Разборное контактное соединение
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть применена для соединения разнородных токоведущих элементов силовых энергетических агрегатов, установок и устройств широкой номенклатуры.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - возможность определения рабочей температуры деталей контактного соединения, ее регулирования, что приводит к увеличению срока службы контактного соединения.
Это достигается тем, что в разборном контактном соединении разнородных медных и алюминиевых шин между собой, шины со штыревым выводом или с кабельным наконечником в открытых распределительных электротехнических устройствах, каждое из которых соединено болтовым креплением через переходную медно-алюминиевую биметаллическую пластину, установленную в разборном соединении таким образом, чтобы обеспечивался контакт одноименных металлов, биметаллическая пластина с одной стороны имеет свободно выступающую за границы контактного соединения на 10-15 мм часть, а с противоположной - приваренный локально между медным и алюминиевым слоями в процессе сварки взрывом биметаллической пластины на ¼ ее части слой константановой фольги толщиной 0,15-0,3 мм, образующий с медным слоем биметаллической пластины термопару, причем длина свободной части слоя фольги находится в диапазоне 15-30 мм, а ширина слоя равна ширине биметаллической пластины.
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть применена для соединения разнородных токоведущих элементов силовых энергетических агрегатов, установок и устройств широкой номенклатуры.
Известно болтовое соединение алюминиевого наконечника с медной шиной, причем на контактную поверхность наконечника нанесена холодной сваркой методом локального вдавливания медная пластина (Холодная сварка пластичных металлов. Баранов И.Б., «Машиностроение», 1969, 208 стр., с.131-134). Электродетали, в частности, алюминиевые кабельные наконечники, плакированные медью методом локального вдавливания, имеют низкие служебные свойства, поскольку прочная металлическая связь при этом способе холодной сварки образуется на отдельных участках, составляющих 10-15% (одна сварная точка обычно приходится на 3-6 см2) от общей контактной поверхности элемента. При прохождении электрического тока на указанных участках многократно возрастает его плотность, что приводит к локальному перегреву и разрушению соединения. Усугубляющее воздействие при этом оказывает межслойная электрохимическая коррозия алюминия, поскольку медная плакировка и ответная алюминиевая часть находятся (за исключением отдельных зон) в механическом контакте.
Недостатком данной конструкции является существенный перегрев (свыше 90°С) конструкции узла в целом, вызванный джоулевым теплом при прохождении электрического тока через места локального вдавливания, где реализуется минимальное электросопротивление, однако плотность тока в этих областях велика, и, как следствие, быстрый выход узла из строя, особенно при пиковых нагрузках. Также в данном контактном
соединении невозможно определить рабочую температуру его деталей, поскольку конструкция токоведущего узла не позволяет производить измерения последней напрямую.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция разборного контактного соединения по заявке на изобретение (RU 93050835, H01R 4/30, опубл. 08.10.1996 г.), где разборное контактное соединение разнородных медных и алюминиевых шин между собой, шины со штыревым выводом или с кабельным наконечником в открытых распределительных электротехнических устройствах, каждое из которых соединено болтовым креплением через переходную медно-алюминиевую биметаллическую пластину, установленную в разборном соединении таким образом, чтобы обеспечивался контакт одноименных металлов. При этом реализуется идея замены одного «плохого» (Cu+Al) контакта двумя «хорошими», что позволяет в отличие от соединения «напрямую» избежать электрохимической коррозии.
Недостатком данной конструкции узла является невозможность контроля рабочей температуры токоподвода, так как применение контактных методов измерения температуры с помощью специальных датчиков изменяет геометрию контактного соединения, условия протекания электрического тока, что приводит к снижению срока службы контактного соединения
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - возможность определения рабочей температуры деталей контактного соединения, ее регулирования, что приводит к увеличению срока службы контактного соединения.
