Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
Глава I. ИССЩОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Понятие о композиционном жидкометаллическом контакте и задачи настоящей работы .20
Исследование и выбор материалов твердых электродов и основ композиционных жидко-металлических контактов 27
Исследование сопротивления композиционных жидкометаллических. контактов 40
Анализ возможности замены серебряных контактов в многоамперных электрических аппаратах на композиционные жидкометаллические контакты 60
1.5. Выводы к первой главе 63
Глава 2. ПРОЮДИМОСТЬ И ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЩКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Задачи работы 67
Проводимость композиционных жидкометаллических контактов 67
Распределение тепловых потерь в композиционных жидкометаллических контактах 85
Пример расчета проводимости и распределения тепловых потерь в композиционных жидкометаллических контактах (расчетный формуляр) 91
_ 3 -
Стр.
2.5. Экспериментальная проверка методики расче
та проводимости и тепловых потерь компози
ционных жидкометаллических контактов и
анализ полученных результатов 100
2.6. Выводы ко второй главе НО
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ КОНТАКТНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЖВДКОМЕТАМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Задачи работы 112
Микрофотоанализ контактной поверхности композиционных жидкометаллических контактов.. 114
Расчет действительной площади контактной поверхности композиционных жидкометаллических контактов с помощью статистических методов 137
Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ поверхностей твердометллических электродов и основ композиционных жидкометаллических контактов 146
3.5. Выводы к третьей главе 151
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТТОДИНАМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ
КОМПОЗИЦИОННЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Задачи работы 154
Исследование электродинамической стойкости композиционных жидкометаллических контактов 155
Электродинамические силы в твердометалли-ческих и композиционных жидкометаллических контактах 169
Стр.
4.4. Повышение включающей способности многоам
перных электрических аппаратов 173
4.5. Выводы к четвертой главе 178
Глава 5. МНОГОАМПЕРШЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ С КОМПОЗИЦИОННЫМИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ КОНТАКТАМИ
Необходимость разработки многоамперных электрических аппаратов с композиционными жидкометаллическими контактами 179
Выключатель ВШ-400 с композиционными жидко-металлическими контактами 182
Результаты испытаний опытного образца многоамперного выключателя типа ВШ-400 с номинальным током 40 кА и композиционными жидкометаллическими контактами 187
Конструкторские разработки многоамперных выключателей типов P-I0I и B-6I с композиционными жидкометаллическими контактами... 195
5.5. Выводы к пятой главе 206
3 а к л ю ч е н и е 208
Л и т е р а т у р а 212
Приложения
Основные обозначения 221
Расчет экономического эффекта от внедрения шунтирующих выключателей с композиционными жидкометаллическими контактами вместо серебряных 222
Акт внедрения 226
Введение к работе
Еще в конце Х1Х-го века стало известно об использовании жидкого металла (ртути), который применялся в качестве элемента, замыкающего и размыкающего контакты в ртутных выключателях. Такие выключатели применялись на электростанциях в г.Риме (1887 год), в энергетических устройствах Парижского метрополитена (30-е годы ХХ-го столетия) и др. [29]. Однако, по мере быстрого развития электропромышленности и, в частности, электроаппарат о строения устройства с жидкометаллическими контактами (ЖМК) не получили дальнейшего развития в силу сложности конструкции и токсичности паров ртути. Но их применение сохранилось в ряде слаботочных устройств. В последнее двадцатилетие наметился бурный рост номинальных токов энергоустановок, которые необходимо коммутировать. В связи с этим возрос интерес и к электрическим контактам, в том числе и к ЖМК, которые обладают рядом достоинств: они имеют малое контактное сопротивление, требуют незначительного контактного нажатия, в них отсутствуют явления сваривания и залипання контактов и т.д. Важным обстоятельством, побуждающим обращаться к ЖМК, является то, что они, в ряде случаев, могут заменять серебро, мировые запасы которого очень ограничены и быстро истощаются. Согласно опубликованным данным института геологии ФРГ [74, 75] запасов серебра в капиталистических и некоторых развивающихся странах хватит не более, чем на 10-15 лет. Поэтому важнейшей задачей становится изыскание путей экономии расходования серебра для контактов, а также разработка новых контактных материалов без серебра. Однако, мероприятия по замене или экономии серебра должны проводиться при условии сохранения тех достижений в электроаппаратостроении, которые были получены благодаря его использованию. Этим и объясняется
- б
то, что в последние годы в сильной степени возрос интерес к исследованиям в области ЖМК, особенно к сильноточным ЖМК.
