2. REZYSTANCJA ZESTYKOWA

Transkrypt

1 2. REZYSTANCJA ZESTYKOWA 2.1. Cel i zakres ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest poznanie zagadnień związanych z rezystancją zestykową i zależności tej rezystancji od różnych czynników Zestyk elektryczny Wiadomości podstawowe. Zestykiem elektrycznym nazywa się połączenie w torze prądowym, w którym przepływ prądu jest możliwy dzięki dociśnięciu do siebie dwóch styków. Ogólnie rozróżnia się zestyki łączeniowe (do wykonywania operacji łączeniowych) i niełączeniowe (rys. 2.1). Zestyki łączeniowe są zestykami rozłącznymi zwiernymi lub rozwiernymi. Zestyki niełączeniowe mogą być zestykami nieruchomymi, w których styki nie zmieniają wzajemnego położenia (np. połączenia śrubowe, spawane) albo zestykami ruchomymi, w których styki mogą się wzajemnie względem siebie przemieszczać (połączenia obrotowe, ślizgowe, toczne). Zestyki łączeniowe można także podzielić na zestyki proste i zespolone. Zestyk zespolony złożony jest z zestyku podstawowego, który ma za zadanie przewodzenie prądu w warunkach ustalonych i zestyku opalnego, na którego stykach pali się łuk elektryczny. Zestyk łączeniowy (rozłączny) niełączeniowy (nierozłączny) prosty zespolony ruchomy nieruchomy Rys Ogólna klasyfikacja zestyków elektrycznych. Zestyki łączników elektroenergetycznych stanowią zwykle najbardziej obciążone termicznie części torów prądowych i z tego względu powinny być tak zaprojektowane i wykonane, aby w warunkach znamionowego obciążenia łącznika nie następowało przekraczanie temperatur dopuszczalnych długotrwale, a w warunkach zakłóceniowych (zwarcie, przeciążenie) styki nie powinny się sczepiać ani trwale odkształcać.

2 Materiały stykowe. Na materiały stykowe są używane metale czyste, stopy i spieki. Najlepszymi właściwościami wśród metali czystych charakteryzują się metale szlachetne: złoto, srebro, platyna i pallad; natomiast spośród metali nieszlachetnych: miedź, wolfram, molibden. Zaletami miedzi są duża konduktywność, łatwość obróbki i niska cena; wadami: stosunkowo niska granica plastyczności i topliwości oraz skłonność do tworzenia półprzewodzących warstw tlenków i siarczków. Wolfram i molibden charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną i wysoką temperaturą topnienia, ale ich wadą jest duża skłonność do utleniania powierzchni styków. Charakterystykę materiałów stykowych i zakres ich zastosowań podano w tab Rezystancja zestykowa. Wprowadzenie do toru prądowego zestyku powoduje zwiększenie rezystancji tego toru o wartość równą rezystancji zestykowej. Składają się na nią: - rezystancja przejścia, wywołana zagęszczeniem linii prądu w miejscach rzeczywistej styczności powierzchni styków (rys. 2.2), - rezystancja warstw nalotowej i adsorpcyjnej. Rys Szkic ilustrujący rozpływ prądu w zestyku przez rzeczywiste punkty styczności [2.2] Wartość rezystancji przejścia zestyku zależy od powierzchni zestyku. Powierzchnia styku niezależnie od dokładności obróbki nie jest idealnie gładka i rzeczywista powierzchnia może być potraktowana jako suma elementarnych powierzchni zestyków punktowych (rys.2.3), przy czym zależy ona od rodzaju materiału stykowego i siły docisku styków.

