Оценка величины потерь электроэнергии в низковольтных коммутационных аппаратах

УДК 621.311

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТАХ

Е.И. ГРАЧЕВА Казанский государственный энергетический университет

В работе представлен расчет сопротивления стягивания контактного соединения коммутационных аппаратов, позволяющий учитывать техническое состояние низковольтной коммутационной аппаратуры и уточнять величину энергии, выделившейся в коммутационном аппарате в режиме эксплуатации электрической сети.

Ключевые слова: потери электроэнергии, сопротивление контактных систем, низковольтные коммутационные аппараты.

Понятие «электрический контакт» означает надежное соединение двух проводников, позволяющее проводить ток. Исследователей всегда интересовали процессы, которые происходят на поверхности контактирования при коммутации электрической цепи [1].

Наука об электрическом контакте основывается на изучении механических, химических, тепловых и электрических процессов, протекающих на соприкасающихся поверхностях. Механические свойства контактных материалов обусловливают в первую очередь структуру поверхностей и ее влияние на площадь контактирования. Химические свойства выражены тем, что на поверхности контактов могут образовываться окисные, сульфидные или другие защитные пленки. Тепловые и электрофизические процессы на контактах вызваны прохождением тока от одного вида проводника к другому и могут проявляться в виде эффектов Ленца-Джоуля, Томсона, Пельтье, Колера и др. [1]

Цель создания любого электрического соединения состоит в таком соприкосновении двух проводников, при котором электроны кристаллической решетки одного из них могут свободно переходить в решетку другого.

Одной из главных характеристик металлических поверхностей является шероховатость. Независимо от способа изготовления на поверхности металлов всегда имеются неровности. Природа контакта двух твердых тел в значительной степени зависит от шероховатости соприкасающихся поверхностей, которые, прежде всего, коснутся друг друга в тех местах, где микровыступ одной поверхности встретит соответствующий микровыступ другой. Интенсивное местное давление вызовет деформацию металла в этих микрообластях контактных точек. При дальнейшем сближении поверхностей площади контактных точек будут увеличиваться и создавать новые контактные пятна по мере соприкосновения других неровностей. Весь процесс происходит до тех пор, пока силы сопротивления смятию не сравняются с внешней приложенной силой. Но даже тогда, когда процесс закончен и уже произошла значительная деформация металла, большая часть соприкасающихся поверхностей все же отделена друг от друга расстояниями, во много раз превосходящими расстояния, на которых начинают действовать межатомные силы. Лишь небольшая площадка обеспечивает настоящий металлический контакт за счет имеющихся микронеровностей [1].

© Е.И. Грачева

Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

При размыкании контактов площадь поверхности соприкосновения начинает уменьшаться, вследствие чего плотность тока в области стягивания растет по мере расхождения контактов. Джоулево тепло, выделяющееся в этой области, столь быстро растет, что микронеровности успевают расплавиться и образовать между контактами жидкий металлический токопроводящий мостик. Под действием сил поверхностного натяжения мостик сначала имеет бочкообразную форму, которая, по мере расхождения контактов, превращается в гиперболоидальную с седловиной примерно в середине мостика. Эти формы мостика были рассмотрены Левелином Джонсоном при медленном разведении контактов. Джонс экспериментально подтвердил для многих металлов справедливость формулы Хольма, выведенной из закона Видемана - Франца -Лоренца [1]:

а

4

где Тр - температура мостика перед его разрушением, о К; Тц - температура противоположного конца контакта; и - падение напряжения на мостике, В;

_о 2

а = 2,4 • 10 В/град - постоянная Лоренца.

Этой формулой выражена зависимость между температурой и падением напряжения на каком-либо участке жидкого металла, в нашем случае на расплавленном мостике.

Некоторые виды низковольтных коммутационных аппаратов, несмотря на кажущуюся простоту, в ряде случаев представляют собой весьма сложную техническую систему, главным требованием к которой является нормальное функционирование в соответствии с конкретным назначением. Общее положение, определяющее функциональную пригодность аппарата, предполагает удовлетворение в процессе его эксплуатации заранее установленных и совершенно определенных критериальных требований, причем по содержанию и жесткости они могут сильно различаться в зависимости от типа аппарата, режимов и условий его эксплуатации [2].