Началось бурное развитие скользящего ЖМК в токосъемнике униполярных электрических машин [8, 9] , создание слаботочной [10, 13] и сильноточной [12, 13, 14] коммутационной аппаратуры, имеющей высокую надежность и малые габариты.
Благодаря своим положительным свойствам, ЖМК в настоящее время могут заменить в ряде случаев тверцометаллические контакты. Однако наряду с достоинствами ЖМК имеют и недостатки, которые являются препятствием для широкого их применения. Это, прежде всего, необходимость герметизации контактного узла, так как в противном случае, ввиду большой подвижности жидкого металла, электродинамические силы способны выбросить его из зоны электрического контакта, а также зависимость работоспособности ЖМК от положения в пространстве.
Исследования и разработки в области электрических контактов направлены на дальнейшее развитие теории физических процессов на контактах для получения оптимальных электрических свойств. Если электрофизические процессы твердометаллических контактов в настоящее время в достаточной степени нашли свое отражение в фундаментальных исследованиях [I - 8], то ЖМК применялся до последнего времени без обширных исследований, которые в основном базировались на исследованиях эмпирического характера особенно такого важнейшего параметра, как переходное контактное сопротивление.
Одной из основных проблем, возникающих при создании аппаратов с ЖМК, является проблема выбора легкоплавкого металла или сплава и исследование переходного контактного сопротивления.
Среди легкоплавких металлов и сплавов в настоящее время представляют наибольший интерес щелочные металлы и сплавы на их основе, ртуть и ее сплавы, легкоплавкие сплавы на основе висмута, галлий и сплавы на его основе. В таблице I.I. приведены основные параметры некоторых легкоплавких металлов и сплавов.
Использование ртути осложняется токсичностью ее паров. Упругость паров ртути достаточно велика (1,2 * 10 мм рт. столба при 20С), поэтому насыщение ими замкнутого объема происходит довольно быстро. И скорость насыщения тем выше, чем выше температура и чем больше свободная поверхность ртути. По нормам, принятым в СССР, предельно допустимое количество
К /О
ртутных паров в воздухе составляет 10 мг/м . Острое отравление ртутью наступает при концентрации ее паров в воздухе 1,5 мг/м . Воздействие паров ртути может не обнаруживаться месяцами, годами, но в конце концов может привести к серьезным нервным и психическим растройствам человеческого организма. Особенностью ртутных хронических отравлений является то, что поражение нервной системы наступает раньше, чем удается клиническими анализами установить повышенную концентрацию ртути в организме.
Щелочные металлы и их сплавы (К, На , сплав НаЮ пожаро-и взрывоопасны. Они легко подвергаются воспламенению при соприкосновении с воздухом. Сплавы на основе свинца и висмута имеют довольно высокую температуру плавления (не ниже 46,5С), что приводит к необходимости применения специальных подогревательных устройств при использовании их в коммутационной аппаратуре, кроме того эти сплавы обладают большим электрическим сопротивлением.
Таблица I.I ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Продолжение таблицы I.I
Галлий и сплавы на его основе имеют ряд преимуществ перед жидкими металлами: они нетоксичны, не взрыво- и пожароопасны, обладают наибольшим диапазоном температур жидкого состояния (ЮС - 2000С), не требуют дополнительных подогревающих устройств при применении их в коммутационной аппаратуре в помещении, имеют низкую упругость паров, сравнительно низкое электрическое сопротивление ( в 3,5 раза ниже, чем у ртути и в 1,3 раза ниже, чем у сплава натрий-калий), обладают малой величиной переходного сопротивления в ЖМК и имеют высокую теплопроводность по сравнению с жидкими металлами упомянутыми выше.
Однако, наряду с положительными свойствами, галлий и его сплавы обладают рядом недостатков, к которым относится и свойство галлия быть почти универсальным растворителем для всех металлов [15] , что вызывает большие трудности в подборе материалов для твердых контактов. Но, несмотря на этот серьезный недостаток, именно галлий и его сплавы наиболее перспективны для применения в сильноточных коммутационных устройствах.
Вопросу переходного сопротивления ЖМК в последнее время уделяется большое внимание. Известны несколько десятков работ, посвященных его исследованию в ЖМК, причем результаты отдельных исследований имеют часто значительные расхождения. Это объясняется и разными условиями опытов, и тем, что величина переходного сопротивления ЖМК зависит от многих физических факторов и часто результаты даже одних и тех же исследователей имеют расхождение с достаточно большим разбросом [17 - 28] .
