Физические особенности нагрева сильноточных электрических контактов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

Павленно Ольга Михайловна

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

01.04.13 Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 ОКТ 2015

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 2015

005564001

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет

Научный Павлов Валерий Андреевич, доктор физико-математических

руководитель: наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет».

Официальные Фролов Владимир Яковлевич, доктор технических наук, про-оппоненты: фессор, заведующий кафедрой, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Пинчук Михаил Эриестович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Защита состоится «09» декабря 2015 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета ДМ 002.131.01 при Институте Электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук.

Автореферат разослан «/(р » октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ДМ 002.131.01, кандидат технических наук /Киселев A.A./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования. Замкнутые сильноточные электрические контакты, находящиеся под воздействием импульсных токов.

Предмет исследования. Физические процессы в электрических контактах при локальном кратковременном выделении тепловой энергии, приводящем к размягчению материала в контактной области, сварке и плавлению контактов. Рассмотрению подлежат пространственно-временные характеристики электрических и тепловых полей, возбуждающихся в контактах.

Актуальность исследования. Физические процессы, протекающие в сильноточных электрических контактах, являются предметом пристального внимания исследователей, инженеров, технологов. Решаемые задачи, как правило, продиктованы условиями и особенностями их эксплуатации в реальных устройствах, например, в коммутационных высоковольтных электрических аппаратах. Значительная их часть связана с нагревом контактов протекающими токами. Токовые воздействия на сильноточные контакты разделяют на несколько типов, и это деление обосновано как с точки зрения их эксплуатационной практики, так и с точки зрения физической постановки решаемых задач.

Протекание номинальных токов формирует стационарные тепловые поля. Допустимые температуры при этом невелики, поэтому нелинейность протекающих процессов проявляется слабо. Методология решения задач нагрева электрических контактов номинальными токами во многом разработана.

Среди импульсных токов, протекающих через сильноточные контакты, выделяют токи термической стойкости и ударные токи короткого замыкания. Величина токов термической стойкости может в десятки раз превышать номинальные значения, а длительность составляет единицы секунд. Они вызывают нагрев контактов до значительно больших температур, чем номинальные токи. Решаемые задачи становятся нестационарными, а нелинейность процессов проявляется более явно. Однако при таких воздействиях температура контактов значительно не превосходит температуру размягчения материала, поэтому конфигурация контактных пятен остается практически неизменной. Это позволяет описывать тепловыделение, используя интегральные характеристики, такие как контактное сопротивление, и в значительной степени вывести за рамки исследования зоны непосредственного контактирования электродов.

Ситуация принципиально изменяется при решении задач, связанных с нагре-

вом контактов ударными токами короткого замыкания, которым, в основном, и посвящена настоящая работа. Длительность таких токов из-за наличия большой апериодической составляющей сравнима с периодом тока промышленной частоты, а величина в первом полупериоде может почти вдвое превосходить значение тока термической стойкости. Такие воздействия на контакты единичны в течение срока их службы. Однако именно они могут привести к необратимым последствиям, так как уровни нагрева контактных областей могут достигать температуры плавления материала и вызывать фатальные сварки контактов.

Исследование тепловых полей, возбуждаемых ударными токами, сдерживается рядом обстоятельств. Малая длительность воздействия приводит к тому, что область нагрева оказывается одного размера с зоной активного тепловыделения, локализованной в окрестности края контактного пятна. То есть расчет теплового поля необходимо проводить в области, занятой источником. Кроме того, положение границы области максимального тепловыделения не является фиксированным в пространстве, а перемещается вслед за расплыванием контактных пятен. Все это практически исключает возможность эффективного применения аналитических методов при анализе тепловых полей и в значительной степени затрудняет проведение численных расчетов.

Кроме того, отсутствует возможность проведения прямых измерений параметров тепловых полей в контактной области, а методы оценки температуры контактных пятен по измеренным величинам нагрева поверхности контактов и контактного напряжения, справедливые для стационарного и квазистационарного нагрева, становятся неприменимыми.

В силу указанных причин изучение нагрева контактов ударными токами в настоящее время далеко от завершения, что делает проведенные в данной работе исследования актуальными. Это касается как полученных экспериментальных результатов о сваривании и плавлении сильноточных контактов, так и разработки методики исследования тепловых полей при импульсном нагреве.

