СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
METHOD FOR TESTING OF CONTACT JOINT STATE IN ELECTRIC CIRCUITS

Предлагаемое изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к созданию высококачественных систем контроля технологических процессов, связанных с эксплуатацией электрических цепей.
В энергетике, в промышленности и на транспорте в электрических цепях стационарных и подвижных объектов используется большое число типов контактных соединений. Работа контактного соединения в процессе эксплуатации начинается от нормального режима, когда контакт можно охарактеризовать линейным электрическим элементом, обладающим активным сопротивлением. Электрический контакт зависит от таких параметров, как удельное сопротивление материала (или материалов), площади контакта, контактного давления, температуры, оксидных пленок и других факторов, связанных с условиями эксплуатации. При этом в контактных соединениях происходит ухудшение их эксплуатационных свойств, вплоть до их разрушения, связанное с такими явлениями, как повышенный нагрев, окисление, искрение, образование электрической дуги, разбрызгивание металла [1]. Контактное соединение в стадии конструктивных отклонений от нормы представляет собой довольно сложный нелинейный электрический элемент, характеризующийся в общем случае не только одним электрическим параметром (активным сопротивлением), но и другими параметрами, более полно определяющими контактное соединение в этом состоянии. На практике существует несколько способов контроля электрического состояния контактных соединений, которые фактически позволяют измерить или оценить активное сопротивление контакта при пропускании по нему небольшого по величине постоянного тока. Полученное таким образом численное значение активного сопротивления контакта сравнивается с его допустимым значением [2].
Процессы старения контактного соединения могут протекать с различной скоростью, поэтому существующие способы контроля при однократной процедуре измерения активного сопротивления контактного соединения практически не позволяют оценить динамику развития процесса разрушения контактного соединения и не дают информацию о причинах изменения контактного сопротивления.
Предлагаемый способ контроля состояния контактных соединений электрических цепей разработан на основе теории гармонического анализа [3, 4], на результатах данных патента [5] и решает указанные задачи.
Способ позволяет получить частотные спектры тока, протекающего по контактному соединению, и падение напряжения на нем от этого тока, определить его полное комплексное сопротивление для каждой гармоники в отдельности, оценить состояние контактного соединения по активной и реактивной составляющим полного комплексного сопротивления гармоник, а также получить информацию о возможности возникновения искрения и образования электрической дуги при эксплуатации контактного соединения.
Способ сводится к реализации следующих процедур. Контактное соединение электрической цепи обесточивается. На зажимы контактного соединения подается любой по форме импульс тока (содержащий постоянную составляющую), например прямоугольный импульс, и снимаются сигналы входного тока и напряжения на зажимах контактного соединения, кривые тока и напряжения раскладываются в ряд Фурье. При этом члены разложения в ряд Фурье прямоугольного импульса тока будут содержать нечетные гармоники и постоянную составляющую тока. Принимается линейная электрическая схема замещения контактного соединения, в этом случае в снятой осциллограмме напряжения будут присутствовать те же гармоники, что и в спектре тока, плюс постоянная составляющая напряжения. Далее по закону Ома находятся значения модуля полного комплексного сопротивления контактного соединения для каждой гармоники в отдельности тока и напряжения, а также определяется активное сопротивление контактного соединения по постоянным составляющим тока и напряжения по формулам:
k
mk
mk
0
0
0
Z=U/I и R=U/I,
k
k
k
k
0
mk
mk
0
0
k
k
k
k
k
k
k<
k
0
k
0
k
0
k
0
0
k
0