Подробный анализ состояния исследований сопротивления ЖМК и существующих конструкций электрических аппаратов с ЖМК приведен в [29, 30] . При наличии полного смачивания твердометал-лических контактов жидким металлом можно предположить, что
- II -
контактное сопротивление ЖМК отсутствует, то есть теоретически возможно переходное сопротивление равное нулю. Однако проведенные исследования ЖМК показывают, что нулевое контактное сопротивление практически не достижимо.
В зоне контактирования твердого электрода с жидким металлом на поверхности твердого электрода, кроме слоя окисных пленок и пыли, могут возникать дополнительные слои обусловленные интерметаллическими соединениями, которые образуются в результате химического взаимодействия жидкого металла с твердым. Поэтому полное контактное сопротивление ЖМК R к состоит из сопротивления твердого электрода Ктв , сопротивления поверхностных пленок Rnji , сопротивления интерметаллических соединений и сплавов Кеші и сопротивления жидкого металла Rvcm [28] , то есть
К к = К те+ R п/ + R сл/1 + R жм
Тогда переходное сопротивление ЖМК будет равно
R пер = Rn/i + Rcnji
Теоретическое определение величины переходного сопротивления ЖМК еще более затруднительно, чем твердометаллических контактов, поскольку, кроме сложностей при определении сопротивления окисных пленок, в ЖМК добавляются и трудности определения сопротивления интерметаллических соединений и сплавов, а также степени смачивания жидким металлом твердого электрода. Поэтому многие исследователи предпочитают при определении величины переходного сопротивления ЖМК экспериментальный путь.
Из проведенных исследований ЖМК можно сделать следующие общие выводы:
Наименьшие значения электросопротивления имеют ЖМК, в которых жидкий металл смачивает твердый (ртуть-медь, галлий-медь и т.д.). Как правило, в этих случаях твердый металл способен корродировать в жидком [20, 22].
Наибольший диапазон изменений электросопротивления имеют ЖМК, в которых твердый металл корроэионно стоек к жидкому (галлий-хром, галлий-сталь и т.д.), так как на поверхности твердого металла образуются достаточно прочные окисные пленки, препятствующие смачиванию твердого металла жидким [22, 31].
Для уменьшения жидкометаллического контактного сопротивления рекомендуется обрабатывать поверхность твердых электродов механическими и химическими способами для снятия слоя окисных пленок. При этом поверхность твердого контакта подвергается механической обработке под слоем жидкого металла или химической обработке с помощью различных кислот. Кроме того, поверхность твердого контакта может быть покрыта электрохимическим или другими способами слоем металла-посредника (обычно олова) для получения хорошего смачивания [19, 20, 23, 25, 32, 33, 34].
Сопротивление ЖМК уменьшается с увеличением площади контактной поверхности, если материал твердых электродов хорошо смачивается жидким металлом, и остается практически постоянным для материалов твердых электродов, которые не смачиваются жидким металлом [24].
Сопротивление ЖМК не зависит от изменения полярности электрода и от величины напряжения [23, 24].
Сопротивление ЖМК с течением времени изменяется, так как меняются толщина и состав посторонних пленок [18, 19, 23, 24].
При длительной эксплуатации возможно уменьшение сопротив-
- ІЗ -ления IMK в связи с тем, что жидкий металл реагирует с твердым электродом, что создает хорошие условия для смачиваемости его поверхности [ЗО].
При изменении температуры окружающей среды от 40 до 150С сопротивление ЖМК меняется незначительно [18, 20].
При изменении плотности тока до 80 А/см сопротивление ШИК (ртуть-медь, ртуть-никель, ртуть-сталь, галлий-сталь, галлий-медь, галлий-хром, галлий-свинец) не изменяется [18, 20, 24].
Галлий и его сплавы наиболее перспективны для применения в сильноточных электрических аппаратах с ЖМК.
10. Среди твердых материалов, соприкасающихся в процессе
работы с галлием и его сплавами, может быть рекомендована к
применению медь, покрытая электролитическим или другими спосо
бами хромом или никелем [19, 20].
Развитие ЖМК в настоящее время идет по направлениям создания скользящих ШМК для вращающихся токосъемных устройств, не-размыкающегося разъемного шинного контакта, коммутационной аппаратуры для релейного диапазона токов и для больших токов в сотни и тысячи ампер, а также автоматических самовосстанавливающихся предохранителей [29].
