Разборное контактное устройство

Полезная модель направлена на снижение электрического сопротивления разборных контактных устройствах (РКУ), стабилизацию усилия контактного нажатия при работе устройства в различных температурных режимах, т.е. на повышение экономичности и надежности работы этих устройств. РКУ могут применяться при производстве, монтаже, ремонте и эксплуатационном обслуживании электротехнического обслуживания на различных объектах электроэнергетики. Новый технический эффект полезной модели заключается в том, что передача тока в ней между контакт-деталями осуществляется не только через рабочие контакт-детали, но и через крепежные детали, что позволяет уменьшить общее электрическое сопротивление РКУ, а следовательно повысить коэффициент полезного действия и надежность работы этих устройств. Этот эффект получен в результате использования цветного крепежа вместо стального и обеспечения хорошего электрического контакта между поверхностями соприкосновения крепежных деталей с крепежными поверхностями контакт-деталей РКУ.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при изготовлении, монтаже, ремонте и эксплуатационном обслуживании линий электропередачи и электротехнического оборудования, предназначенного для производства, распределения, контроля и преобразования электрической энергии.

Среди множества электрических контактов, существующих в электротехнике разборное контактное устройство (РКУ) относится к классу неподвижных электрических контактов, в которых замыкание и размыкание контакт - деталей может быть выполнено без разрушения РКУ. Оно предназначено для проведения электрического тока и обеспечения непрерывности электрической цепи (ГОСТ 14312-79 «Контакты электрические, термины и определения»).

Электрическое сопротивление РКУ можно представить в виде:

R_рку=R _кд·R_пер,

где R_рку - полное сопротивление РКУ;

R_кд - собственное сопротивление контакт-деталей;

R_пер - переходное сопротивление на участке, где соприкасаются прижатые друг к другу токопередающие поверхности.

Если соединить рабочие поверхности без предварительной зачистки и обработки, то электрическое сопротивление РКУ (R_рку) будет в десятки раз больше чем сопротивление участка токопровода такой же длины. При этом R_перR_кд, то есть можно утверждать, что R_ркуR_пер. Это объясняется наличием на рабочих поверхностях контакт - деталей оксидных пленок, которые образуются на поверхности всех металлов и часто представляют собой диэлектрики, то есть очень плохие проводники тока. Высокое электрическое сопротивление РКУ (R_рку) является причиной значительных потерь электроэнергии, недопустимого перегрева РКУ, а его тенденция к росту в процессе эксплуатации приводит к нестабильности электрических параметров электрооборудования и необходимости, частых отключений его для ремонта и ревизии РКУ, то есть к увеличению трудоемкости и стоимости эксплуатационных расходов.

Таким образом, можно утверждать, что эффективная работа электрических сетей и электротехнического оборудования во многом зависит от надежности и экономичности, многочисленных РКУ, соединяющих отдельные участки электрической цепи. Поэтому разработка различных технических мероприятий, направленных на снижение электрического сопротивления РКУ (R_рку ) всегда была и остается весьма актуальной задачей. В рамках программы энергосбережения - это один их эффективных путей снижения потерь электроэнергии и повышения КПД работы электротехнического оборудования.

Исследование в этой области проводятся главным образом в двух направлениях: оптимизация существующих и разработка новых конструкций РКУ и поиск новых способов подготовки и обработки рабочих поверхностей контакт-деталей. Учитывая огромное количество РКУ, работающих в электрических сетях считаем, что наиболее перспективными являются исследования, направленные на модернизацию уже используемых в эксплуатации РКУ, которая может быть выполнена без существенного изменения их конструкции на действующих объектах электроэнергетики.

Показателем экономичности и надежности работы РКУ является величина его электрического сопротивления (R_рку) и его стабильное значение на уровне первоначальной сборки в течении всего срока эксплуатации.

Наиболее известным и используемым в течении многих лет способом снижения электрического сопротивления РКУ является нанесение на токопередающие поверхности контакт-деталей защитных металлопокрытий, оксидные пленки которых легко продавливаются или разрушаются, а также имеют большую электропроводность чем у меди и алюминия, из которых изготавливают контакт-детали.

Для этих металлопокрытий применяют сплавы: олово - свинец, олово - цинк, олово - медь, а также металлы: серебро, кадмий, никель. Критерии выбора материалов защитных металлопокрытий, технология их нанесения и их назначение подробно изложены в технической литературе (Н.К. Мышкин, В.В. Кочиц, М. Браунович, Электрические контакты, «Интеллект», Долгопрудный, 2008, стр. 173-199; Справочник по пайке под ред. И.Е. Петрунина, 3-е изд., М.: Машиностроение, 2003, с. 41-98).