Поставленный технический результат достигается тем, что в разборном контактном соединении разнородных медных и алюминиевых
шин между собой, шины со штыревым выводом или с кабельным наконечником в открытых распределительных электротехнических устройствах, каждое из которых соединено болтовым креплением через переходную медно-алюминиевую биметаллическую пластину, установленную в разборном соединении таким образом, чтобы обеспечивался контакт одноименных металлов, биметаллическая пластина с одной стороны имеет свободно выступающую за границы контактного соединения на 10-15 мм часть, а с противоположной - приваренный локально между медным и алюминиевым слоями в процессе сварки взрывом биметаллической пластины на ¼ ее части слой константановой фольги толщиной 0,15-0,3 мм, образующий с медным слоем биметаллической пластины термопару, причем длина свободной части слоя фольги находится в диапазоне 15-30 мм, а ширина слоя равна ширине биметаллической пластины.
Очевидным преимуществом данной конструкции контактного соединения является возможность точного определения рабочей температуры деталей контактного соединения, ее регулирования его температуры без применения специальных датчиков и изменения геометрии контактного соединения, что существенно повышает срок службы контактного соединения. Заявленные геометрические параметры константановой фольги совместно с параметрами биметаллической пластины обеспечивают получение надежной естественной термопары, с помощью которой обеспечивается измерение рабочей температуры деталей контактного соединения непосредственно в месте максимальных контактных электросопротивлений, что дает возможность регулировать температуру. Уменьшение геометрических параметров ниже заявленных минимальных значений влечет за собой изменение соотношения длин медного слоя биметаллической пластины и константановой фольги, что приводит к получению неверных значений рабочей температуры деталей контактного
соединения. Увеличение геометрических параметров выше заявленных максимальных не влияет на замеры температуры, однако экономически нецелесообразно, поскольку приводит к повышенному расходу дорогостоящих цветных металлов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен вариант контактного соединения разнородных шин, на фиг.2 изображен общий вид разборного контактного соединения медной шины с алюминиевым кабельным наконечником, на фиг.3 представлено контактное соединение алюминиевой шины с медным штыревым выводом. На фиг.4 представлен график зависимости переходного сопротивления контактных соединений от количества циклов испытаний вариантов контактных соединений, изображенных на фиг.1-3.
Контактное соединение (фиг.1) содержит медную 1 и алюминиевую 2 шины, или медную шину 1 и алюминиевый кабельный наконечник 3 (фиг.2), соединенные болтовым креплением 4 через переходную, сваренную взрывом биметаллическую медно-алюминиевую пластину 5 имеющую с одной стороны свободно выступающую за границы контактного соединения на 10-15 мм часть 6, а с противоположной - приваренный локально между медным и алюминиевым слоями в процессе сварки взрывом биметаллической пластины на ¼ ее части слой константановой фольги 7 толщиной 0,15-0,3 мм, образующий с медным слоем биметаллической пластины 5 термопару, причем длина свободной части слоя фольги 7 находится в диапазоне 15-30 мм, а ширина слоя равна ширине биметаллической пластины.
Контактные соединения (фиг.1, 2) монтируются в распределительных энергоустановках при помощи болтовых креплений 4, усилие затяжки каждого из которых определяется по зависимости (1), где напряжение сжатия деталей контактных соединений должно быть не менее 10 МПа.
где А - площадь контактирования, без учета отверстий под болты, мм2; d - диаметр сжимного болта, мм2; n - количество болтов; М - крутящий момент затяжки болтов, выбираемый по ГОСТ 10434-82; k - коэффициент, учитывающий трение в резьбе.
Это позволяет достичь в разборных контактных соединениях из разнородных металлов минимальных значений начальных электросопротивлений, изменяющихся в диапазоне 2-14 мкОм, при этом минимальные значения сопротивления соответствуют рабочей температуре, определяемой непосредственно в контактном соединении с помощью естественной, медно-константановой термопары и соответственно тарированного потенциометра, составляют +20 ±5°C, а максимальные - +50±5 °C.
Контактное соединение фиг.3 содержит алюминиевую шину 2 медный штыревой вывод 8 которые монтируются в распределительных энергоустановках при помощи специальной медной гайки 9 и контргайки 10 также через сваренную взрывом биметаллическую медно-алюминиевую пластину 5, имеющую с одной стороны свободно выступающую за границы контактного соединения на 10-15 мм часть 6, а с противоположной - приваренный локально между медным и алюминиевым слоями в процессе сварки взрывом биметаллической пластины 5 на ¼ ее части слой константановой фольги 7 толщиной 0,15-0,3 мм, образующий с медным слоем биметаллической пластины 5 термопару, причем длина свободной части слоя фольги 7 находится в диапазоне 15-30 мм, а ширина слоя равна ширине биметаллической пластины. Усилие затяжки контактного соединения также определяется по зависимости (1).
