НОЖ РАЗЪЕДИНИТЕЛЯ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к высоковольтным электрическим аппаратам.
Известна конструкция ножа разъединителя (а.с. СССР №1585843, кл. Н01Н 31/00, опубл. 15.08.90. Бюл. №30), где в алюминиевый нож разъединителя запрессовывают бобышки и втулки, на которых закрепляются контактные накладки, которые изолированы от поверхности ножа разъединителя термостойким изоляционным материалом с целью исключения протекания гальванического тока между алюминием ножа разъединителя и медными контактными накладками, благодаря чему достигается повышение надежности и долговечности работы контактных соединений.
Недостатками данного технического решения является применение ненадежных и недолговечных термостойких изоляционных материалов, разрушение которых ведет к увеличению электрохимической коррозии. Применение конструктивных элементов полученных запрессовкой в процессе эксплуатации может привести к нарушению соединения алюминиевого ножа с медными бобышками и втулками, что негативно сказывается на надежности и сокращает срок службы ножа разъединителя.
2
Наиболее близким к полезной модели является конструкция алюминиевого ножа разъединителя (Холодная сварка пластичных металлов. Баранов И.Б., «Машиностроение», 1969, 208 стр., с.131-134), армированного по концам медными накладками, толщина которых обычно равна 1 мм, однако допускаются отклонения в ту или иную сторону. Сварку производят путем сжатия алюминиевой и медной деталей и вжатия медной пластины в алюминий специальными пуансонами, соединяя в этом месте медь и алюминий (св. точка). Одна сварная точка обычно приходится на 3-6 смармированного участка шины, если точки расположены равномерно.
Недостатком данного технического решения является то, что
соединение меди с алюминием осуществлено не по всей площади их соприкосновения, а только в отдельных точках, что приводит к повышению плотности тока, электрохимической коррозии, снижению прочности сварного соединения меди с алюминием, уменьшению надежности и сокращению срока службы ножа разъединителя.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели, - увеличение срока службы и надежности работы ножа разъединителя.
Al
Поставленный технический результат достигается тем, что нож разъединителя коммутационного оборудования, содержащий алюминиевую основу в виде пластины, контактные участки которой с обеих сторон плакированы медными накладками, выполнен составным, части которого соединены сваркой плавлением, причем на крайних алюминиевых пластинах, толщина δ которых составляет не менее 8 мм, контактные участки плакированы медью одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом для получения соединения меди с алюминием по всей площади их соприкосновения, а их длина соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не превышает 130-140°С.
в
В отличии от прототипа в заявленной полезной модели нож разъединителя выполнен составным, что позволяет получить трехслойные медно-алюминиевые заготовки ножей разъединителя различных типоразмеров с учетом обеспечения высокой прочности на отрыв слоев (σ=100 МПа) и стабильного качества при минимальном содержании (до ≈5-7%) оплавленного металла в зоне соединения меди с алюминием (см. табл.1).
Al
Выполнение алюминиевой основы толщиной δ не менее 8 мм позволяет повысить прочность и качество соединения алюминиевой основы и медных накладок сваркой взрывом. При использовании схемы одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом с толщиной алюминиевой основы менее 8 мм на границах получаемого трехслойного
соединения происходит существенный рост параметров волнового профиля и количества оплавленного металла, что при сварке разнородных металлов ведет к снижению прочностных характеристик получаемого композита и увеличению переходного электросопротивления.
Выполнение соединения алюминиевой основы с медными накладками одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом позволяет получить соединение меди с алюминием по всей площади их соприкосновения, что обеспечивает высокую прочность и качество сварного соединения меди с алюминием при минимальном переходном электросопротивлении, в результате чего увеличивается срок службы и надежность ножа разъединителя.
Выполнение крайних алюминиевых пластин, длина которых обеспечивает безопасное расстояние, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не превышает 130-140°С, позволяет повысить прочность, долговечность и уменьшить потери электроэнергии контакта алюминий-медь. При длине крайних алюминиевых пластин, при которой не будет обеспечиваться безопасное расстояние, в результате сварки плавлением под воздействием высоких температур в зоне соединения меди с алюминием образуются интерметаллидные соединения, снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита, что повлечет за собой сокращение срока службы и уменьшение ненадежности ножа разъединителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид ножа разъединителя, на фиг.2 изображен вариант исполнения ножа разъединителя без средний алюминиевой пластины 1, на фиг.3 изображена схема разметки и порезки композиционной заготовки. На фиг.4 представлена температурно-временная зависимость появления интерметаллидов в системе медь-алюминий.