Однако способы нанесения указанных металлопокрытий, связанный либо с нагревом контакт-деталей до температуры 350÷400C°, либо с применением специального оборудования (гальваника, электроискровое, плазменное напыление), что во многих случаях, особенно, в условиях эксплуатации на действующем электрооборудовании, исключает возможность их использования. Поэтому сотни тысяч РКУ на ЛЭП, контактной сети электрифицированного железнодорожного и городского транспорта, подстанций и распределительных устройств, эксплуатируются без всяких металлопокрытий. Недостатком этого способа является то, что он может использоваться главным образом в условиях стационарного производства на заводах-изготовителях электротехнического оборудования.

Широко известен и много лет применяется способ снижения электрического сопротивления РКУ с помощью нанесения на токопередающие поверхности контакт-деталей токопроводящих смазок типа «Суперконт», «Электроконт» и многие другие, разработанные в России и иностранными фирмами (Патент РФ 2046412, Н.К. Мышкин, В.В. Кочиц, М. Браунович, Электрические контакты, «Интеллект», Долгопрудный, 2008, стр. 320-322). Способ предельно простой для применения. Он позволяет снизить и стабилизировать величину электрического сопротивления (R _рку). Однако токопроводящие смазки являются покрытием недолговечным, т.к. смазки имеют в своем составе жидкую фракцию, которая в процессе эксплуатации высыхает или вымораживается, после чего смазка теряет свои защитные свойства, пригорает с ростом нагрева РКУ к рабочим поверхностям контакт-деталей, что затрудняет при ревизии ремонт РКУ. Несмотря на большой опыт применения токопроводящих смазок в электрических контактах, сведений о нем в технической литературе очень мало и их использование не привело к отказу от применения в РКУ защитных металлопокрытии. Таким образом, можно сделать вывод о том, что этот способ успешно применяется в РКУ, срок эксплуатации которых не превышает 5-6 лет.

Наиболее близким к заявляемому является РКУ (Свидетельство на полезную модель 8530, от 16.02.1998), в котором токопередающие поверхности контакт-деталей имеют защитное металлопокрытие, полученное с использованием поверхностно активных легкоплавких сплавов на основе галлия. Способ нанесения этого металлопокрытия (Патент РФ 2301847) позволяет применять его как в условиях монтажа, ремонта и эксплуатационного обслуживания на действующих объектах электроэнергетики, так и в условиях стационарного производства электротехнического оборудования на предприятиях.

Применение этого металлопокрытия позволяет уменьшить переходное электрическое сопротивление (R_рку):

- для контакт-деталей Al-Аl - в 10-15 раз;

- для контакт-деталей Cu-Al - в 4-7 раз;

- для контакт-деталей Cu-Cu - в 1,4-2,5 раза,

а также обеспечивает стабилизацию его величины на уровне первоначальной сборки в течение всего срока эксплуатации РКУ.

Металлопокрытия могут быть получены на рабочих поверхностях контакт-деталей, выполненных из всех применяемых для этой цели металлов (медь, алюминии, сталь, и сплавы на их основе). Покрытия могут работать в агрессивных средах внутри помещений, а также на открытом воздухе при температуре от -40C° до +250C°. Способ получения металлопокрытия не опасен для здоровья человека, а применяемые для этого легкоплавкие сплавы химически не активны, не содержат токсичных и драгоценных металлов.

Недостатком данного РКУ, как и всех остальных выше упомянутых_; является то, что крепежные детали (болты, шайбы, гайки) этих устройств, которые обеспечивает необходимое нажатие рабочих поверхностей контакт-деталей друг к другу и имеют с этими деталями механический контакт практически не участвует в процессе передачи тока между ними. Это объясняется двумя причинами:

- детали крепежа в РКУ сделаны из стали, удельное сопротивление которой в 7-9 раз больше удельного сопротивления меди и алюминия;

- поверхности крепежных деталей и поверхности контакт - деталей по которым они соприкасаются, покрыты оксидными пленками, а это значит, что между ними, практически, нет электрического контакта.

В основу полезной модели положена задача снижения переходного электрического сопротивления РКУ (R_пер) за счет использования крепежа в качестве дополнительного пути для прохождения электрического тока между контакт-деталями.

Поставленная задача решается тем, что в разборном контактном устройстве, токопередающие поверхности которого имеют защитное металлопокрытие на основе галлия и прижаты друг к другу крепежными деталями, крепежные детали выполнены из цветного металла, а поверхности крепежных деталей и крепежные поверхности контакт-деталей, соприкасающиеся друг с другом, имеют защитное металлопокрытие. В РКУ с медными контакт-деталями крепежные детали выполнены из медного сплава (латунь, бронза). В РКУ с алюминиевыми контакт-деталями крепежные детали выполнены из алюминиевого сплава (дюраль). А также отверстия для крепежа в контакт-деталях одной полярности выполнять резьбовыми.

Защитное металлопокрытие на выше указанные поверхности наносится по технологии, разработанной в УрФУ (Г.Н. Перелыитейн, Ф.Н. Сарапулов, Способ повышения надежности и экономичности работы разборных контактных соединений электротехнического оборудования, Электрический рынок, 12, 2007, с. 48-49).

