СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗБОРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ
METHOD TO TREAT CONTACT SURFACES OF KNOCK-DOWN ELECTRIC CONTACT JOINT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электротехническом оборудовании, применяемом на всех действующих объектах промышленности.
Одним из основных элементов электротехнического оборудования являются разборные электрические контактные соединения (РЭКС).
Существующие разработки в данной области направлены на увеличение надежности разборных электрических контактных соединений, что в свою очередь повышает надежность всей электроустановки в целом. При этом повышается качество потребления и передачи электроэнергии.
Указанные задачи решаются путем снижения и стабилизации переходного электрического сопротивления, а также путем увеличения эффективной площади контактирования существующего РЭКС.
Согласно ГОСТ 1431-79 при соединении двух контакт-деталей образуется условная площадь контактирования, которая определяется частью рабочей поверхности, по которой происходит соприкосновение контакт-деталей, и эффективная площадь контактирования, по которой электрический ток переходит из одной контакт-детали в другую. При этом эффективная площадь контактирования является лишь частью условной площади контактирования.
Несоответствие между эффективной площадью контактирования и условной площадью контактирования в РЭКС является результатом неполного соприкосновения контактных поверхностей контакт-деталей.
Известные способы для увеличения эффективной площади контактирования включают следующие меры:
- более точная обработка поверхностей;
- увеличение усилия затяжки болтовых соединений;
- увеличение числа болтовых соединений;
- применение прокладок из мягких легко деформируемых проводящих материалов.
Основным способом сборки РЭКС является болтовое соединение (Журнал «Безопасность труда в промышленности», №7, 2007 г., статья «Выбор стабилизации контактного нажатия в разборных соединениях низковольтных комплектных устройств», Лесных В.В., Цапенко А.В.). Для болтового соединения эффективной площадью контактирования является контактная поверхность в зоне головки болта (зоне нажимной шайбы). Остальная контактная поверхность в результате относительной неровности поверхности, малой жесткости соединительной конструкции имеет неполное прилегание контактных поверхностей и, как следствие, имеет увеличенное переходное электрическое сопротивление уже в момент сборки, и которое увеличивается в течение периода эксплуатации в результате доступа окислительной среды.
Эффективная площадь контактирования работает в режиме повышенной нагрузки при токопередаче, т.к. она меньше условной площади контактирования. Нарастание переходного электрического сопротивления в результате окислительных процессов на контактной поверхности соединения и повышенная нагрузка при токопередаче приводят к нестабильности режимов электропотребителей, превышению температурных режимов электроустановки в целом и потерям электроэнергии.
При эксплуатации таких электроустановок сокращаются межремонтные периоды, повышаются затраты на обслуживание и ремонты (восстановительные работы) электроустановок, увеличивается время простоев, нарушаются технологические режимы производства промышленных предприятий.
Из описания к патентам RU на полезную модель №8530, 8529, oп. 16.11.1998 г. известен способ обработки контактных поверхностей разборного электрического контактного соединительного устройства, в котором достигается снижение переходного электрического сопротивления путем нанесения специального покрытия на токопередающие поверхности контакт-деталей, а именно нанесение сплава галлия с толщиной покрытия не менее 15 мк, которое препятствует образованию на поверхности контакт-деталей оксидных и сульфидных пленок, имеющих высокое удельное электрическое сопротивление.
Данное техническое решение направлено на снижение и стабилизацию переходного электрического сопротивления, но не решает вопрос увеличения эффективной площади контактирования.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ обработки контактных поверхностей разборного электрического контактного соединения, включающий очистку контактных поверхностей от окисной пленки с применением флюса, нагрев контактной поверхности, механическую очистку и нанесение на нее металлического покрытия, при этом подогрев ведут до температуры 40-45°С, нанесение металлического покрытия осуществляют с помощью локального контактного плавления, а в качестве металлического покрытия наносят слой галлиевого сплава, имеющего температуру плавления не выше 30°С, толщиной не более 0,1 мм (патент на изобретение RU №2301847, оп. 27.06.2007).
К недостаткам способа, можно отнести следующее.