3 Tab Charakterystyka niektórych materiałów stykowych, wg [2.1] Materiał Właściwości Zastosowanie Miedź Srebro Złoto Platyna Pallad Nikiel Wolfram Molibden Srebro-miedź (stop) Srebro-kadm (spiek) Srebro-pallad (spiek) Metal tani, skłonny do tworzenia warstwy tlenków Łączniki wysokiego napięcia; i siarczków; wymagany duży docisk. wyłączniki olejowe. Wrażliwy na działanie siarki i siarczków, dość Posrebrzanie styków do obwopodatny na wędrówkę materiału; łatwy do spawania; dów wysokiej częstotliwości; niska temperatura topnienia; łatwy do obróbki. teletechniczne styki dociskowe i wtykowe; styki przekaźnikowe, nie nadaje się na styki podlegające ścieraniu i przy dużych Chemicznie odporne; mała rezystywność przejścia; duża stabilność rezystancji przejścia; skłonne do upalania i zespawania styków; niewielka twardość; duża ścieralność. Odporna na zużycie mechaniczne i elektryczne; mała przewodność elektryczna; odporna na upalanie i korozję; nie tworzy siarczków; bardzo droga. prądach. Pokrycia galwaniczne styków, pozłacanie wtyczek, wybieraków, styków nitowych w przekażnikach teletechnicznych. Styki o dużej niezawodności działania; styki przekaźników teletechnicznych. Bardzo twardy i odporny na upalanie; tańszy niż Styki teletechniczne; przekaźniki; platyna. pokrycia galwaniczne. Odporny na tworzenie się warstw nalotowych tlen- Styki urządzeń niskiego i wysokowych i siarczkowych. kiego napięcia. Bardzo wysoka temperatura topnienia; największa Styki zapłonowe w silnikach odporność na upalanie styków i spawanie; duża spalinowych; styki impulsowe trwałość; duże utlenianie przy łączeniach, ale w wybierakach; styki opalne dopiero po przekroczeniu temperatury C; w wyłącznikach; styczniki. wymagana duża siła docisku. Skłonny do upalania mniej niż wolfram; skłonny do Wyłączniki wysokiego napięcia. utleniania bardziej niż wolfram. Twardszy niż srebro; mniej skłonny do upalania niż srebro; mniej łatwy do spawania; rezystancja przejścia większa niż srebra. Mniej skłonny do sczepiania niż srebro; sprzyja gaszeniu łuku; odporny na wędrówki materiału; wrażliwy na działanie siarki i związków siarki. Materiał twardy, odporny na upalanie; powyżej zawartości 30% Pd bardzo odporny na działanie siarki; mniej skłonny do wędrówki materiału niż srebro; tańszy niż platyna i pallad. Łączniki krzywkowe; pierścienie ślizgowe; styki przekaźników przy średnich obciążeniach; stosowany przy większych narażeniach mechanicznych niż srebro w stycznikach. Łączniki krzywkowe; styczniki silnie obciążone prądowo; przekaźniki prądu stałego. Przekaźniki, wybieraki, potencjometry precyzyjne; aparatura do pracy w wilgoci i atmosferach przemysłowych.

4 a) b) Rys Model elementarnego zestyku punktowego wykorzystywanego w obliczeniach (a) oraz rozpływ prądu w zestyku punktowym (b) 1 - przewodząca powierzchnia styczności, 2 - warstwa nalotowa, l - długość strefy zagęszczenia linii prądu, d - średnica zestyku, r p1 - promień zastępczy (kołowej) powierzchni styczności. Rezystancję przejścia zestyku złożonego z n jednakowych elementarnych zestyków punktowych określa wzór R p1 R p = (2.1) n w którym ρ Rp 1 = (2.2) r 2 p 1 jest rezystancją przejścia elementarnego zestyku punktowego gdzie F rp 1 = (2.3) πξh B jest promieniem zastępczej powierzchni stykowej zestyku punktowego, ρ - rezystywność materiału styków (tab.2.2), F - siła docisku styków (rys.2.4 i 2.5), ξ - współczynnik uwzględniający odkształcenie sprężyste styków (tab.2.3), H B - twardość materiału styków wg Brinella (tab.2.2)

