д. с. в их приводах и дугога­сительных устройствах, в распорядительных системах — в качест­ве чувствительных элементов, воспринимающих различную инфор­мацию о токах, напряжениях и других величинах. Катушки — ос­новная часть реакторов различного назначения.

По конструкции катушки обычно подразделяют на проволоч­ные, изготовляемые из изолированного провода обычно круглого сечения, и шинные, изготовляемые из шинных проводников, как изолированных заранее, так и изолируемых в процессе намотки. Шинные катушки, например дугогасительные, часто выполняют без витковой изоляции, при этом междувитковой изоляцией служит воз­дух.

Проволочные катушки получили наибольшее рас­пространение; их обычно изготовляют из круглого обмоточного про­вода диаметром до 3—4 мм. Конструкции таких катушек зависит преимущественно от напряжения, на которое они рассчитаны. Низ­ковольтные катушки (рис. 2.4) обычно включают в цепи управления напряжением 50—110 В. Испытательное напряжение для них 1,5 кВ.

 

Намотка катушки рядовая, через каждый слой обмотки проло­жена телефонная бумага. Концы обмотки скручивают втрое, изо­лируют электротехническим чул­ком и припаивают к выводам.

 

Рис.2.3 К расчету дины многослойных гибких шунтов

Для низковольтных катушек такая изоляция внутреннего вы­вода вполне достаточна. Под вы­водами укладывают дополни­тельные изолирующие проклад­ки, которые закрепляют на ка­тушке однослойным бандажом из

кордной нити. Снаружи ка­тушку изолируют стеклолентой, внутрь катушки плотно уста­навливают стальную втулку, предотвращающую механические повреждения. Такие бескаркас- ные катушки наиболее просты в. изготовлении, но из-за недостаточной изоляции внутреннего вывода мало пригодны для вы­соких напряжений. Проволочная катушка (рис. 2.5) применена, например, в реле боксования; она рассчитана на рабочее напряже­ние 110—220 В, но может выдерживать напряжение до 1500 В. Ка­тушка разделена изоляционной шайбой по высоте на две равные части; обмотка на обеих частях / и II выполнена раздельно, как это представлено в схеме а. Это рядовая обмотка, в ней телефонная бу­мага проложена через каждые два слоя. Внутренние концы обеих обмоток соединяют в нижнем слое (возможна даже обмотка без соединения пайкой или сваркой), оба вывода отходят от внешних витков. Выводы сделаны из провода ПС-1000.

Подобную катушку можно выполнить только каркасного типа. В рассматриваемой конструкции использован сборный каркас, со­стоящий из двух пластмассовых фланцев 8, связанных металличес­ким каркасом 9. Между фланцами и каркасом в качестве изоля­ции проложено несколько слоев стеклоткани и стеклоленты. Такая конструкция позволяет использовать одинаковые фланцы, изоляци­онные шайбы, металлические каркасы для катушек различных раз­меров. По сравнению с катушкой, показанной на рис. 2.4, здесь существенно усилена внешняя изоляция. Обмотка покрыта стеклолентой и, кроме того, защищена от механических повреждений электрокартоном 6.

Таблица 2.5

Класс изоляции	Превышение температуры, катушек, ℃	Класс изоляции	Превышение температуры, катушек, ℃
многовитковых	реактора	многовитковых	реактора
A			F
E
H
B

 

Рис. 2.4. Низковольтная проволочная катушка реле:

1-лента ЛЭС 0,2мм; 2-нить хордная; 3- провод АЭТВ 0,47мм; 4,6- прокладки; 5- стеклоткань; 7- бумага телефонная; 8-скоба; 9- шайба пружинная; 10- винт;11- вывод; 12-втулка стальная.

 

Рис. 2.5, Схема (а) и конструкция (б) катушки реле боксования:

1-провод ПЭВ или ПЭТВ 1мм; 2-шайба;3-стеклоткань;4-провод ПС-1000 ,11,5м; 5-стеклолента, 0,16мм;6-электрокартон, 0,5мм; 7-нить хордная;8-фланец;9-каркас;10,11-стеклоткань.