где Z - модуль полного комплексного сопротивления Z=R+JX k-той гармоники (j - мнимая единица); R - активное сопротивление; U и I - амплитудные значения k-ой гармоники напряжения и тока соответственно; U и I - постоянные составляющие ряда Фурье напряжения и тока соответственно, R - активное сопротивление k-той гармоники, X - реактивное сопротивление k-той гармоники. Полное комплексное сопротивление Z=R+jX, характеризующее контактное соединение, может носить индуктивный X>0, емкостной (X0) или активный характер (X=0), которые определяют физические свойства исследуемого контактного соединения в дополнение к общепринятому активному сопротивлению R. Если значения модулей полных комплексных сопротивлений контактного соединения k-тых гармоник Z практически совпадают с активным сопротивлением R, то реактивное сопротивление у полного комплексного сопротивления гармоник будет равно нулю X=0, тогда активные сопротивлениям гармоник принимаются равными активному сопротивлению r(R=R), которое принимается за активное сопротивление контактного соединения R. Если значения модулей полных комплексных сопротивлений контактного соединения k-тых гармоник больше значения сопротивления найденного для постоянных составляющих тока и напряжения Z>R, то значения реактивных сопротивлений k-тых гармоник вычисляются по формуле:
<mrow><msub><mi>X</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow /></msqrt><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
ГU
ГI
k
ГU
ГI
k
где знак определяется по следующему правилу. Если кривая тока будет более синусоидальной, чем кривая напряжения, то коэффициент гармоник напряжения будет больше коэффициента гармоник тока K>K, тогда полное комплексное сопротивление носит индуктивный характер (X>0). Если кривая тока будет более несинусоидальной, чем кривая напряжения, то коэффициент гармоник напряжения будет меньше коэффициента гармоник тока K<K, тогда полное комплексное сопротивление носит емкостной характер (X<0).
По найденным значениям активного и реактивного сопротивлений в зависимости от типа контактного соединения делается оценка о его дальнейшей эксплуатации. Появление в спектре напряжения частот гармоник, отличных от частот гармоник входного тока, говорит о том, что контактное соединение представляет собой нелинейный элемент. При этом в контактном соединении при его эксплуатации могут возникнуть такие электромагнитные процессы, как искрение, образование электрической дуги, полупроводниковый эффект и другие эффекты. В этом случае из спектра напряжения вычитаются гармоники, связанные с источником тока, и по оставшимся гармоникам части спектра напряжения оценивается состояние контактного соединения [5]. Практически сам факт появления таких гармоник говорит о его неисправности, а из конструктивных особенностей контактного соединения вытекает причина их возникновения.
Практическая реализация предлагаемого способа осуществляется с помощью генератора прямоугольных (или других видов) импульсов тока, сигнал которого подается на обесточенное контактное соединение. С помощью современной цифровой аппаратуры снимаются и обрабатываются сигналы тока и напряжения на контактном соединении, кривые тока и напряжения раскладываются в ряд Фурье. Находятся активное и реактивные сопротивления контактного соединения, получают часть спектра напряжения, характеризующего контактное соединение, как нелинейный элемент, затем по полученным данным оценивается состояние контактного соединения путем сравнения их с эталонными данными для данного типа контактного соединения. Реализация на практике предлагаемого способа контроля состояния контактных соединений электрических цепей может осуществляться в реальном масштабе времени в стационарных и полевых условиях работы, необходимое число гармоник, по которым делается анализ работоспособности контактного соединения, параметры импульса тока выбираются оператором в зависимости от получения требуемой точности для данного типа контактного соединения.
Литература
1. Общие сведения об электрических контактах. Интернет ресурс: http://elektrokontakty.ru/
2. Способы контроля состояния контактных соединений в процессе эксплуатации электрических сетей. Интернет ресурс: http://electricalschool.info/main/ekspluat/200-sposoby-kontrolja-stojanija.html.
3. Гольдман С. Гармонический анализ, модуляция и шумы. - М: Издательство иностранной литературы, 1951. - 408 с.
4. Зевеке Г.В. и др. Основы теории цепей. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.
5. Пат. №2319586 Российская Федерация, RU 2319586 С2, МПК В23К 9/10 (2006.01). Способ контроля и управления процессом электросварки. / Степанов А.П., Милованов А.И., Черняк С.С., Саломатов В.Н., Лопатин М.В., Бутаков В.Ф., Степанов М.А.,; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2005136650/02, заявл. 24.11.2005, опубл. 20.03.2008, Бюл. №8.