Устройство мониторинга и защиты электрических контактов от перегрева

Полезная модель относится к электротехнике, а более конкретно к устройствам защиты электрических контактов от перегрева, возникающего при увеличении переходного сопротивления электрическому току вследствие ослабления усилия затяжки контактного соединения. Целью полезной модели является устранение недостатков известных конструкций устройств мониторинга и защиты и повышения эксплуатационных характеристик данного типа устройств. Устройство состоит из индикаторной пластины 3, имеющей в первоначальном состоянии отрицательно - изогнутую форму, и шайбы поджатия 2 круглой формы тарельчатого профиля, изготовленных из сплава с эффектом памяти формы. В болтовом контактном соединении индикаторная пластина устанавливается под тарельчатую шайбу поджатия, которая, в свою очередь, подкладывается под гайку 1. В процессе затяжки болтового соединения шайба поджатия принимает плоскую форму, а индикаторную пластину изгибают до положения, указанного поз. 2, При ослаблении контактного соединения в процессе эксплуатации возрастает величина переходного сопротивления контакта электрическому току, происходит нагрев контактного соединения и нагрев токоведущей шины 4. Посредством контактной теплопередачи нагревается устройство мониторинга и защиты в котором реализуется эффект памяти формы. Шайба поджатия стремится вернуть исходную (тарельчатую) форму, увеличивая тем самым усилие затяжки болтового соединения до величин, близких к номинальному, а индикаторная пластина выпрямляется, возвращаясь в поз. 1, сигнализируя о том, что контакт был подвержен нагреву.

Полезная модель относится к электротехнике, а более конкретно к устройствам защиты электрических контактов от перегрева, возникающего при увеличении переходного сопротивления электрическому току вследствие ослабления усилия затяжки контактного соединения.

Известные конструкции устройств мониторинга и защиты электрических контактов от перегрева выполнены из сплава с эффектом памяти формы, состоят из индикаторной пластины и шайбы поджатия круглой формы тарельчатого профиля.

В болтовом контактном соединении индикаторная пластина 3 (фиг. 1) устанавливается под тарельчатую шайбу поджатия 2 (фиг. 1), которая, в свою очередь, подкладывается под гайку 1 (фиг. 1). Обычно предполагается, что в начальном состоянии шайба поджатия имеет тарельчатый профиль, а пластина индикатор - изогнутая, т.е. такая, как показано в поз. 2 (фиг. 1). Затем, в процессе затяжки болтового соединения, шайба поджатия принимает плоскую форму, а индикаторную пластину выпрямляют до положения, указанного поз. 1 (фиг. 1). При ослаблении контактного соединения, возрастает величина переходного сопротивления контакта электрическому току, происходит нагрев контактного соединения и нагрев токоведущей шины 4 (фиг. 1). Посредством контактной теплопередачи нагревается устройство мониторинга и защиты, в котором реализуется эффект памяти формы. Шайба поджатия стремится вернуть исходную (тарельчатую) форму, увеличивая тем самым усилие затяжки болтового соединения до величин, близких к номинальному, а индикаторная пластина изгибается, возвращаясь в поз. 2 (фиг. 1), сигнализируя о том, что контакт был подвержен нагреву.

Недостаток такой конструкции устройства мониторинга и защиты состоит в том, что при нагреве токоведущей шины и начале восстановления формы индикаторная пластина начинает изгибаться и при этом теряет тепловой контакт с поверхностью токоведущей шины. Нагрев индикаторной пластины и, следовательно, восстановление ее формы, прекращается. Требуется значительный последующий перегрев токоведущей шины для того, чтобы индикаторная пластина полностью изогнулась. Таким образом, температура, о наступлении которой сигнализирует индикаторная пластина, является завышенной по сравнению с ожидаемой, и к тому же зависит от внешних условий: температуры окружающей среды, наличия ветра и т.д.

Предлагается следующее техническое решение, направленное на исключение перечисленных недостатков. В известную конструкцию устройства защиты и мониторинга предлагается внести следующие изменения: принимаем, что начальная форма индикаторной пластины - плоская (фиг. 2а).

Перед использованием пластину изгибают таким образом, чтобы радиус изгиба не превышал расчетный, при котором деформация на поверхности пластины не выходит за пределы 1-2% (фиг. 2б). Коэффициент возврата такой деформации достаточно велик. При нагреве шины происходит нагрев той части пластины, которая прилегает к поверхности шины и находится вблизи точки закрепления. Пластина начинает восстанавливать свою первоначальную плоскую форму. Распрямляясь, она входит в тепловой контакт с поверхностью шины. Благодаря этому обеспечивается надежная теплопередача, происходит нагрев пластины и она быстро выпрямляется.

Однако недостатком предложенного технического решения является то, что для обеспечения надежного теплового контакта с основанием во время разгибания пластины требуется, чтобы восстановление формы было полным. Это означает, что используемые деформации должны быть малыми (<1%), причем тем меньше, чем выше кратность применения устройства, поскольку при циклическом эффекте памяти формы необратимые деформации накапливаются даже при небольших деформациях и щадящем режиме нагружения [1]. Радиус изгиба пластины связан с максимальной деформацией на ее поверхности соотношением =h/2R-100°/c, где - деформация в процентах, h - толщина пластины, R - радиус ее кривизны. Максимальная возвращаемая деформация в поликристаллических сплавах на основе меди или NiTi может достигать 10% и более [3, 4]. Пусть металл с эффектом памяти формы после изотермической деформации в мартенситном состоянии с остаточной деформацией после разгрузки _ост нагрели до температуры, превышающей температуру окончания обратного мартенситного превращения, A_к. При этом часть деформации, _ЭПФ, возвратилась вследствие эффекта памяти формы (фиг. 3). Однако при достаточно большой остаточной деформации, _ост, возврат формы происходит лишь частично, то есть некоторая деформация, _н, остается не восстановленной.