Целью работы являлось: разработать методику расчета нестационарных тепловых полей замкнутых электрических контактов, выявить условия возникновения их сваривания, предложить эффективный способ оценки максимально допустимого уровня тока короткого замыкания, который не приводит к возникновению фатальных сварок.

Задачи, которые были поставлены и решены для достижения указанной це-

ли, формулировались следующим образом.

- Провести экспериментальное исследование нагрева сильноточных контактов ударными токами в широком диапазоне сил контактного нажатия, уделяя первостепенное внимание процессу сваривания контактов. Собрать и систематизировать базу экспериментальных данных для контактов различной формы и различных типов контактирующих поверхностей.

- Разработать методику численных расчетов, позволяющую на основе данных, полученных в эксперименте, получать информацию о динамике электрических и тепловых полей в контактной области.

- Используя данную методику расчетов проанализировать процесс плавления и сваривания контактов, определить изменение во времени размеров контактных пятен, величины контактного сопротивления и других параметров.

- Путем обобщения данных о начале плавления контактов ударными токами для всех имеющихся типов контактов во всем рассматриваемом диапазоне сил контактного нажатия получить оценочную формулу для определения величины минимального тока плавления для медных контактов.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

- Проанализировано влияние фрагментации контактных пятен на параметры электрических контактов и динамику их нагрева. Показано, что для сильноточных контактов обоснованным является применение для расчетов приближения не-фрагментированных пятен.

- Исследовано влияние эффекта Томсона на импульсный нагрев сильноточных контактов. Оценен относительный вклад токов проводимости и термоэлектрических токов в формирование тепловых полей. Показано, что для контактов, выполненных из меди, расчет их нагрева может проводиться без учета эффекта Томсона.

- Проведено экспериментальное исследование прохождения ударных токов через сильноточные контакты различной формы и типов контактирующих поверхностей в широком диапазоне величины тока и силы контактного нажатия. Накоплена и систематизирована значительная база данных, содержащая информацию о сварке и плавлении контактов.

- Разработана оригинальная методика численного расчета нагрева контактов при прохождении импульсных токов в широком диапазоне температур, вплоть до начала плавления. Она является обобщением на случай нестационарных токовых

воздействий метода Хольма-Кольрауша, который дает возможность определить температуру контактного пятна по величине контактного напряжения.

- Исследованы начальные стадии сваривания и плавления контактов. Показано, что сварка медных контактов начинается при температуре (0.5-К1.6)Г„„ где Т,и - температура плавления.

- Установлена связь минимального тока плавления с величиной контактного сопротивления холодных контактов, позволяющая определять предельно допустимый уровень ударных токов на этапе проектирования контактов.

- Предложен эффективный способ увеличения стойкости контактов к ударному току.

Практическая значимость работы. Стойкость к ударному току короткого замыкания является одной из основных характеристик электрических контактов. В работе показано, как еще на стадии разработки коммутационных аппаратов можно с высокой степенью достоверности оценить уровни ударных токов, прохождение которых они могут выдержать без потери работоспособности. Результаты работы положены в основу методики определения стойкости сильноточных электрических контактов к ударному току, которая применяется в Промышленной группе «Таврида Электрик» при проектировании коммутационных аппаратов среднего класса напряжения.

Методами исследования, позволившими получить основные результаты, являются: экспериментальное изучение прохождения импульсных токов через сильноточные электрические контакты и основанное на экспериментальных данных численное моделирование протекающих при нагреве процессов.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивалась использованием сертифицированной экспериментальной установки, измерительные каналы которой проходят периодическую поверку в соответствии со стандартными метрологическими процедурами. Методика проведения испытаний выстраивалась с учетом сформировавшихся к настоящему времени принципов измерений в области высоковольтного сильноточного электротехнического оборудования.

Достоверность численных расчетов обеспечивалась использованием лицензионных программных комплексов АЫБУЗ и СОМБОЬ - признанных лидеров в области моделирования физических процессов в исследуемой области, тестированием расчетных моделей на решении задач, имеющих аналитическое решение,

сопоставлением результатов решения тестовых задач, полученных при одних и тех же условиях в разных программных комплексах, а также многократным сопоставлением результатов расчетов и полученных экспериментальных данных.