Нож разъединителя (фиг.1) состоит из средней алюминиевой пластины 1 соединенной сваркой плавлением с крайними алюминиевыми пластинами 2,
Al
контактные участки 3 которых плакированы медью одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом, при этом нож разъединителя выполнен составным, части которого соединены сваркой плавлением с образованием сварного шва 4, причем на крайних алюминиевых пластинах 2, толщина δ которых составляет не менее 8 мм, контактные участки 3 плакированы медью одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом для получения соединения меди с алюминием по всей площади их соприкосновения, а их длина соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков 3 в процессе сварки плавлением не будет превышать 130-140°С, что позволяет повысить прочность и надежность, а также увеличить срок службы ножа разъединителя.
На фиг.2 представлен вариант исполнения ножа разъединителя без средний алюминиевой пластины 1, где также имеются крайние алюминиевые пластины 2 и контактные участки 3 плакированные медью, а крайние алюминиевые пластины соединены между собой сваркой плавлением с образованием сварного шва 4.
Нож разъединителя работает следующим образом. При включенном положении разъединителя рабочий ток идет из сети через гибкую связь в болтовое контактное соединение, на медную накладку контактного участка 3 ножа разъединителя, затем через зону соединения медь-алюминий, полученную сваркой взрывом, идет в алюминиевую пластину 2 ножа разъединителя. Затем, если есть средняя алюминиевая пластина 1 (фиг.1), то через нее в другую крайнюю алюминиевую пластину 2, а затем к контактному участку 3 этой пластины, где ток проходит через зону соединения алюминий-медь и потом далее в ламели разъединителя. В процессе эксплуатации ножа разъединителя контактные участки 3 постоянно подвергаются механическим воздействиям. Поэтому к качеству соединения алюминиевой пластины 2 с медными накладками контактных участков 3 предъявляют повышенное требование, заключающееся в обеспечении высокой прочности и надежности работы данного узла, а также в повышении
Al
срока службы ножа разъединителя. Эти требования обеспечиваются тем, что нож разъединителя выполнен составным, части которого - алюминиевые пластины 1, 2 - соединены сваркой плавлением с образованием сварного шва 4, причем на крайних алюминиевых пластинах 2, толщина δ которых составляет не менее 8 мм, контактные участки 3 плакированы медью одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом для получения соединения меди с алюминием по всей площади их соприкосновения, а их длина соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков 3 в процессе сварки плавлением не будет превышать 130-140°C.
Сборка предлагаемой конструкции ножа разъединителя происходит в следующей последовательности. На первом этапе осуществляют изготовление одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом композиционный заготовки представленной на фиг.3. Затем - термообработка и холодная прокатка, позволяющая получить высокое качество контактной (медной) поверхности на уровне 8-9 класса шероховатости. На втором этапе осуществляют разметку и порезку полученного композита согласно фиг.3 с последующей сборкой и сваркой плавлением (например, аргонодуговая сварка неплавящимся электродом) с образованием сварного шва 4 полученных частей между собой по алюминию. Для увеличения длины ножа разъединителя согласно схеме представленной на фиг.1 между двумя крайними алюминиевыми пластинами 2 вваривается средняя алюминиевая пластина 1 необходимой длины и той же толщины.
Пример исполнения.
Исходными материалами для получения медно-алюминиевого композита из которого после порезки получают три ножа разъединителя по схеме, представленной на фиг.2, и размерами 570×60 мм были: алюминиевые пластины марки АД0 размерами 570×180 мм, толщиной 4-16 мм и медные пластины марки M1 размерами 180×90 мм и толщиной 2 мм.