 

Рис.2.6 к расчету проволочных котушек

Анализ конструкции аппаратов показывает, что основные раз­меры применяемых в них проволочных катушек (рис. 2.6) связа­ны определенными соотношения­ми, которые обусловлены рацио­нальным исполнением аппаратов:

 

 

где D_H, D_B — соответственно на­ружный и внутренний диаметр катушки; H— ее высота.

Размеры проволочных катушек зависят от большого числа факто­ров и прежде всего от их допусти­мых превышений температуры т_д. В табл. 2.5 приведены значения т_д для катушек тяговых аппаратов

 

Рис. 2.7 Рис. 2.8

Рис. 2.7. Коэффициент заполнения обмоток проволочных катушек в зависимо­сти от диаметра d провода:

I -эмалированные провода ПЭЛ, ПЭВ, ПЭВА, ПЭТВ и др.; 2 — то же с однослойной волокнистой изоляцией: ПЭЛШО, ПЭЛВО и др.; 3 — то же с двухслойной волокнистой изоляцией ПБД, АПБД, ПСД, АПБС, ПСКД и Др.

Рис. 2.8. Распределение превышения температуры продолжительного режима но радиусу R проволочной катушки при Н=120 мм, =60 мм

при температуре окружающего воздуха до +40 °С по ГОСТ 9219—88.

Нагревание катушки зависит от потерь в ее обмотке. Мощность потерь

(2.7)

Сопротивление обмотки

= D_cw/( s), (2.8)

где w — число витков катушки; — удельная проводимость проводника обмотки; D_c — средний диаметр проводника обмотки:

D_c = 0,5 (D_H + Dв) =0.5 (1 + r) D_H. (2.9).

Уравнения (2.8) и (2.9) выявляют зависимость мощности по­терь от размеров катушки. Эта зависимость еще более очевидна, если рассмотреть связь между размерами катушки и числом ее витков:

(2.10)

где s — площадь сечения проводника, см²; Q — объем обмоточного про­странства, см³; — коэффициент заполнения обмоточного пространства Q медью, зависящий от формы проводника, изоляции катушки, способа на­мотки, точности изготовления катушки.

Значения для круглых обмоточных проводов различных марок можно определить по кривым, приведенным на рис. 2.7,

С учетом уравнения (2.6)

=0,5 у (1—z)/s. (2,11)

При расчете тепловых процессов, определяющих параметры электротехнических устройств, часто исходят из гипотезы однород­ного тела, все части которого при установившихся режимах имеют одинаковую температуру. Однако вследствие большой неоднород­ности внутренней структуры проволочных катушек для них такая гипотеза не подходит. Это подтверждает и представленная на рис. 2.8, полученная экспериментально кривая распределения по радиусу R катушки превышения температур. Даже при у — 2, что значительно превышает принимаемое обычно, в установившемся режиме обнаруживаются существенные разницы температур, не­избежно возрастающие при снижении у.

Условия теплорассеяния для проволочных катушек обычно не­благоприятны, так как катушки располагают в стесненном про­странстве, необдуваемом воздухом. Особенно плохо рассеивается тепло с торцовых поверхностей, которые почти всегда закрыты. При расчетах теплорассеяние учитывают только с боковой поверх­ности S катушки

S = D_HH= (2.12)

Удельная мощность теплорассеяния для продолжительного ре­жима, Вт/см²,

= P/S= P/( ). (2.13)

Для наиболее часто применяемой изоляции классов А и Е при­нимают расчетные значения 0,09 0,12 Вт/см² при продол­жительных режимах их . Для изоляции класса В при тех же условиях 0,13 0,15 Вт/см². Исходя из выражений (2.6)— (2.13) можно установить зависимость между необходимой м. д. с.

= Iw и наружным диаметром катушки D_H

D_H (2.14)

Полученные зависимости дают возможность уточнять параметры и размеры катушек с учетом всех конструктивных элементов аппа­рата.