Лнчный вклад автора в получение результатов диссертационной работы состоит в разработке методики проведения экспериментальных исследований, подготовке и проведении всех измерений, их обработке и систематизации. Автором была предложена оригинальная методика исследования импульсного нагрева электрических контактов, выносимая на защиту. Все численные расчеты, результаты которых представлены в работе, выполнены автором лично.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были представлены на следующих конференциях:

1. 8-я Международная конференция пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (СПб, 2008);

2. 5-я Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб, 2008);

3. IX Международная научная конференция "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (СПб, 2009);

4. International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Braunschweig, Germany, 2010);

5. Международная научная конференция «Наука о материалах и физика конденсированных сред» (Молдавия, Кишинев, 2010);

6. Международная научная конференция "Импульсные процессы в механике сплошных сред" (Николаев, 2011);

7. X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011);

8. X Международная научная конференция "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (СПб, 2012);

9. I Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы прикладной физики" (Севастополь, 2012);

10. The 7th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (Republic of Moldova, 2014);

11. XI Международная научная конференция "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (СПб, 2015);

12. XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы: 7 статей в рекомендованных ВАК научных журналах, 9 текстов докладов в сборниках трудов международных и всероссийских конференций и 6 тезисов докладов на конференциях.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования размягчения, сваривания и плавления замкнутых сильноточных контактов при протекании ударных токов короткого замыкания в широком диапазоне сил контактного нажатия.

2. Методика численного расчета импульсного нагрева электрических контактов протекающим током, позволяющая на основе зависимости контактного напряжения от времени определить тепловые поля сильноточных контактов в произвольный момент времени с учетом изменения размеров контактных пятен и зависимости свойств материала от температуры.

3. Связь минимального тока плавления медных контактов ударным током короткого замыкания с величиной сопротивления холодных контактов, позволяющая достоверно оценивать стойкость контактов к ударному току.

4. Вклад эффекта Томсона в нагрев медных сильноточных контактов до их плавления пренебрежимо мал.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 148 страницах, включает 65 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 106 источников.

Соответствие содержания диссертации паспорту научной специальности. Проведенные исследования воздействия ударных токов короткого замыкания на сильноточные электрические контакты, в результате которого происходит их нагрев в широком диапазоне температуры, соответствуют перечню области исследований, относящихся к научной специальности 01.04.13 «Электрофизика, электрофизические установки», в частности п. 2 области исследований «...Разработка теоретических основ и технической базы энергетики мощных импульсов, включая процессы коммутации больших импульсных токов, нагрев ... проводников».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные цели и результаты, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан обзор литературы по теме диссертации. Приведены основные понятия и определения, которые используются в работе, указаны основные физические эффекты, сопровождающие протекание тока через замкнутые электрические контакты. Проведено сравнение режимов токовых воздействий, которым подвергаются сильноточные контакты при их эксплуатации. Сформулированы основные проблемы, возникающие при протекании ударных токов короткого замыкания через сильноточные контакты, указаны методы их решения. Сделанный обзор литературы позволяет определить вклад полученных в данной работе результатов в изучение процессов в замкнутых сильноточных электрических контактах при импульсном токовом воздействии.

Во второй главе сформулирована математическая постановка решаемой задачи, произведен выбор средств компьютерного моделирования процессов импульсного нагрева замкнутых контактов. Определены и обоснованы основные приближения, применяющиеся при формулировке задачи и построении расчетной модели.

Нагрев контактов протекающим током описывается следующей системой уравнений:

где (рСг,1) и Т(г,1) - потенциал электрического поля и температура, ](?,/)- плотность тока проводимости. Свойства материала контактов: плотность у, удельная теплоемкость С, теплопроводность к, удельная электропроводность а, а также коэффициенты Зеебека 5 и Томсона // являются функциями температуры.

В силу малой длительности ударных токов, которая сравнима с периодом тока промышленной частоты, и локальностью тепловыделения за счет стягивания линий тока к контактным пятнам электрические контакты нагреваются неравномерно, что приводит к проявлению эффекта Томсона. Появляются термоэлектрические токи, которые наряду с токами проводимости формируют тепловое поле

<У,Л = 0, ГС— - = + ¡1<ут,Ъ,

(1) (2)

(3)

контактов.

Основываясь на системе уравнений (1) - (3), был проведен численный расчет нагрева медных цилиндрических электродов, соединенных одним контактным пятном (рис. 1, а), током длительностью 10 мс, на основании которого проанализирован относительный вклад токов различной природы в процесс их нагрева. На рис. 1, б представлено распределение вдоль оси симметрии контактов величины

(4)

равной отношению плотности мощности, связанной с протеканием термоэлектрических токов, к плотности мощности джоулева тепловыделения (а - радиус контактного пятна). Там же приведено распределение плотности мощности джоулева тепла, отнесенной к ее значению в центре пятна: \\>(у)/ и{0).