Необратимая деформация, _н, зависит от величины остаточной деформации, _ост. Как правило, способность металла к возврату формы изображают в координатах _ост-K, где K - коэффициент восстановления деформации, вычисляется по формуле K=_ЭПФ/_ост·100% (фиг. 4).

Для того, чтобы пластина, изогнутая до R₁, при нагреве приняла плоскую форму, необходимо задать начальную отрицательную кривизну R₀ (фиг 5).

Для определения начального радиуса отрицательной кривизны пластины, R₀, предлагается из экспериментальных данных о степени восстановления формы для различных остаточных деформаций для сплава, из которого сделана пластина, например, из зависимости коэффициента восстановления деформации от остаточной деформации, построить графики зависимости необратимой деформации, _н, от деформации, возвращаемой при нагреве металла, т.е. деформации _Э. Такие графики, полученные из данных, приведенных на фиг. 4, кривые 1 и 2, отражены на фиг. 6 для сплавов CuAlMn (а) и CuAlMnB (б).

Поскольку пластина имеет начальную отрицательную кривизну, R₀, а в рабочем состоянии радиус изгиба R₁ (фиг. 5), необходимо произвести следующую деформацию металла:

,

где ₀ - деформация при разгибании пластины от начального радиуса R₀ до плоского состояния, т.е. R=;

₁ - деформация при изгибе пластины от плоского состояния до радиуса R₁;

h - толщина пластины.

Пусть при толщине пластины 0,8 мм ожидаемая возвращаемая деформация, _ЭПФ, составляет 4%. Это означает, что ее радиус кривизны, R₁, должен быть равным 10 мм (R₀ =2_н/h). Поскольку необратимая деформация в этом случае составляет 0,085%, то соответствующий ей радиус R ₀ будет равен приблизительно 470 мм (R₀=2_н/h). Для более надежного теплового контакта следует делать радиус R₀ меньшим этой величины, например, R₀=250 мм.

Аналогично (из фиг. 6, б) рассчитаем начальную кривизну для сплава CuAlMnB. При тех же исходных параметрах, что и для сплава CuAlMn (R₁=10 мм; _ЭПФ=4%), необратимая деформация для этого сплава составляет 0,47%. Для полного выпрямления пластины начальный отрицательный радиус изгиба, R₀, должен быть не более 85 мм.

Предлагаемый вариант конструкции устройства мониторинга и защиты электрических контактов от перегрева представлен на фиг. 1. Устройство состоит из индикаторной пластины 3, имеющей в первоначальном состоянии отрицательно - изогнутую форму, и шайбы поджатия 2 круглой формы тарельчатого профиля, изготовленных из сплава с эффектом памяти формы. В болтовом контактном соединении индикаторная пластина устанавливается под тарельчатую шайбу поджатия, которая, в свою очередь, подкладывается под гайку 1. В процессе затяжки болтового соединения, шайба поджатия принимает плоскую форму, а индикаторную пластину изгибают до положения, указанного поз. 2, При ослаблении контактного соединения в процессе эксплуатации возрастает величина переходного сопротивления контакта электрическому току, происходит нагрев контактного соединения и нагрев токоведущей шины 4. Посредством контактной теплопередачи нагревается устройство мониторинга и защиты, в котором реализуется эффект памяти формы. Шайба поджатия стремиться вернуть исходную (тарельчатую) форму, увеличивая тем самым усилие затяжки болтового соединения до величин, близких к номинальному, а индикаторная пластина выпрямляется, возвращаясь в поз. 1, сигнализируя о том, что контакт был подвержен нагреву.

Источники информации:

1. Затульский Г.З., Королев М.Н., Зянкина Г.Н., Ларин В.К., Лихачев В.А. Термическая усталость поликристаллов CuAlMn // Механика прочности материалов с новыми функциональными свойствами. Рубежное, 1990. С. 74-76.

2. Шипша В.Г., Казаков В.Ю., Затульский Г.З., Рябиков В.Е., Баженов И.П., Аленцин В.М., Лямин А.Е. Влияние размера зерна на термомеханические характеристики сплава CuAlMn // Функционально-механические свойства материалов и их компьютерное конструирование. Псков, 1993. С. 509-513.

3. Матлахова Л.А., Федотова С.Г. Эффект памяти формы TiNi при деформации сжатием // Материалы с эффектом памяти формы и их применение. Новгород, 1992. С. 74-75

4. Ильин .., Скворцов В.Н., Никитич А.С.Характеристика восстановления формы листов из сплава Ti-49.5% Ni // Цвет. мет. 1986, 2. С. 69-71.

Устройство мониторинга и защиты электрических контактов от перегрева, содержащее круглую шайбу поджатая, выполненную из материала с эффектом памяти формы, имеющую тарельчатую форму профиля, и пластину-индикатор, выполненную из материала с эффектом памяти формы, имеющую в первоначальном состоянии изогнутую форму.