Физические особенности нагрева сильноточных электрических контактов Павлейно, Ольга Михайловна

Введение к работе

Актуальность исследования. Физические процессы, протекающие в сильноточных электрических контактах, являются предметом пристального внимания исследователей, инженеров, технологов. Решаемые задачи, как правило, продиктованы условиями и особенностями их эксплуатации в реальных устройствах, например, в коммутационных высоковольтных электрических аппаратах. Значительная их часть связана с нагревом контактов протекающими токами. Токовые воздействия на сильноточные контакты разделяют на несколько типов, и это деление обосновано как с точки зрения их эксплуатационной практики, так и с точки зрения физической постановки решаемых задач.

Протекание номинальных токов формирует стационарные тепловые поля. Допустимые температуры при этом невелики, поэтому нелинейность протекающих процессов проявляется слабо. Методология решения задач нагрева электрических контактов номинальными токами во многом разработана.

Среди импульсных токов, протекающих через сильноточные контакты, выделяют токи термической стойкости и ударные токи короткого замыкания. Величина токов термической стойкости может в десятки раз превышать номинальные значения, а длительность составляет единицы секунд. Они вызывают нагрев контактов до значительно больших температур, чем номинальные токи. Решаемые задачи становятся нестационарными, а нелинейность процессов проявляется более явно. Однако при таких воздействиях температура контактов значительно не превосходит температуру размягчения материала, поэтому конфигурация контактных пятен остается практически неизменной. Это позволяет описывать тепловыделение, используя интегральные характеристики, такие как контактное сопротивление, и в значительной степени вывести за рамки исследования зоны непосредственного контактирования электродов.

Ситуация принципиально изменяется при решении задач, связанных с нагревом контактов ударными токами короткого замыкания, которым, в основном, и посвящена настоящая работа. Длительность таких токов из-за наличия большой апериодической составляющей сравнима с периодом тока промышленной частоты, а величина в первом полупериоде может почти вдвое превосходить значение тока термической стойкости. Такие воздействия на контакты единичны в течение срока их службы. Однако именно они могут привести к необратимым последствиям, так как уровни нагрева контактных областей могут достигать температуры плавления материала и вызывать фатальные сварки контактов.

Исследование тепловых полей, возбуждаемых ударными токами, сдерживается рядом обстоятельств. Малая длительность воздействия приводит к тому, что область нагрева оказывается одного размера с зоной активного тепловыделения, локализованной в окрестности края контактного пятна. То есть расчет теплового поля необходимо проводить в области, занятой источником. Кроме того, положение границы области максимального тепловыделения не является фиксированным в пространстве, а перемещается вслед за расплыванием контактных пятен. Все это практически исключает возможность эффективного применения аналитических методов при анализе тепловых полей и в значительной степени затрудняет проведение численных расчетов.

Кроме того, отсутствует возможность проведения прямых измерений параметров тепловых полей в контактной области, а методы оценки температуры контактных пятен по измеренным величинам нагрева поверхности контактов и контактного напряжения, справедливые для стационарного и квазистационарного нагрева, становятся неприменимыми.

В силу указанных причин изучение нагрева контактов ударными токами в настоящее время далеко от завершения, что делает проведенные в данной работе исследования актуальными. Это касается как полученных экспериментальных результатов о сваривании и плавлении сильноточных контактов, так и разработки методики исследования тепловых полей при импульсном нагреве.

Целью работы являлось: разработать методику расчета нестационарных тепловых полей замкнутых электрических контактов, выявить условия возникновения их сваривания, предложить эффективный способ оценки максимально допустимого уровня тока короткого замыкания, который не приводит к возникновению фатальных сварок.

Задачи, которые были поставлены и решены для достижения указанной цели, формулировались следующим образом.

Провести экспериментальное исследование нагрева сильноточных контактов ударными токами в широком диапазоне сил контактного нажатия, уделяя первостепенное внимание процессу сваривания контактов. Собрать и систематизировать базу экспериментальных данных для контактов различной формы и различных типов контактирующих поверхностей.

Разработать методику численных расчетов, позволяющую на основе данных, полученных в эксперименте, получать информацию о динамике электрических и тепловых полей в контактной области.

Используя данную методику расчетов проанализировать процесс плавления и сваривания контактов, определить изменение во времени размеров контактных пятен, величины контактного сопротивления и других параметров.

Путем обобщения данных о начале плавления контактов ударными токами для всех имеющихся типов контактов во всем рассматриваемом диапазоне сил контактного нажатия получить оценочную формулу для определения величины минимального тока плавления для медных контактов.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

- Проанализировано влияние фрагментации контактных пятен на параметры
электрических контактов и динамику их нагрева. Показано, что для сильноточных
контактов обоснованным является применение для расчетов приближения неф-
рагментированных пятен.

- Исследовано влияние эффекта Томсона на импульсный нагрев сильноточ
ных контактов. Оценен относительный вклад токов проводимости и термоэлек
трических токов в формирование тепловых полей. Показано, что для контактов,
выполненных из меди, расчет их нагрева может проводиться без учета эффекта
Томсона.