На первом этапе осуществляли сборку пакета и сварку взрывом по одновременной двусторонней симметричной схеме. При этом толщина
алюминиевой пластины менялась от 4 до 16 мм. Полученные сваркой взрывом медно-алюминиевые композиты с разной толщиной алюминиевого слоя разрезались на образцы для проведения механических испытаний, металлографических и электрофизических исследований. Данные о влияние толщины алюминиевой основы на прочность соединения и количества оплавов при одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом приведены в табл.1.
Таблица 1
Влияние толщины алюминиевой основы на прочность соединения и количества оплавов.
Толщина алюминиевой основы, мм
Длина волны λ, мм
Амплитуда 2a, мм
Прочность соединения, σ<sub>в</sub>, МПа
Количество оплавов K, %
4
1,8
0,8
56
88-91
6
0,8
0,5
74
32-38
8
0,2
0,1
100
5-7
10
0,17
0,1
98
5-7
12
0,17
0,11
101
5-8
14
0,17
0,1
100
5-6
16
0,17
0,1
100
5-7
Полученные результаты исследований показали, что при использовании схемы одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом с толщиной алюминиевой основы менее 8 мм на границах получаемого трехслойного соединения происходит существенный рост параметров волнового профиля и количества оплавленного металла, что при сварке разнородных металлов ведет к снижению прочностных характеристик получаемого композита и увеличению переходного электросопротивления. Исходя из этого, толщину алюминиевой пластины для получения ножа разъединителя выбрали 8,5 мм.
-13
2
На втором этапе осуществляют разметку и порезку полученного композита согласно фиг.2 с последующей сборкой и сваркой плавлением (например, аргонодуговая сварка неплавящимся электродом) полученных частей между собой по алюминию. Разметка и порезка выполнялась с условием, чтобы длина крайних алюминиевых пластин 2 соответствовала расстоянию, на котором температура контактных участков 3 в процессе сварки плавлением не будет превышать 130-140°С. Это обусловлено тем, что в результате сварки плавлением под воздействием высоких температур в зоне соединения меди с алюминием согласно фиг.4 образуются интерметаллидные соединения снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита. А также согласно данным [Воропай Н.М., Шиняев А.Я. Влияние нагрева на диффузионные процессы и свойства биметаллических соединений алюминия с медью // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1967. - №12. - С.55-57] при такой температуре величина коэффициента взаимной диффузии не превысит значения D=10 см/сек, при котором за время сварки не происходит образование диффузионной зоны.
То есть минимальная длина крайних алюминиевых пластин 2 при соединении их аргонно-дуговой сваркой неплавящимся электродом должна быть:
,
3
l
где: l - длина зоны термического влияния; q - эффективная мощность источника теплоты (q=I·U·η); ν - скорость сварки; с·ρ - объемная теплоемкость (для алюминия с·ρ=2,7 Дж/см·град); δ - толщина пластины; T - температура на границе зоны термического влияния.
Аргонно-дуговая сварка неплавящимся электродом встык алюминиевых пластин 2 шириной 60 мм и толщиной 8,5 мм выполняется при токе I=250-260 А, напряжении дуги U=12 В и скорости сварки V=12 м/час=0,33 см/сек, η=0,61.
Подставив в формулу значения коэффициентов и параметры режимов сварки, определим ширину зоны, нагревающейся до температуры Т≥130°С:
то есть минимальная длина крайних алюминиевых пластины 2:
L=f(d)+92 мм.
где d и f - длина медных накладок.
Такая длина крайних алюминиевых пластин 2 соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не превышает 130-140°С.
Таким образом, алюминиевые пластины, выбранные для примера, размерами 570×60 мм позволяют получить крайние алюминиевый пластины 2 длиной 45+240 мм, что удовлетворяет требованию, при котором температура контактных участков 3 в процессе сварки плавлением не будет превышать 130-140°С, что позволяет повысить прочность и надежность, а также увеличить срок службы ножа разъединителя.
При выполнение крайних алюминиевых пластин 2 меньше, чем f(d)+92 мм, в зоне соединения меди с алюминием в контактных участках будет образуются интерметаллидные соединения, снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита.
В случае необходимости увеличения длины ножа разъединителя (фиг.1), между двумя крайними алюминиевыми пластинами 2 вваривается средняя алюминиевая пластина 1 необходимой длины и той же толщины.