На рис. 1 и 2 показана принципиальные схемы устройств, предложенной полезной модели, которые широко применяются в силовых электрических цепях. Разборное контактное устройство содержит контакт-детали 1, рабочие поверхности контакт-деталей 2, крепежные поверхности контакт-деталей 3, болты (шпильки) 4, гайки 5, шайбы 6, защитное металлопокрытие 7.

Из рис. 1 видно, что использование цветного крепежа и нанесение защитного металлопокрытия на поверхности его деталей, соприкасающихся с крепежными поверхностями контакт-деталей, которые создает хороший электрический контакт между ними, обеспечивает возможность протекания тока не только через рабочие поверхности контакт-деталей, но и через детали крепежа, что позволяет уменьшить общее электрическое сопротивление РКУ, а следовательно и потери электроэнергии в нем. Устройство показанное на рис. 2 отличается тем, что отверстия под крепеж в контакт-детали одной полярности выполнены резьбовыми. В резьбовые отверстия заворачиваются крепежные шпильки. Такая конструкция позволяет улучшить электрический контакт шпильки с одной из контакт-деталей, кроме того, при этом восстанавливается объем металла в отверстиях контакт-детали, а следовательно увеличивается ее сечение и снижается собственное электрическое сопротивление, что в конечном итоге позволяет уменьшить и общее электрическое сопротивление РКУ.

Эффективность работы РКУ, как и любого другого электротехнического устройства, оценивается двумя показателями - экономичность и надежность. Интегральным показателем экономичности является коэффициент полезного действия РКУ, величина которого полностью зависит от уровня потерь электроэнергии в устройстве. Потери электроэнергии в РКУ определяется из выражения:

p_эл=R_рку·I²·t.

где p_эл - потери электроэнергии, Дж;

R_рку - полное сопротивление РКУ, Ом;

I - ток в электрической цепи, А;

t - время протекания тока, с.

Таким образом, при прочих равных условиях, потери электроэнергии, а следовательно, и КПД РКУ зависят от величины электрического сопротивления R_рку.

Лабораторные исследования показали, что переходное электрическое сопротивление предложенной полезной модели на 50-70% меньше чем у прототипа. Дополнительным преимуществом применения цветного крепежа вместо стального является отсутствие в полезной модели магнитных (гистерезисных) потерь энергии на переменном токе.

Показателем надежности работы РКУ является стабилизация его электрического сопротивления на уровне первоначальной сборки в течение всего срока эксплуатации. Важнейшим условием этой стабилизации является обеспечение постоянного контактного нажатия при работе РКУ в различных температурных режимах (ГОСТ 10434-82, ГОСТ 14312-79, ГОСТ 17441-84). Один из способов стабилизации контактного нажатия является применение крепежа, изготовленного из материалов, имеющих коэффициент линейного теплового расширения, близкий к материалам, из которых изготавливаются контакт-детали (медь, алюминий и сплавы на их основе). Следовательно, применение в полезной модели крепежа из высокопрочного алюминиевого сплава для соединения алюминиевых контакт-деталей и крепежа из высокопрочной бронзы для соединения медных контакт-деталей вместо стального позволяет повысить стабильность контактного нажатия при различных температурных режимах работы РКУ.

Таким образом, новый технический результат, достигнутый в данной полезной модели, заключается в снижении электрического сопротивления и повышения стабильности контактного нажатия РКУ, что позволяет повысить экономичность и надежность работы РКУ по сравнению с прототипом, сохранив при этом в полезной модели все присущие прототипу достоинства.

Что касается экономического эффекта, то можно отметить, что любая модернизация электротехнического устройства, результатом которой является повышение его коэффициента полезного действия, считается экономически оправданной, даже если она связана с некоторым повышением себестоимости изделия.

Расчеты показывают, что дополнительные расходы, связанные с заменой стального крепежа на цветной и увеличением токопередающей поверхности контакт-деталей с защитным металлопокрытием, окупаются через 6-12 месяцев работы РКУ под нагрузкой только за счет экономии электроэнергии, не считая стоимости и трудоемкости по эксплуатационному обслуживанию.

1. Разборное контактное устройство, токопередающие поверхности контакт-деталей которого имеют защитное металлопокрытие на основе галлия и прижаты друг к другу крепежными деталями, отличающееся тем, что крепежные детали выполнены из цветного металла, а поверхности крепежных деталей и крепежные поверхности контакт-деталей, соприкасающиеся друг с другом, имеют защитное металлопокрытие.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крепежные детали в разборных контактных устройствах с медными контакт-деталями выполнены из медного сплава.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крепежные детали в разборных контактных устройствах с алюминиевыми контакт-деталями выполнены из алюминиевого сплава.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия для крепежа в контакт-деталях одной полярности выполнены с резьбой.

РИСУНКИ