1. При подготовке поверхности к обработке и в процессе обработки раствор флюса наносится один раз, и после этого происходит нагрев и механическая обработка. За время нагрева и механической обработки к моменту нанесения сплава количество флюса на контактной поверхности минимально, так как флюс убирается при механической обработке и частично испаряется при нагревании поверхности. Для обработки контактной поверхности, особенно если учесть продолжительность всего временного периода нанесения сплава, для получения максимальной смачиваемости контактной поверхности необходимо постоянное присутствие на поверхности флюса в течение всего времени нанесения сплава. Флюс удаляет окисную пленку с контактной поверхности и не дает ей сформироваться за весь период обработки контактной поверхности. В прототипе это условие не выполняется.
2. После окончания обработки контактная поверхность не нейтрализуется от остатка флюса и даже при его очень малом количестве на контактной поверхности продолжается процесс травления, что разрушает контактную поверхность.
3. При механической обработке поверхности с помощью металлической щетки, установленной на дрель, в результате обработки образуется стружка, факт появления которой указывает на нарушение контактной поверхности (появление глубоких царапин и неровностей), что уменьшает точность соединения контактных поверхностей и, следовательно, эффективную площадь контактирования.
4. Нанесение сплава на контактную поверхность толщиной 0,1 мм не позволяет сформировать слой, способный улучшить и увеличить эффективную площадь контактирования, так как практически слой толщиной в 1 мм полностью диффундирует в контактную поверхность и не позволяет увеличить эффективную площадь контактирования.
5. Сплав с указанным составом компонентов ограничивает возможность:
- регулирования температуры плавления сплава, а следовательно, ограничивается возможность регулирования температурных режимов технологического процесса обработки контактной поверхности;
- регулирования свойств сплава, таких как механическая твердость, коррозионная стойкость, удельная электропроводность.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение качества подготовки контактной поверхности и повышение нагрузочной способности РЭКС за счет увеличения эффективной контактной поверхности РЭКС при обеспечении стабильности характеристик переходного электрического сопротивления в процессе эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в способе обработки контактных поверхностей разборного электрического контактного соединения, включающем обработку контактных поверхностей для удаления окисной пленки, нагрев контактных поверхностей и нанесение металлического покрытия из галлиевого сплава локальным контактным плавлением, согласно изобретению удаление окисной пленки осуществляют химической обработкой контактных поверхностей первым раствором травления с последующей его нейтрализацией и очисткой контактных поверхностей от результатов травления, затем проводят механическую очистку контактных поверхностей шлифованием, после которой осуществляют нагрев контактных поверхностей, нанесение металлического покрытия из галлиевого сплава в среде второго раствора травления и последующую нейтрализацию остатков второго раствора травления.
На контактную поверхность наносят металлическое покрытие из галлиевого сплава, мас.%:
Галлий - 64÷99,9999
Индий - 0,001÷35,0
Олово - 0,001÷28,0
Серебро - 0,001÷7,5
Кадмий - 0,001÷5,0
Цинк - 0,001÷25,0
Медь - 0,0001÷10,0
Алюминий - 0,0001÷12,0
Металлическое покрытие наносят слоем толщиной 0,1-0,5 мм.
Нагрев контактной поверхности осуществляют в пределах 10-70°С.
В качестве первого раствора травления используют раствор на основе соляной кислоты с концентрацией 5-35% или раствор на основе щелочи с концентрацией 5-18%.
В качестве второго раствора травления используют раствор, аналогичный первому раствору травления, с концентрацией в 1,5-2,5 раза ниже концентрации первого раствора травления.
Температура плавления металлического покрытия из галлиевого сплава составляет 9,0-30,8°С.
Способ осуществляют следующим образом.
В качестве материала контактных поверхностей разборного электрического контактного соединения возможно использовать медь и ее сплавы, сталь и ее сплавы, кобальт, серебро, олово, свинец, алюминий предпочтительно марок А0÷АД31Т и его сплавы.
Первоначально осуществляют химическую обработку контактных поверхностей первым раствором травления для очистки контактных поверхностей от окисных пленок. В зависимости от контактируемых поверхностей первый раствор травления может быть приготовлен на основе соляной кислоты с концентрацией 5-35% (с возможной корректировкой цинком, железом в водной среде, например насыщенный раствор хлористого цинка) - для контактных поверхностей на основе меди и ее сплавов, стали и ее сплавов, кобальта, серебра, олова, свинца. Контактные поверхности на основе алюминия и его сплавов обрабатывают первым раствором травления на основе щелочи - NaOH в водном растворе с концентрацией 5-18%.