Например, характерной особенностью автоматических выключателей является возможность длительного нахождения их контактов в замкнутом состоянии, к тому же в условиях действия агрессивных сред, влаги, повышенной температуры и т.д. А это обусловливает жесткие требования к стабильности и уровню переходного сопротивления контактных соединений. Для контакторов эти требования могут быть смягчены, поскольку при частой оперативной коммутации тока возможно периодическое обновление контактных поверхностей. Но в том и другом случае необходимо наличие информации о значении сопротивлений контактных соединений, поскольку из-за большой протяженности и разветвленности заводских сетей низкого напряжения с множеством последовательных узлов с контактными соединениями доля сопротивлений последних в общем эквивалентном сопротивлении заводской сети достаточно высока. Поэтому при определении потерь электроэнергии в заводских сетях напряжением до 1000 В следует учитывать сопротивление контактной системы коммутационных аппаратов. Мощность, потребляемая собственно аппаратом при его функционировании и рассеиваемая, в нем должна быть минимальной. Низковольтное аппаратостроение в последние время начинает довольно интенсивно развиваться. Происходит замена устаревших коммутационных

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

аппаратов на аппараты нового поколения с высокой токоограничивающей способностью, на аппараты, обеспечивающие более высокую надежность и экономичность [2].

Известно, что электрическая износоустойчивость и работоспособность контактов аппаратов зависят от многих факторов: материала контактов; условий работы, в т.ч. частоты циклов (включений - отключений), величин тока и напряжения; от параметров аппаратов, в т.ч. скорости расхождения контактов при отключении, времени и амплитуды вибрации контактов при включении; среды, в которой происходит коммутация тока контактами и т.д.

Низковольтные коммутационные аппараты, особенно те виды, которые имеют подвижные контакты мостикового и лепесткового типа, должны длительно находиться в замкнутом состоянии при различных внешних условиях. Это обуславливает жесткие требования к стабильности и уровню переходного сопротивления контактного соединения. Из-за большой протяженности и разветвленности цеховых сетей низкого напряжения с множеством последовательных узлов с контактными соединениями доля сопротивлений последних в общем сопротивлении цеховой сети достаточно высока. Поэтому при определении потерь электроэнергии в цеховых сетях напряжением до 1000 В следует учитывать сопротивление контактных соединений коммутационных аппаратов [2].

В справочной литературе практически отсутствует информация о сопротивлении контактных систем коммутационных аппаратов. Поэтому возникает необходимость в определении эксплуатационных характеристик аппаратов.

Считается, что контактное сопротивление состоит из двух составляющих [1]:

где Я-т - сопротивление тела контактов; Яд - переходное сопротивление мест контактирования.

Сопротивление Яд в отличии от Ят имеет значительные вариации по абсолютной величине и способно вызвать неприятные явления, связанные с отказом контактов. Детальное исследование показывает, что переходное сопротивление, в свою очередь, состоит из двух составляющих:

где ЯдЛ - сопротивление поверхности пленок; Яс - сопротивление стягивания.

Ранее указывалось, что поверхностные пленки, образующиеся на контактных поверхностях, могут препятствовать протеканию тока и тем самым определять величину.

Составляющая Яс вызвана тем, что соединенные встык контакты соприкасаются не по всей кажущейся поверхности, а лишь в отдельных точках.

Действительные контактные точки в различной степени способствуют протеканию тока. По проводимости их можно разделить на три группы [1]:

а) металлические соприкасающиеся поверхности;

б) квазиметаллические соприкасающиеся поверхности, покрытые абсорбированной газовой пленкой толщиной в несколько молекул;

в) несущие поверхностные пленки с высоким сопротивлением Япл .

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

Як =Ят+Яп,

яп = я пл+яс ,

Соприкосновение металлических поверхностей приводит к тому, что линии тока стягиваются к местам с хорошей проводимостью, при этом плотность тока может доходить до 107 А/см2. Выделение сопротивления стягивания было первым шагом к пониманию теории контактов. Введение этого понятия дало возможность установить количественные соотношения между контактным сопротивлением, физическими свойствами контактных материалов, геометрической формой поверхности контактов и контактным усилием [1].

Природа деформаций, происходящих на двух соприкасающихся поверхностях, оказывает огромное влияние на характеристики контакта. Обычно предполагается, что имеющиеся на поверхности изолирующие пленки разрушаются только в случае пластичной деформации металла при контакте, и поэтому было проведено большое количество исследований с целью определения факторов, влияющих на механизм деформаций. Были разработаны способы описания природы механического контакта, в которых учитывались механические свойства поверхностей и их микрорельеф. Информация о детальной структуре поверхностей была обработана на цифровой вычислительной машине. Это исследование показало, что некоторые параметры рельефа, такие как радиусы кривизны поверхностей микровыступов и распределение последних по высотам, ранее не всегда правильно оценивались. Например, было обнаружено, что для многих поверхностей распределение неровностей по высотам точно соответствует нормальному распределению [1].