Шинные катушки тяговых аппаратов обычно выполняют бескаркасными с намоткой на шаблонах. Их подразделяют преиму­щественно по принципу намотки. Наиболее распространены шинные катушки с намоткой из голой шины на узкое ребро. К ним относится большинство дугогасительных катушек коммутационных аппара­тов. Так как падение напряжения в этих катушках невелико, их выполняют или без изоляции витков, или с однослойной изоляцией из стеклоленты (рис. 2.9).

При намотке на узкое ребро внутренняя часть витков утолща­ется, а наружная утоньшается, что заставляет увеличивать шаг витков. Для устранения этого и уменьшения зазоров между витками применяют шины трапецеидального сечения, так, что после на­мотки сечение витков становится примерно прямоугольным. По­добные катушки часто используют и в токовых реле, где ток зави­сит только от состояния цепи.

 

Рис. 2.9. Катушка шинная, дугогасительная

 

 

 

Рис.2.10.Катушка заглаживающего реактора СР800

 

 

Рис. 2.11. Реле перегрузки РТ-255 (а) и его шина (б);

1 — боковина; 2 — пружина; 3 — шина; 4 - противовес; 5 — кожух; 6 ~ якорь; 7 — клин; 8 — ярмо; .9 —винт; 10 — блок-контакты; 11 — указатель срабатывания (блинкер)

ми применяют шины трапецеидального сечения, так, что после на­мотки сечение витков становится примерно прямоугольным. По­добные катушки часто используют и в токовых реле, где ток зави­сит только от состояния цепи.

В реакторах силовых цепей различного назначения применяют однослойные или многослойные катушки с радиальной (спираль­ной) намоткой, иногда собираемые в комплекты. Рассмотрим одну из двухслойных катушек (рис. 2.10) сглаживающего реактора элект­ропоезда. Для снижения пульсационных потерь каждый виток составляют из трех параллельных проводников, которые транс­понированы с внутренней и наружней сторон обмотки. Проводни­ки обмотки имеют площадь сечения 3x10 мм, изоляцию ПСДК (стекловолокнистая), усиленную дополнительной стеклолентой в местах переходов. Изоляция между катушками выполнена дистан­ционными бобышками 1 из пластмассы, хвостовики которых фикси­рованы между витками катушки и прокладками 2 из стеклотексто­лита.

Выбор типа шинных катушек зависит не только от условий их работы, но и от технологических возможностей. Так, часто шинные катушки сходны по технологии с катушками тяговых машин и их изготовляют не в аппаратном, а в машинном цехе.

При многослойных катушках со спиральной намоткой желательно, чтобы число слоев было четным, что позволяет все выводы делать от внешних витков.

У катушек реле или аппаратов защиты, выполняющих функции чувствительного элемента в цепях с большими токами, для получе­ния необходимых м. д. с. оказывается достаточно иметь один или дробное число витков. В этом случае можно использовать шину, форма которой удобна для конструкции аппарата. Примером могут служить реле перегрузки типов РТ-253—РТ-255 с седлообразными нишами — катушками (рис. 2.11), с числом витков 1/2.

Контакт — место прохождения тока из одной токоведущей час- 1м в другую. В электрических аппаратах контактами называют так­же' токоведущие детали, при соприкосновении которых замыкает-

< н электрическая цепь.

По ГОСТ 9219—88 контакты аппаратов подразделяют на ком­мутирующие, замыкающие и размыкающие цепи в процессе работы электрооборудования; контактные соединения — на разборные сое­диняемые и разъединяемые элементы цепи при монтаже и демон- иже частей электрооборудования, и неразборные, соединяемые и разъединяемые только при изготовлении и ремонте. Применительно к тяговым аппаратам разборные и неразборные контактные соединение при работе постоянно замкнуты.

На условия токопрохождения влияет состояние контактных поверхностей. На поверхностях практически всегда имеются неровное- hi—следствие обработки, изнашивания, пластических деформа­ций. Кроме того, поверхности контактов покрыты пленкой окислов и загрязнителей, образующейся как под воздействием кислорода и озона, так и при случайном попадании на них различных загрязни­телей. Толщина такой пленки зависит от многих факторов, но обыч­но находится в пределах 10~⁶ — 10^_б мм; она имеет значительное удельное электрическое сопротивление, достигающее 10^б Ом • см.