Контактное соединение фиг.1, 2 собирается следующим образом. В электротехнических распределительных устройствах основную токовую нагрузку несут медные 1 или алюминиевые шины 2, отдельные участки которых имеют технологические отверстия под болтовое крепление 4 для подключения электрических машин и агрегатов. Выводы электрических машин и агрегатов - это либо кабельные наконечники 3, либо шины 1, 2, имеющие аналогичные по геометрическим размерам и расположению технологические отверстия под болтовое крепление 4. К медной шине 1 прикладывается биметаллическая пластина 5 таким образом, чтобы в контакте с медной шиной 1 оказался медный слой пластины 5. В отверстия под болтовое крепление 4 устанавливаются болты, которые удерживают биметаллическую пластину 5 в свободном положении. После этого на болты крепится алюминиевый кабельный наконечник 3 или шина 2 таким образом, чтобы он контактировал с алюминиевым слоем биметаллической пластины 5, болтовое крепление 4 затягивается от руки, а затем с помощью динамометрического ключа проверяется усилие затяжки, которое рассчитывается по зависимости (1).
Работа контактного соединения происходит следующим образом. При включении электрического агрегата ток проходит по медной шине 1 распределительного устройства через медный и алюминиевый слои биметаллической пластины 5 и снимается с кабельного наконечника 3. Прохождение электрического тока приводит к нагреву контактного соединения, температуру которого можно определить с помощью обычного тарированного потенциометра, измерительные выводы которого подсоединяются контактным методом к константановой фольге 7 и выступающей за границы контактного соединения части 6 медно-алюминиевой пластины.
В результате проведенных экстремальных испытаний (ГОСТ 17441-84) с целью оценки динамики изменения эксплуатационных свойств контактного
соединения по предлагаемой заявке на полезную модель и аналогичных штатных - соединением медной и алюминиевой шин "напрямую" установлено, что переходное электросопротивление контактного соединения, содержащего тонкую биметаллическую пластину 5, полученную с помощью сварки взрывом и последующей прокатки, по сравнению с Rпер соединения "напрямую" достигает в среднем 8,5 мкОм (фиг.4) после 200 циклов, против 22-24 мкОм для случая соединения медного и алюминиевых выводов "напрямую". Опыт эксплуатации данной полезной модели показал, что электрофизические свойства биметаллической пластины и контактного соединения в целом практически не изменились, а температура контактного соединения, содержащего биметаллическую пластину с константановой фольгой, образующей с медным слоем биметаллической пластины естественную термопару в процессе штатной работы не превышает 50°С.
Таким образом, предложенная полезная модель разборного контактного соединения, содержащего биметаллическую пластину, имеющую с одной стороны свободно выступающую за границы контактного соединения на 10-15 мм часть, а с противоположной - приваренный локально между медным и алюминиевым слоями в процессе сварки взрывом биметаллической пластины на ¼ ее части слой константановой фольги толщиной 0,15-0,3 мм, образующий с медным слоем биметаллической пластины термопару, позволяет определять температуру нагрева деталей, не допускать ее значений свыше 50°С, что увеличивает срок службы узла токоподвода в 1,8-2,2 раза.
Разборное контактное соединение разнородных медных и алюминиевых шин между собой, шины со штыревым выводом или с кабельным наконечником в открытых распределительных электротехнических устройствах, каждое из которых соединено болтовым креплением через переходную медно-алюминиевую биметаллическую пластину, установленную в разборном соединении таким образом, чтобы обеспечивался контакт одноименных металлов, отличающееся тем, что биметаллическая пластина с одной стороны имеет свободно выступающую за границы контактного соединения на 10-15 мм часть, а с противоположной - приваренный локально между медным и алюминиевым слоями в процессе сварки взрывом биметаллической пластины на j ее части слой константановой фольги толщиной 0,15-0,3 мм, образующий с медным слоем биметаллической пластины термопару, причем длина свободной части слоя фольги находится в диапазоне 15-30 мм, а ширина слоя равна ширине биметаллической пластины.