Благодаря использованию этих данных, стал возможен расчет соотношения нагрузки и площади контакта двух поверхностей, а также определение условий, приводящих к пластической деформации отдельных неровностей. В результате опытов выяснилось, что, независимо от вида деформации, пластической или упругой, возникновение контактных областей определяется не только приложенной к двум твердым телам нагрузкой, а, в основном, шероховатостью их соприкасающихся поверхностей. Этот вывод находится в соответствии с общим направлением, которое возникло в последнее время при исследовании физики соприкасающихся поверхностей. Размер каждой контактной точки составляет 105-10-4 см. С точки зрения прохождения тока ясно, что контактирование происходит через тонкий изолирующий барьер с небольшим количеством далеко отстоящих пятен в нем, которые обеспечивают прохождение электронов. Именно химическая, механическая и тепловая природа микроскопических областей контакта на соприкасающихся поверхностях, как уже указывалось, управляет всей характеристикой контакта [1].

Оценим величину сопротивления стягивания низковольтных аппаратов.

Электрическая проводимость между двумя контактными элементами образуется в результате действия механического усилия Рк, называемого контактным, которое прижимает эти элементы друг к другу. Одной из важнейшей характеристик замкнутых электрических контактов является величина токопроводящей площадки между ними [1].

Металлический контакт осуществляется не по всей поверхности, а лишь в немногих точках. Имеющаяся на поверхности металла пленка, образованная теми или иными химическими соединениями и обладающая высоким электрическим сопротивлением, в одних случаях может быть продавлена под действием механических усилий, в других случаях может быть пробита под влиянием

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

разности электрических потенциалов. В месте пробоя может образоваться металлический перешеек, проводящий электрический ток [1].

Основная особенность контактной поверхности - ее шероховатость. Лишь в немногих точках соприкасаются выступы контактирующих участков. Увеличение силы контактного нажатия приводит к росту количества таких мест. Под действием электрической искры и дуги интенсивно проходят химические реакции, в результате которых на поверхности контактов образуются различные химические соединения, обладающие высоким электрическим сопротивлением. Кроме этого, может наблюдаться коррозия контактов, которая во влажной среде носит электролитический характер. Радикальные средства борьбы с пленками на поверхности контактов - это механическое притирание контактов в процессе их включения или сравнительно высокое давление одного контакта на другой, способное продавить пленку (для золота Р>0,01 Н, для серебра Р>0,1 Н, для вольфрама Р>0,7 Н) [1].

При больших размерах пленок (десятки нанометров) может наступить новое явление, называемое фриттингом. Если на контактах с такой пленкой поднимать напряжение, то переходное сопротивление будет быстро уменьшаться. Вольт-амперная характеристика контакта в этом состоянии аналогична соответствующей характеристике полупроводниковых материалов. При достижении некоторого порогового значения, называемого напряжением фриттинга Цф, зависящего от вида и толщины пленки, переходное сопротивление контакта резко уменьшается. Происходит электрический пробой пленки, завершающийся образованием тонкого металлического проводника в ней, который может остаться и после снятия напряжения [1].

В случае пластической или упруго-пластической деформации, наблюдаемой в реальных контактах, радиус контактной площадки / определяется с помощью понятия контактной твердости Нв, введенной Р. Хольмом. Она численно равна среднему давлению в контактных выступах, которое примерно втрое превышает давление, соответствующее началу пластической деформации.

В этом случае [1]

/

1

Рк

п^Н в

где | - коэффициент сжимаемости, учитывающий степень обработки контактной поверхности, от которой зависят ее упруго-пластические свойства; Рк -контактное усилие электрического аппарата, кг; Нв - контактная твердость материала контакта, кг/м2.

Для чисто пластической деформации | =1, а для упруго-пластической 0,3< | <1. При хорошей полировке контактов, когда деформация имеет почти упругий характер, значение | может быть уменьшено до 0,02. Так как аналитически вывести коэффициент | весьма сложно, воспользуемся его средним значением для аппаратов на десятки и сотни ампер [1]: | =1.

Для реального плоскостного контакта количество контактных площадок п=3 [1]. Тогда радиус результирующей контактной площадки будет определяться как

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

Рк

ппЬЦ в

Приведем несколько примеров расчета радиуса контактной площадки. Данные для расчета сопротивления стягивания представлены конструкторским отделом Дивногорского завода низковольтной аппаратуры (ДЗНВА) г. Дивногорск Красноярского края.