Под воздействием силы F_K, сжимающей соприкасающиеся де­тали, на их поверхностях образуются контактные пятна — места непосредственного соприкосновения суммарной площадью s. Зависимость этой площади от давления р_к создаваемого силой F_к, представлена на рис. 2.12. Сравнительно небольшая часть тока проходит через пленку, покрывающую поверхность, основная его часть — через отдельные токопроводящие точки (токопроводящие каналы), в которых поверхностные пленки разрушены силой на­жатия или в результате электрического пробоя. Таким образом, распределение тока по соприкасающимся поверхностям неравномер­но и имеет случайный характер. При нормальном состоянии контактных поверхностей число

 

Рис. 2.12. Зависимость общей площади контактных пятен от давления

 

токопроводящих точек доста­точно велико и в пределах каждого контактного пятна примерно пропорционально его площади.

Прохождение тока только через контактные пятна при­водит к тому, что ток, рав­номерно распределенный по площади сечения контактных деталей, стягивается к кон­тактным пятнам; это вызы­вает местное повышение его плотности. Соответствен но возникает электрическое со­противление стягивания r_ст. Полное сопротивление кон­такта

r_к = r_пл + r_ст,

где - сопротивление в контактных пятнах, вызванное неполным разрушением поверхностных пленок.

Выбрав определенную форму контактных поверхностей, кон­тактному соединению можно придать требуемые свойства. Сущест­вуют три основных вида контактов.

1. Точечный контакт образуется, если контактирующим поверх­ностям придать форму сфер или сферы (рис. 2.13, а) и плоскости (рис. 2.13, б). Геометрически такие поверхности соприкасаются в точке, что и дало наименование виду контакта. Однако под воздей­ствием силы F_K происходит деформация контактных деталей, и теоретически они соприкасаются площадкой в виде окружности с радиусом а. Величина радиуса а определяется уравнением Беляева- Герца. Так, для наиболее частого случая, когда обе контактные де­тали из одного и того же материала, но одна из них имеет форму сферы радиусом R, а другая — плоскость,

(2.15)

где Е модуль упругости материала деталей.

Для тех же условий, но при сферической форме обеих поверх­ностей,

(2.16)

Предполагают, что при точечном контакте возникает лишь одно контактное пятно нерегулярной формы и для его получения необ­ходимо нажатие F_K. На самом деле, особенно при увеличении радиу­са R (рис. 2.13, в), когда увеличивается и радиус а, возможно образование нескольких контактных пятен. Радиус а можно увеличить, повышая силу F_K, но это связано с переходом от упругих деформации контактных деталей к пластическим. При этом точечный контакт теряет свои свойства и становится поверхностным. Наибольшие давление в месте соприкосновения

(2.17)

Этим определяется наибольшее допустимое значение радиуса

. (2.18)

где - предельное допустимое напряжение смятия.

У точечных контактов ограничено число и размеры контактных Uluru, что ограничивает и расчетные значения допустимых токов. И условиях тяговых аппаратов точечные контакты применяют пре­имущественно в цепях управления. При медных контактных дета* t*ix допустимые токи в месте контакта I_д 6 8 А; при контактах, выполненных из серебряных сплавов, I_д 100 120 А.

2. Линейный контакт образуется, если контактирующие поверхности имеют цилиндрическую форму и соприкасаются по образующим(рис. 2.14, а) или цилиндрической образующей с плоскостью (рис. 2.14,6). Соприкасаются такие поверхности по прямой линии.

Сжатие контактов силой F_K сопровождается их деформацией и превращением контактной линии в площадку, имеющую приблизительно форму прямоугольника (рис. 2.14, в). Его большая сто­рона равна ширине контакта b, а меньшая определяется как:

(2.19)

Числовой коэффициент перед знаком радикала возрастает по мере увеличения R. Его значение 0,2 относится к случаю соприкосновение цилиндра с плоскостью. Обычно в тяговых аппаратах \ 0,1 0,3 мм.

И действительности ток проходит не по всей поверхности сопри­косновения, а через отдельные контактные пятна (см. рис. 2.14, в).

