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.
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.
ост
к
ЭПФ
ост
н
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 ε=h/2R-100°/c, где ε - 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 ε нагрели до температуры, превышающей температуру окончания обратного мартенситного превращения, A. При этом часть деформации, ε, возвратилась вследствие эффекта памяти формы (фиг. 3). Однако при достаточно большой остаточной деформации, ε, возврат формы происходит лишь частично, то есть некоторая деформация, ε, остается не восстановленной.
н
ост
ост
ЭПФ
ост
Необратимая деформация, ε, зависит от величины остаточной деформации, ε. Как правило, способность металла к возврату формы изображают в координатах ε-K, где K - коэффициент восстановления деформации, вычисляется по формуле K=ε/ε·100% (фиг. 4).
1
0
Для того, чтобы пластина, изогнутая до R, при нагреве приняла плоскую форму, необходимо задать начальную отрицательную кривизну R (фиг 5).
0
н
ЭΠΦ
Для определения начального радиуса отрицательной кривизны пластины, R, 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, ε, от деформации, возвращаемой при нагреве металла, т.е. деформации ε. Такие графики, полученные из данных, приведенных на фиг. 4, кривые 1 и 2, отражены на фиг. 6 для сплавов CuAlMn (а) и CuAlMnB (б).
0
1
Поскольку пластина имеет начальную отрицательную кривизну, R, а в рабочем состоянии радиус изгиба R (фиг. 5), необходимо произвести следующую деформацию металла:
,
0
0
где ε - деформация при разгибании пластины от начального радиуса R до плоского состояния, т.е. R=∞;
1
1
ε - деформация при изгибе пластины от плоского состояния до радиуса R;
h - толщина пластины.
ЭПФ
1
0
н
0
0
н
0
0
Пусть при толщине пластины 0,8 мм ожидаемая возвращаемая деформация, ε, составляет 4%. Это означает, что ее радиус кривизны, R, должен быть равным 10 мм (R=2ε/h). Поскольку необратимая деформация в этом случае составляет 0,085%, то соответствующий ей радиус R будет равен приблизительно 470 мм (R=2ε/h). Для более надежного теплового контакта следует делать радиус R меньшим этой величины, например, R=250 мм.
1
ЭПФ
0
Аналогично (из фиг. 6, б) рассчитаем начальную кривизну для сплава CuAlMnB. При тех же исходных параметрах, что и для сплава CuAlMn (R=10 мм; ε=4%), необратимая деформация для этого сплава составляет 0,47%. Для полного выпрямления пластины начальный отрицательный радиус изгиба, R, 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 Α.Α., Скворцов В.Н., Никитич А.С.Характеристика восстановления формы листов из сплава Ti-49.5% Ni // Цвет. мет. 1986, №2. С. 69-71.