Для автоматов серии АЕ2040 на номинальный ток 63 А, где в качестве материала контакта используется композиция серебро Ag(95%)-графит С(5%),

2

для которой Нв = 35 кг/мм , Рк = 0,5 кг, по выражению [4] получаем / = 0,067 мм.

Для автоматов серии ВА 57-35 на номинальный ток 250 А, где в качестве материала контакта используется сплав серебро Ag(85%)-оксид кадмия

2

С^(15%), для которой Нв = 55 кг/мм , Рк = 2,5 кг, по выражению [4] получаем / = 0,12 мм.

Для автоматов серии ВА 57-39 на номинальный ток 400 А, где в качестве

материала контакта используется сплав серебро Ag(70%)-никель N1(30%), для

2

которой Нв = 50 кг/мм , Рк = 4 кг , по выражению [4] получаем / = 0,16 мм.

Расчет сопротивления стягивания произведем на основе известного из теоретических основ электротехники положения о том, что связь между сопротивлением стягивания контакта Яс и емкостью С проводниковых элементов одинаковой конфигурации, образующих контакт, определяется соотношением [1]

Яс = р/4пС,

где р - удельное сопротивление проводника. При длинной области стягивания

С = //п.

Тогда полное сопротивление стягивания двух контактирующих электродов р

Яс = —.

2 /

Ниже приведены результаты расчета сопротивлений стягивания для некоторых типов автоматических выключателей по выражению (7).

Для автомата серии АЕ2040 на номинальный ток 63 А, для которого / = 0,067 мм, р = 0,033 мОм • мм , Яс = 0,25 мОм.

Для автомата серии ВА 57-35 на номинальный ток 250 А, для которого / = 0,12 мм, р = 0,028 мОм • мм , Яс = 0,12 мОм.

Для автомата серии ВА 57-39 на номинальный ток 400 А, для которого / = 0,16 мм, р = 0,021 мОм • мм, Яс = 0,07 мОм.

Таким образом, полученные результаты позволяют оценить величину сопротивления стягивания автоматических выключателей некоторых типов в общем сопротивлении контактных соединений аппарата. Так, например, для

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

автоматического выключателя ВА 57-35 с /ном = 250 А, сопротивление силовой цепи составляет 1,2 мОм, а сопротивление стягивания - 0,12 мОм.

Оценим зависимость величины потерь мощности автоматических выключателей от пропускаемой мощности через аппарат. Мощность, передаваемая одним полюсом автомата, определяется по выражению [1]

P = U • / • cos ф.

Здесь U - напряжение сети, кВ; / - ток, проходящий через автомат, А; при неизвестном cos ф нагрузки будем использовать значение его, равное 0,8.

Потери мощности в одном полюсе автомата определяются как

AP = /• k з2 • ЯЯв,

2

где /ав - ток, проходящий через автомат; kз - квадрат коэффициента загрузки автомата; Яав - сопротивление силовой цепи автомата [2].

На основе характеристик для различных автоматических выключателей построены зависимости потерь мощности в автоматических выключателях от пропускаемой мощности (см. рисунок).

АР, Вт

Рис. Зависимость потерь мощности от пропускаемой мощности в автоматических выключателях

Низковольтная коммутационная аппаратура является неотъемлемой частью цеховых сетей. Протекание тока через коммутационные аппараты вызывает потери в их активном сопротивлении. Доля этих потерь невелика по сравнению с пропускаемой мощностью - 0,12-0,15%. Но пока электроэнергия доходит до электроприемника, она проходит несколько узлов коммутаций и доля потерь от передаваемой мощности возрастает до 1-1,5%, что является существенным при оценке потерь электроэнергии в цеховых сетях. Поэтому при оценке потерь электроэнергии в цеховых сетях следует учитывать потери в коммутационной аппаратуре.

Summary

/n job the account of resistance of contact junction of surtching meanses permitting represented to take into account availability index of product of the low-voltage surtching

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

equipment and to imprave magnitude of energy selected in a surtching means in a mode of operation of an electrical network.

Key words: the losses of energy, resistance of contact system, low-voltage surtch apparatus.

Литература

1. Хольм Р. Электрические контакты / Пер. с англ.: под ред. Д.Э. Брускина М.: Энергия. 1978. 456 с.

2. Шевченко В.В., Грачева Е.И. Определение сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. 2002. № 1. С. 42-43.

Поступила в редакцию 6 апреля 2009 г.

Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук., доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-73; 8 (843) 265-92-81; 8-917-268-88-91.

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8