5 Rys Zależność rezystancji przejścia zestyku od siły docisku i kształtu styków. Rys Ilustracja histerezy rezystancji przejścia zestyku przy zmianach siły docisku jako wynik odkształceń plastycznych powierzchni styków. Tab Wybrane właściwości fizyczne niektórych materiałów stykowych w oparciu o [2.1] ρ 20 α λ C υ t H B Metal Symbol µω m K -1 W/(m K) 0 C MPa Aluminium Miedź Srebro Platyna Pallad Nikiel Wolfram Molibden Al Cu Ag Pt Pd Ni W Mo 0, , ,0162 0,10 0,108 0,0723 0,055 0,0477 0,0041 0,0039 0,0036 0,0031 0,0031 0,0061 0,0052 0, ρ 20 rezystywność w temperaturze 20 0C, α współczynnik temperaturowy rezystancji, λ C współczynnik przewodnictwa cieplnego, υ t temperatura topnienia, H B twardość wg Brinella Tab Wartości współczynnika odkształcenia sprężystego ξ we wzorze (2.3). Zestyk Punktowy Liniowy Powierzchniowy ξ 1,0 0,6-0,7 0,5-0,6

6 Rezystancja wartw nalotowych (grubość ) jest wynikiem korozji powierzchni styków, które pokrywają się tlenkami metali oraz ich zabrudzenia. W przypadku metali nieszlachetnych rezystywność tlenków jest wielokrotnie większa od rezystywności czystego metalu. Rezystancja warstw nalotowych (rys. 2.6) jest określona następującymi wzorami: - zestyku punktowego - zestyku wielopunktowego R R nal nal 2δ = ρ nal (2.4) πr nal 2 p 1 2δ = ρ nal (2.5) n πr nal 2 p w których: ρ nal rezystywność warstwy nalotowej, δ nal grubość warstwy nalotowej, r p promień zastępczy (kołowej) powierzchni styczności, n liczba punktów styczności. Rys Rezystancja warstw nalotowych: a) w zestyku punktowym, b) w zestyku wielopunktowym (powierzchniowym), r p promień zastępczej (kołowej) powierzchni styczności, δ nal grubość warstwy nalotowej. Rezystancja warstwy adsorpcyjnej (grubość (1 2) 10-6 ) jest spowodowana występowaniem warstwy gazów związanych z powierzchnią styków. W praktyce wartość rezystancji zestykowej dowolnego zestyku można wyznaczyć z empirycznego wzoru uwzględniającego również rezystancję przeciętnych warstw nalotowych c ρ RZ = (2.6) m F w którym: c stała zależna od materiału styków (tab. 2.4), ρ rezystywność materiału styków, F siła docisku styków, m stała zależna od kształtu zestyku (tab. 2.5).

7 Tab Przykładowe wartości iloczynu c ρ we wzorze (2.6). Materiał styków Miedź Aluminium Mosiądz Stal c ρ mω N m 0,08-0,14 0,13 0,67 7,5 Tab Wartości stałej potęgowej m. we wzorze (2.6). Zestyk Punktowy Liniowy Powierzchniowy m 0,5 0,67 1,0 Wartość rezystancji przejścia zależy od temperatury styków. W miarę wzrostu temperatury zestyku następuje mięknięcie, z przy dalszym jej wzroście topienie materiału stykowego. Wzrostowi temperatury towarzyszy wzrost spadku napięcia na Rys Charakterystyka doświadczalna zależności rezystancji przejścia zestyku od spadku napięcia na zestyku: U pm, U pt spadek napięcia przy temperaturze mięknięcia i topnienia materiału stykowego. zestyku (rys. 2.7), mierzonego w odległości pełnego wyrównania się linii prądu w zestyku (rys. 2.3b). Wartości liczbowe spadku napięcia na zestyku odpowiadające temperaturze mięknięcia materiału stykowego (tab. 2.6) wykorzystuje się w przybliżonych obliczeniach wartości dopuszczalnej rezystancji przejścia zestyków łączników ze wzoru R pdop U pdop = (2.7) I w którym: U pdop dopuszczalny spadek napięcia na zestyku, I prąd znamionowy łącznika.