Затем первый раствор травления нейтрализуют путем протирки хлопчатобумажным тампоном, смоченным раствором нейтрализации, и очищают контактные поверхности от результатов травления сухим хлопчатобумажным тампоном. Нейтрализацию остатков первого раствора травления осуществляют в зависимости от типа раствора: кислотный раствор нейтрализуют, например, раствором 5% двууглекислой соды, щелочной - нейтрализуют, например, раствором 8% уксусной кислоты.
Затем проводят механическую очистку контактных поверхностей шлифованием. После чего сухим тампоном протирают контактную поверхность от результатов шлифования - металлической пыли. Далее осуществляют нагрев контактной поверхности в пределах температур 10-70°С, при этом нагрев контактных поверхностей, выполненных из меди и ее сплавов, стали и ее сплавов, кобальта, серебра, олова, свинца, ведут в пределах 10-70°С, а нагрев контактных поверхностей, выполненных из алюминия и его сплавов, - в пределах 10-52°С.
После чего наносят второй раствор травления с одновременным нанесением металлического покрытия галлиевым сплавом толщиной 0,1-0,5 мм, не выходя из температурных пределов 10-70°С. Нанесение второго раствора травления сразу после нагрева контактной поверхности позволяет защитить контактную поверхность от окислительных процессов и повысить смачиваемость наносимым сплавом.
В качестве второго раствора травления используют раствор, аналогичный первому раствору травления, с концентрацией в 1,5-2,5 раза ниже концентрации первого раствора травления.
Нанесение сплава осуществляют путем локального контактного плавления контактной поверхности, в качестве сплава применяется галлиевый сплав, имеющий температуру плавления 9,0-30,8°С.
Состав наносимого металлического покрытия - галлиевого сплава - следующий:
галлий - 64÷99,9999, индий - 0,001÷35,0, олово - 0,001÷28,0, серебро - 0,001÷7,5, кадмий - 0,001÷5,0, цинк - 0,001÷25,0, медь - 0,0001÷10,0, алюминий - 0,0001÷12,0.
Затем осуществляется сборка электрического контактного соединения, например, с помощью болтового соединения, излишки галлиевого сплава, выдавленные с контактной поверхности после затяжки болтового соединения, удаляют.
После сборки соединения остатки раствора травления нейтрализуют раствором для нейтрализации, а при необходимости промывают водой.
Механическая и химическая обработка контактной поверхности обеспечивает хорошую смачиваемость контактных поверхностей, создается состояние равновесия сил поверхностного натяжения жидкого слоя галлиевого сплава на твердой поверхности контактного материала. При этом контактный материал в пределах обработанной поверхности представляет новый интерметаллический слой, сформированный галлиевым сплавом и материалом контактной поверхности. Краевой угол смачивания жидкого галлиевого сплава составляет 65-91,0°, при прочности сцепления с контактной поверхностью 27-29 МПа, при толщине слоя жидкого галлиевого сплава 0,1-0,5 мм. Данная толщина жидкого слоя галлиевого сплава обеспечивает выравнивание контактной поверхности и увеличивает эффективную площадь контактирования РЭКС, а учитывая свойства галлиевых сплавов, минимизирует и стабилизирует электрическое переходное сопротивление в контактном соединении.
Широкий диапазон жидкого состояния галлиевого сплава (порядка 9-250°С) позволяет создать стабильность контактной площади при внешних механических и тепловых воздействиях на конструкцию РЭКС при эксплуатации. После сборки РЭКС излишки галлиевого сплава, выдавленные из-под контакта, удаляются.
При механической обработке применяется мягкая щетка из нержавеющей стали для шлифовки металлических поверхностей. При обработке нельзя допускать крупных царапин и стружки.
Выполнение механической обработки перед нагревом контактных поверхностей, а не после нагрева, как в прототипе, позволяет сократить период нахождения контактной поверхности на открытом воздухе, т.е. замедлить окислительные процессы.
Данный способ применим для соединения следующих типов контактных поверхностей: медь - медь, медь - алюминий, алюминий - алюминий.
Пример 1. Способ обработки контактных поверхностей разборного электрического соединения медь - медь.