 

 

Рис. 2.13. Точечный контакт Рис. 2.14. Линейный контакт

 

 

Рис. 2.15. Поверхностные контакты:

в —стыковой; б — клиновой; в — ножевой; г — штепсельный

Их число и площадь зависят от состояния поверхностей контакти­рующих деталей.

Наибольшая допустимая сила F_{K ma}x определяется наибольшим давлением

(2.20)

Для того чтобы не возникало пластических деформаций, должно выдерживаться условие .Теоретически линейные кон­такты можно использовать при любых токах, так как число кон­тактных пятен и их общая площадь увеличиваются с увеличением ширины контактов Ь. Однако значение Ь, особенно если контакти­руют две цилиндрические поверхности, ограничивается трудностью обеспечения точной параллельности их осевых линий. При взаим­ном перекосе длина поверхности соприкосновения уменьшается почти до нуля. Поэтому в тяговых аппаратах обычно принимают b 25 30 мм. Если необходимо увеличивать их ширину, приме­няют не одну, а несколько контактных пар, соединяя их парал­лельно.

При линейном контакте сравнительно просто место первоначаль­ного соприкосновения контактных деталей при замыкании и их раз­мыкании отдаляется от места рабочего соприкосновения. Кроме того, успешно осуществляется самозачистка (притирание) контакт­ных поверхностей. Поэтому линейные контакты являются основ­ными в силовых цепях коммутационных тяговых аппаратов. При то­ках более 1—2 кА применяют поверхностные контакты.

3. Поверхностными контактами (рис. 2.15) называют такие, в которых предусмотрено геометрическое соприкосновение контакт­ных деталей по какой-то поверхности даже при отсутствии силы F_к, Поверхностные контактные соединения появились ранее других видов контактов, постепенно уступая им место в коммутирующих аппаратах. В тяговых аппаратах их используют преимущественно

как разборные.

Поверхностные контакты соприкасаются не всей поверхностью, контактными пятнами. Количество, площадь и расположение контактных пятен случайны и зависят преимущественно от состояния контактирующих поверхностей и от давления, создаваемого силой нажатия F_K. Для стыкового контакта и некоторых других типов ми давление

(2.21)

где S — площадь контакта.

В разборных контактных соединениях увеличение суммарной площади контактных пятен достигается в результате пластических деформаций контактных поверхностей. Для этого контактные поверхности покрывают слоем более мягкого металла — лудят их мягкими припоями. При плоскостных, в частности стыковых контактах, как правило, наряду с более мелкими возникают три явно выраженных основных контактных пятна. Это следствие статической уравновешенности системы на трех опорах.

И контактах любых видов возникают местные переходные сопро­тивления которые обычно называют контактными. Эти сопротивление по своей природе относятся к случайным величинам. Они зависят от материала контактных деталей, состояния контактных поверхностей (их обработки, степени окисления и загрязнения),

<илы нажатия и ее распределения по контактной поверхности. Эмпи­рически для контактов всех видов установлена следующая зависи­мость:

(2.22)

где _к — коэффициент контактного сопротивления, зависящий от материла контактных деталей (контактной пары), значения которого приведены в шГ>л. 2.6; т — показатель, определяющий степень зависимости контактного сопротивление от силы F_K (для точечных контактов т 0,5, для линейных m 0,7 0,85 и для поверхностных m ).

В табл. 2.6 наименьшие значения относятся к абсолютно чистым поверхностям, наибольшие — к их предельным эксплуатационным состояниям. Относительные значения коэффициентов

,

Где = 0,8 1 Ом Н—коэффициент контактного сопротивления для контактной пары из абсолютно чистой меди.

Соответственно r_к = к_мк

При выборе материала контактных деталей учитывают не только сопротивления чистых контактов, но и изменения этих сопротивле­ний при окислении контактных поверхностей. Окислы большинства металлов обладают значительно большими контактными сопротив­лениями, чем металлы, т. е. чистые поверхности. Наихудшие свой­ства в этом отношении имеет алюминий, который практически нельзя использовать для коммутирующих аппаратов, исключая те случаи, когда контактная деталь непрерывно механически зачищается при работе (например, контактные вставки токоприемников).