Основные конструкции электрических аппаратов с ЖМК, характерные для каждого из направлений, приведены в [29] .
В настоящее время созданы и эксплуатируются коммутационные жидкометаллические устройства для средств автоматики, телемеханики и связи [35, 36] на токи доли и единицы ампер и сильноточные выключатели с ЖМК, предназначенные для электролизных химических предприятий с номинальными токами несколько десятков тысяч ампер [37 - 47].
В результате проведенных исследований созданы теоретические
предпосылки к тому, чтобы можно было приступить не только к оптимизации предложенных конструкций электрических аппаратов с ЖМК, но и к созданию новых, более современных и надежных аппаратов. ЖМК имеют еще много резервов, использование которых позволит достичь еще больших успехов в электроаппаратостроении.
Разработке нового типа контактного соединения без использования серебра на базе ЖМК и посвящена настоящая работа.
Целью настоящей работы является исследование свойств и возможностей нового типа контактных соединений - жидкометаллических композиционных контактов (композиционных ЖМК), которые представляют собой пористые либо сетчатые материалы - основы пропитанные или смоченные жидким металлом. Такая жидкометаллическая композиция может помещаться между двумя твердыми электродами, осуществляя контакт между ними.
6 настоящее время композиционные ЖМК практически не исследованы, отсутствуют методики их расчета, не установлена и область их использования.
Исследование свойств композиционных ЖМК требовало проведения теоретических и длительных экспериментальных работ в следующих направлениях:
I. Сопротивление композиционных ЖМК зависит от многих факторов: структуры материала пористых или сетчатых прокладок (основ) жидкометаллической композиции, жидкого металла, материала, электродов, площади контактной поверхности, величины нажатия, температуры, угла наклона к горизонту, времени и т.д.
Определение характера этих зависимостей, выяснение структуры композиционных ЖМК, имеющих наименьшее контактное сопротивление и сравнение полученных результатов с аналогичными исследованиями, проведенными для медных и серебряных контактов составляют
содержание первой главы.
2. В настоящее время отсутствуют методики расчета проводи
мости композиционных ЖМК. Кроме этого, особый интерес для прак
тического применения композиционных ЖМК в электрических аппара
тах представляют определение величины тепловых потерь, выде
ляющихся в них при протекании больших токов, а также распреде
ление этих потерь между материалом сетчатой основы композицион
ного ЖМК и жидким металлом, которые имеют разные величины
удельной электропроводности.
Разработка инженерных методик расчета проводимости композиционных ЖМК и распределения в них тепловых потерь, которые позволяют выбрать рациональную структуру и размеры сеточных основ, чтобы получить наименьшую величину контактного сопротивления композиционных ЖМК, а также экспериментальная проверка этих методик составляют содержание второй главы.
3. Сопротивление контактов зависит от площади действитель
ной контактной поверхности, то есть от микрогеометрии ее струк
туры. Действительная площадь контактной поверхности композицион
ных ЖМК зависит от степени смачивания твердометаллических элект
родов и сеточных основ жидким металлом.
Исследованию с помощью микрофотоанализа действительной площади контактной поверхности композиционных ЖМК, имеющих разные материалы твердометаллических электродов и сеточных основ, а также различную чистоту механической обработки электродов в зависимости от длительности контактирования их с жидким металлом посвящено содержание третьей главы.
Здесь же приведены результаты качественного рентгенострук-турного анализа поверхностных плёнок на медных электродах, находившихся длительное время в контакте с жидким металлом, а
также расчет величины действительной площади контактной поверхности композиционных ЖМК с помощью статистических методов.
4. Большое значение для безаварийной работы многоамперных
электрических аппаратов имеет электродинамическая стойкость
контактов.
При включении могут возникать явления вибраций, сваривания и электродинамического отброса контактов, которые могут привести к выходу аппарата из строя.
Исследованию электродинамической стойкости композиционных ЖМК при процессах включения и протекания по ним сквозных токов короткого замыкания, а также теоретическому определению электродинамических сил отброса посвящена четвертая глава.
В этой главе также приведен новый способ повышения включающей способности многоамперных электрических аппаратов и описана конструктивная схема такого аппарата.