Хлопчатобумажным тампоном, смоченным в первом растворе травления (20% раствор соляной кислоты, корректированный цинком до состояния насыщения), протирают контактную поверхность для удаления загрязнения и окисной пленки. После полной очистки поверхности ее протирают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации (5% раствор двууглекислой соды), и вытирают насухо. Мягкой щеткой из нержавеющей стали для шлифования металлической поверхности шлифовальной машинкой зачищают контактную поверхность, после зачистки удаляют остатки металлической пыли - результат шлифования. Феном (или инфракрасным источником тепла) нагревают контактную поверхность до температуры 35°С (контроль температуры осуществляют любым прибором с точностью измерения ±0,5°С). Тампоном, смоченным в растворе травления (8% раствор соляной кислоты, корректированный цинком до состояния насыщения), смачивают контактную поверхность и сразу наносят слой галлиевого сплава толщиной 0,4 мм. Слой сплава на КП должен иметь насыщенный (увлажненный) вид блестящего (зеркального) цвета. КП соединяют, болты затягивают с усилием согласно техническим условиям. Остатки галлиевого сплава, выдавленные с контактной поверхности, удаляют тампоном. Собранное контактное соединение обрабатывают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации раствора травления (5% раствор двууглекислой соды), при необходимости промывают водой и протирают насухо.
Состав сплава для указанных температурных режимов:
галлий - 67%, индий - 22%, олово - 5%, серебро - 1,5%, кадмий - 0,5%, цинк - 4%, медь - 0, 0001%, алюминий - 0, 0001%.
Температура плавления сплава - 12,5°С.
Пример 2. Способ обработки контактных поверхностей разборного электрического соединения алюминий - алюминий.
Хлопчатобумажным тампоном, смоченным в первом растворе травления (15% раствор щелочи), протирают контактную поверхность для удаления загрязнения и окисной пленки. После полной очистки поверхности ее протирают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации (8% раствор уксусной кислоты), и вытирают насухо. Мягкой щеткой из нержавеющей стали для шлифования металлической поверхности шлифовальной машинкой зачищают контактную поверхность, после зачистки удаляют остатки металлической пыли - результат шлифования. Феном или инфракрасным источником тепла нагревают контактную поверхность до температуры 25°С (контроль температуры осуществляют любым прибором с точностью измерения ±0,5°С). Тампоном, смоченным в растворе травления (6% раствор щелочи), смачивают контактную поверхность и сразу наносят слой галлиевого сплава толщиной 0,3 мм. Слой сплава на контактной поверхности должен иметь насыщенный (увлажненный) вид блестящего (зеркального) цвета. Контактные поверхности соединяют, болты затягивают с усилием согласно техническим условиям. Остатки галлиевого сплава, выдавленные с контактной поверхности, удаляют тампоном. Собранное контактное соединение обрабатывают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации раствора травления (6% раствор уксусной кислоты), и протирают насухо.
Состав сплава для указанных температурных режимов:
галлий - 80%, индий - 10%, олово - 5%, серебро - 0,5%, кадмий - 1,5%, цинк - 3%, медь - 0, 0001%, алюминий - 0, 0001%.
Температура плавления сплава - 17,5°С.
В сплаве может присутствовать до 0,05% интерметаллических соединений за счет примесей, содержащихся в компонентах.
Преимущества заявляемого технического решения по сравнению с прототипом следующие.
Анализ теоретических и экспериментальных данных по применению одного - восьмикомпонентных галлиевых сплавов при обработке контактных поверхностей РЭКС позволил создать универсальный метод обработки контактных поверхностей РЭКС.
Этот метод учитывает особенности обрабатываемых контактных поверхностей и определяет способ предварительной обработки, выбор сплава и порядок его нанесения.
Способ обработки при этом включает перечень подготовительных операций механической и химической обработок, температурные режимы, состав галлиевого сплава.
В зависимости от технических требований к РЭКС при производстве, эксплуатации и ремонте электротехнического оборудования с помощью этого метода можно решать такие вопросы, как уменьшение и стабилизация переходного электрического сопротивления контактного соединения, а также увеличение эффективной площади контактирования. Данный метод позволяет увеличить на 5-15% нагрузочную способность РЭКС при передаче электрической энергии без изменения конструкции контактного соединения, при этом температурный режим работы не выходит за пределы допустимого. Это подтверждается результатами опытных и экспериментальных исследований.
Качество и параметры собранных с применением заявляемого способа РЭКС не меняются в течение срока эксплуатации при нормальных условиях эксплуатации.