Наименьшая разница между контактными сопротивлениями окисленных и неокисленных контактов присуща серебру. Так, до температур 180 °С на поверхности серебра образуется очень тонкий слой окисла Ag₂0, не ухудшающий существенно свойства кон­такта. При температуре выше 180 °С окисел разлагается на исход­ные элементы. Аналогичными свойствами, но в меньшей степени обладает олово. Серебро и олово в чистом виде для контактов не применяют.

По усредненным опытным данным получена зависимость r_K(F_K) для линейного контактного соединения при разных материалах кон­тактных деталей (рис. 2.16). Наряду с медными и серебряными испытаны некоторые металлокерамические контакты, полученные спеканием смеси порошков проводниковых металлов (серебра, ме­ди) с порошками материалов, имеющих высокие тепло- и износо­стойкость (вольфрам, окислы различных металлов).

Для разборных контактных соединений с поверхностным кон­тактом применяют преимущественно Луженые медные наконечники, основные типы которых представлены в табл. 2.2. Большинство коммутирующих контактов силовых цепей изготовляют из твердо­тянутой профильной меди, обладающей сравнительно высокой твердостью и износостойкостью. В тяговых аппаратах также полу­чают все большее распространение контакты с металлокерамичес­кими напайками. Они повышают долговечность контактных дета­лей приблизительно в 2—3,6 раза по сравнению с медными контак­тами. При их применении в результате меньшего износа лучше со­храняются первоначальные форма и размеры, т. е. более стабильны и основные характеристики аппарата.

В цепях управления применяют скользящие пальцевые контакт­ные соединения (они состоят из неподвижного стального контак-

 

Рис.2.16 Зависимости сопротивлений линейных металлокерамических контактов при b = 20 мм:

MВ-70 (медь—вольфрам); 2 — СВ-50 (серебро — вольфрам); В — медь и СОК-15 (серебро-окись кадмия); 4 — СВ-70; 5 —CGM-10 (серебро-окись меди); 6 — серебро.

Рис. 2.17. Допустимые падения напряжения контактных соединений коммутирующих (кривая 1), разборных и неразборных (кривая 2)

 

На пружины и подвижного медного), а также стыковые одиноч­ные или мостиковые контакты с серебряными напайками.

И тяговых аппаратах состояние контактов имеет по существу ( I у чайный характер, поэтому состояние их необходимо периоди­чески проверять. Основной показатель качества контактного соеди­нении падение напряжения в нем I'm- ‘Л10. Зависимости сопротивлений линейных металлокерамических кон-

U_K = Ir_K.

Удовлетворительному состоянию контактных соединений соот­ветствуют при номинальном токе аппарата I_ном допустимые паде­ния напряжения

r_K

Значения для коммутирующих, разборных и не разборных контактных соединений, приведенные на рис. 2.17, яв­ляются предельными: их нельзя превышать.

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:

 

1. Коммутирующие контакты (кроме п. 9) из меди, гилавов меди и метало керамики на основе меди
2. То же и скользящие контакты с накладками из се- ргбра или металлокерамики на основе серебра
3. Коммутирующие контакты реле или подобных ап­паратов при малых нажатиях (до 5 Н) с наклад­ными из серебра или металлокерамики на основе серебра
4. 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
5. То же, но с покрытием контактной поверхности серебром
6. Контактные неразборные соединения внутри аппа­рата, паянные мягкими припоями
7. Перазборные контактные соединения внутри аппа­рата, выполненные твердой пайкой или сваркой .
8. То же алюминиевые шины и голые алюминиевые провода, соединененные холодной или горячей
9. Контакты и другие детали, работающие как пру­жины:
а) медные (кроме п. 9, б)
б) медные контакты разъединителей
в) из фосфористой бронзы и подобных сплавов
г) из бериллиевой бронзы и купиаля
д) из углеродистой конструкционной стали

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		0,12		0,43	0,1
Серебро		0,09		0,37	0,24
Никель		0,22		0,65	-
Вольфрам		0,4		1,1	0,6
Г рафит

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.