8 Wartości dopuszczalnych spadków napięcia na zestykach przyjmuje się odpowiednio pdop dla zestyków elektroenergetycznych oraz dla zestyków przekaźnikowych (,1 0, ) U pm U = 0 25 (2.8) pdop (,5 0, ) U pm U = 0 8 (2.9) gdzie: U pm spadek napięcia odpowiadający temperaturze mięknięcia materiału stykowego (tab. 2.6). Tab Temperatura mięknięcia i topnienia wybranych materiałów stykowych oraz odpowiadające im wartości spadków napięć na zestykach wg [2.1] i [2.2]. Materiał Aluminium Żelazo Nikiel Miedź Srebro Wolfram Platyna Molibden Symbol Al. Fe Ni Cu Ag W Pt Mo Mięknięcie Topnienie Τ m., [ 0 C] U pm,, [V] Τ t, [ 0 C] U pt,, [V] 150 0, , , , , , , , , , , , , , , , Niezbędne przygotowanie studenta Student powinien zaznajomić się z treścią rozdz. 5.2 pracy [2.2] oraz z metodami pomiarów małych rezystancji Opis stanowiska laboratoryjnego Pomiary rezystancji zestykowej wykonywane są na specjalnym stanowisku badawczym (rys. 2.8) wyposażonym w komplet wymiennych zestyków punktowych, liniowych i powierzchniowych wykonanych z miedzi, mosiądzu i stali. Konstrukcja stanowiska umożliwia zmianę siły docisku styków w zakresie od 7 do 93 N poprzez zmianę ilości odważników o masie 1,25 kg każdy, obciążających zestyki (tab.2.7).

9 Rys Stanowisko laboratoryjne do badania rezystancji zestykowej: 1 tarcza tekstolitowa na odważniki, 2 obudowa stanowiska, 3 tuleja mosiężna zewnętrzna, 4 pręt z wymiennym stykiem ruchomym, 5 mocowanie styku nieruchomego, 6 gniazdo BNC do podłączenia miliwoltomierza, 7 zaciski prądowe. Na rys. 2.9 przedstawiono schemat zasilania stanowiska badawczego. TW1500 A F I 220V~ mv Rys Schemat zasilania stanowiska do badania rezystancji zestykowej.

10 Tabela 2.7. Zależność między siłą docisku zestyków a ilością odważników. Ilość odważników M F ~F [kg] [N] [N] 0 0,7 6, ,95 19, ,2 31, ,45 43, ,7 55, ,95 68, ,2 80, ,45 92, Program ćwiczenia 1. Pomiar zależności rezystancji zestykowej od siły docisku zestyków dla siły rosnącej i malejącej. Badania wykonać w układzie przedstawionym na rys dla zestyków miedzianych, mosiężnych i stalowych o różnych kształtach. Pomiary wykonać dla prądu obciążenia I=20 A i I=50 A. Siłę docisku zmieniać w granicach od 7 do 93 N (Tab.2.7). 2. Pomiar zależności rezystancji zestykowej wybranych zestyków od wartości prądu. Badania przeprowadzić dla minimalnej i maksymalnej siły docisku styków przy zmianie wartości prądu w zakresie 0 do 80A dla styków miedzianych i mosiężnych oraz od 0 do 60A dla styków stalowych Opracowanie wyników badań 1. Zestawić w tabelach wyniki pomiarów zależności rezystancji zestykowej od siły docisku zestyków dla siły rosnącej i malejącej. Wykreślić charakterystyki w sposób umożliwiający pokazanie wpływu kształtu i materiału stykowego na wartość rezystancji zestykowej. 2. Na podstawie zależności 2.6 obliczyć wartości teoretyczne rezystancji i porównać z wartościami uzyskanymi z pomiarów. 3. Zestawić w tabelach i przedstawić w formie charakterystyk wyniki pomiarów zależności rezystancji zestykowej od wartości prądu.

11 4. Porównać otrzymane z pomiarów spadki napięć z dopuszczalnymi spadkami napięć przy założeniu, że badane próbki będą użyte jako styki w łącznikach elektroenergetycznych o określonym prądzie znamionowym Literatura [2.1] Poradnik inżyniera elektryka. Tom 2. WNT, Warszawa [2.2] Markiewicz H.; Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 2001

12