5. Истощение природных запасов серебра, которое применяет
ся для изготовления контактов электрических аппаратов, а также
рост мощностей энергоемких производств, который требует все
большее количество многоамперных электрических аппаратов, что
еще быстрее приводит к дефициту серебра, ставят перед электро
технической промышленностью задачи по созданию многоамперных
электрических аппаратов с контактами без серебра.
Разработка конструкций многоамперных выключателей на номинальные токи 20 кА, 40 кА и 65 кА с композиционными ЖМК, а также результаты производственных испытаний опытного образца такого выключателя на номинальный ток 40 кА и номинальное напряжение 400 В являются содержанием пятой главы.
Для проведения исследований по указанному кругу вопросов были созданы специальные модели контактных систем, испытательные
установки, а также разработаны схемы испытаний и методы исследований.
На основании выполненного комплекса экспериментальных исследований композиционных ЖМК и анализа полученных результатов автор выносит на защиту следующие положения, имеющие научную новизну:
Проведенные исследования свойств нового типа контактного соединения - композиционных ЖМК.
Установленные влияния различных материалов твердых электродов и сеточных основ на величину сопротивления композиционных НМК и зависимости их контактных сопротивлений от различных факторов (площади контактной поверхности, величины нажатия, температуры, времени, угла наклона к горизонту, числа включений).
Разработанные инженерные методики расчета проводимости и распределения тепловых потерь в композиционных ЖМК с сеточной основой, которые позволяют выбрать рациональную структуру и размеры этой основы, чтобы получить наименьшую величину контактного сопротивления.
Определенные с помощью микрофотоанализа величины действительных площадей контактных поверхностей композиционных ЖМК в зависимости от длительности контактирования различных твердо-металлических электродов с разной чистотой механической обработки контактной поверхности и сеточных основ с жидкими металлами: ртутью, галлием, сплавом галлий-индий-олово.
Установленное отсутствие явлений вибраций, сваривания и электродинамического отброса в композиционных ЖМК.
Предложенный новый способ повышения включающей способности электрических аппаратов.
Установленную возможность замены серебряных контактов в многоамперных электрических аппаратах на композиционные ЖМК.
Разработанную конструкцию контактной системы с композиционными ЖМК, которая может легко сочетаться с конструкциями существующих электрических аппаратов.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных исследований композиционных ЖМК могут быть использованы при конструировании и создании многоамперных электрических аппаратов с контактами без серебра, поскольку в настоящее время запасы серебра ограничены и быстро истощаются.
Аппараты с композиционными ЖМК требуют в 5-Ю раз меньших контактных нажатий, а контактное сопротивление их в 1,3-1,5 раза меньше, чем у аппаратов с серебряными контактами на такие же номинальные параметры. У аппаратов с композиционными ЖМК могут быть снижены габаритные размеры и вес за счет облегчения приводного механизма, а также снижаются потери электроэнергии за счет меньшего контактного сопротивления. Аппараты с композиционными ЖМК имеют большую надежность, чем аппараты с твердометал-лическими контактами, так как они не подвержены явлениям вибрации и сваривания контактов, отсутствуют в них и электродинамические силы отброса. Кроме того, композиционные ЖМК легко сочетаются с существующими конструкциями многоамперных электрических аппаратов с контактами мостикового типа (выключатели, разъединители и т.д.), поэтому изготовление таких выключателей с композиционными ЖМК вместо серебряных контактов не вызовет больших затруднений.
Экономический эффект от замены серебряных контактов на композиционные ЖМК только в многоамперных шунтирующих выключателях, применяемых в технологическом процессе производства
хлора, составит 200 тысяч рублей.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждены результатами экспериментальных исследований и сравнением свойств композиционных ЖМК с аналогичными свойствами медных и серебряных контактов, в результате которых можно сделать вывод о возможности замены, в ряде случаев, в многоамперных электрических аппаратах серебряных контактов на композиционные ЖМК.
При постановке и выполнении исследований в указанных направлениях учитывались конкретные практические запросы Министерства химической промышленности по решению научно-технической проблемы увеличения и совершенствования процесса производства хлора 0.10.03 (задание 02.02.01), утвержденной постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 29 декабря 1981 года № 515/271. С этой целью была поставлена задача по "Усовершенствованию существующих систем и разработке конструкций многоамперных выключателей на новых принципах и без применения серебра".
Настоящая работа выполнена автором в Северо-Западном заочном политехническом институте с 1975 по 1982 годы в соответствии с планом научно-исследовательской тематики института.