Проведено экспериментальное исследование прохождения ударных токов через сильноточные контакты различной формы и типов контактирующих поверхностей в широком диапазоне величины тока и силы контактного нажатия. Накоплена и систематизирована значительная база данных, содержащая информацию о сварке и плавлении контактов.

Разработана оригинальная методика численного расчета нагрева контактов при прохождении импульсных токов в широком диапазоне температур, вплоть до

начала плавления. Она является обобщением на случай нестационарных токовых воздействий метода Хольма-Кольрауша, который дает возможность определить температуру контактного пятна по величине контактного напряжения.

Исследованы начальные стадии сваривания и плавления контактов. Показано, что сварка медных контактов начинается при температуре (0.50.6)Т_пл, где Т_пл – температура плавления.

Установлена связь минимального тока плавления с величиной контактного сопротивления холодных контактов, позволяющая определять предельно допустимый уровень ударных токов на этапе проектирования контактов.

Предложен эффективный способ увеличения стойкости контактов к ударному току.

Практическая значимость работы. Стойкость к ударному току короткого замыкания является одной из основных характеристик электрических контактов. В работе показано, как еще на стадии разработки коммутационных аппаратов можно с высокой степенью достоверности оценить уровни ударных токов, прохождение которых они могут выдержать без потери работоспособности. Результаты работы положены в основу методики определения стойкости сильноточных электрических контактов к ударному току, которая применяется в Промышленной группе «Таврида Электрик» при проектировании коммутационных аппаратов среднего класса напряжения.

Методами исследования, позволившими получить основные результаты, являются: экспериментальное изучение прохождения импульсных токов через сильноточные электрические контакты и основанное на экспериментальных данных численное моделирование протекающих при нагреве процессов.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивалась использованием сертифицированной экспериментальной установки, измерительные каналы которой проходят периодическую поверку в соответствии со стандартными метрологическими процедурами. Методика проведения испытаний выстраивалась с учетом сформировавшихся к настоящему времени принципов измерений в области высоковольтного сильноточного электротехнического оборудования.

Достоверность численных расчетов обеспечивалась использованием лицензионных программных комплексов ANSYS и COMSOL – признанных лидеров в области моделирования физических процессов в исследуемой области, тестирова-6

нием расчетных моделей на решении задач, имеющих аналитическое решение, сопоставлением результатов решения тестовых задач, полученных при одних и тех же условиях в разных программных комплексах, а также многократным сопоставлением результатов расчетов и полученных экспериментальных данных.

Личный вклад автора в получение результатов диссертационной работы состоит в разработке методики проведения экспериментальных исследований, подготовке и проведении всех измерений, их обработке и систематизации. Автором была предложена оригинальная методика исследования импульсного нагрева электрических контактов, выносимая на защиту. Все численные расчеты, результаты которых представлены в работе, выполнены автором лично.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были представлены на следующих конференциях:

1. 8-я Международная конференция пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (СПб, 2008);

2. 5-я Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб, 2008);

3. IX Международная научная конференция "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (СПб, 2009);

4. International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Braunschweig, Germany, 2010);

5. Международная научная конференция «Наука о материалах и физика конденсированных сред» (Молдавия, Кишинев, 2010);

6. Международная научная конференция "Импульсные процессы в механике сплошных сред" (Николаев, 2011);

7. X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011);

8. X Международная научная конференция "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (СПб, 2012);

9. I Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы прикладной физики" (Севастополь, 2012);

10. The 7th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (Republic of Moldova, 2014);

11. XI Международная научная конференция "Современные проблемы элек-

трофизики и электрогидродинамики жидкостей" (СПб, 2015); 12. XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 2015). Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы: 7 статей в рекомендованных ВАК научных журналах, 9 текстов докладов в сборниках трудов международных и всероссийских конференций и 6 тезисов докладов на конференциях.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

12. Результаты экспериментального исследования размягчения, сваривания и плавления замкнутых сильноточных контактов при протекании ударных токов короткого замыкания в широком диапазоне сил контактного нажатия.

13. Методика численного расчета импульсного нагрева электрических контактов протекающим током, позволяющая на основе зависимости контактного напряжения от времени определить тепловые поля сильноточных контактов в произвольный момент времени с учетом изменения размеров контактных пятен и зависимости свойств материала от температуры.

14. Связь минимального тока плавления медных контактов ударным током короткого замыкания с величиной сопротивления холодных контактов, позволяющая достоверно оценивать стойкость контактов к ударному току.

15. Вклад эффекта Томсона в нагрев медных сильноточных контактов до их плавления пренебрежимо мал.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 148 страницах, включает 65 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 106 источников.

Соответствие содержания диссертации паспорту научной специальности. Проведенные исследования воздействия ударных токов короткого замыкания на сильноточные электрические контакты, в результате которого происходит их нагрев в широком диапазоне температуры, соответствуют перечню области исследований, относящихся к научной специальности 01.04.13 «Электрофизика, электрофизические установки», в частности п. 2 области исследований «…Разработка теоретических основ и технической базы энергетики мощных импульсов, включая процессы коммутации больших импульсных токов, нагрев … проводников».