Сопоставляя эти зависимости, можно заключить, что величина ц заметно отлична от нуля лишь в той области, где джоулево тепловыделение незначительно по сравнению с его значением в центре пятна. Поэтому эффект Томсона практически не оказывает влияния на нагрев контактной окрестности медных электродов, что подтверждается приведенной на рис. 1, в зависимостью температуры в центре контактного пятна То от времени, рассчитанной без учета термоэлектрических токов и при их присутствии. Это позволяет исключить из рассмотрения последние слагаемые в (2) и (3) при проведении дальнейших расчетов, что существенно упрощает процедуру вычислений.

/

- с учетом ТЭ токов у • без учета ТЭ токов

/

У

У

а б в

Рис. I. Модель электродов (а), распределение величины г] и плотности мощности джоулева тепловыделения (б), нагрев центра контактного пятна (в).

Известно, что контактирующие поверхности могут иметь неоднородности

Ю

различного масштаба: от субшероховатостей до макроотклонений. Это приводит к тому, что не вся поверхность площадки смятия, формирующейся в результате деформации контактов при приложении внешних механических сил, является электропроводящей, т.е. контактные пятна всегда фрагментированы. В случае сильноточных контактов из-за больших сил контактного нажатия, и, следовательно, больших деформаций взаимодействующих поверхностей на формирование структуры контактных пятен оказывают влияние, в основном, неоднородности более крупного масштаба - волнистость и единичные макроотклонения.

Выполнен анализ влияния фрагментации контактных пятен на структуру электрического и теплового полей сильноточных контактов. На рис. 2, а и 2, б приведена фотография электрода со сферической контактной поверхностью и микрофотография контактного пятна, где отчетливо видны кольцеобразные выступы и впадины, вызванные движением резца при обработке. Такой рельеф приводит к тому, что контактное пятно будет содержать чередующиеся проводящие и непроводящие кольца, что учтено при построении расчетной модели.

На рис. 2, в представлена зависимость увеличения контактного сопротивления сШс, по сравнению с сопротивлением 11с при отсутствии фрагментации от параметра к, который выражает степень фрагментации; значение этого параметра равно отношению ширины непроводящих и проводящих колец. Даже в том случае, когда более половины площади контактного пятна не проводит электрический ток, увеличение контактного сопротивления составляет единицы процентов. При проведении расчетов внешний контур контактного пятна предполагался неизменным, фрагментация влияла лишь на внутреннюю структуру пятна.

а б в

Рис. 2. Электрод со сферической контактной поверхностью (а), микрофотография контактной области (б), влияние степени фрагментации на контактное сопротивление (в).

Чтобы объяснить эффект слабого влияния фрагментации на контактное сопротивление, детально проанализировано изменение распределения электрического поля, вызванное наличием непроводящих включений. Определены зоны области стягивания, где фрагментация оказывает наиболее заметное влияние. Проанализировано изменение под влиянием фрагментации распределения плотности тока, что вызывает соответствующее изменение плотности выделяющейся мощности и нагрева контактов.

В заключение главы сделан вывод о том, что при расчетах прохождения ударных токов через сильноточные контакты допустимо использовать модель не-фрагментированных пятен. Это существенно снижает ресурсоемкость решаемых задач.

В третьей главе путем проведения численного моделирования проанализированы особенности импульсного нагрева сильноточных электрических контактов в широком диапазоне температур при малой длительности токового воздействия, сравнимой с периодом тока промышленной частоты. Численные расчеты проводились в предположении известного радиуса контактного пятна. В дальнейшем полученная в рамках данного предположения картина нагрева контактов уточнена путем проведения расчетов в более строгой постановке.

Следствием малой длительности нагрева и локализации мощности джоулева тепловыделения в окрестности края контактного пятна является неравномерное распределение температуры в контактной области. На рис. 3, а приведено распределение температуры при длительности нагрева 10 мс при нагреве до плавления.

а б

Рис. 3. Распределения температуры в окрестности контактного пятна в различные моменты времени (а), влияние размера контактного пятна на изменение во времени максимальной температуры (б).

При отходе от контактного пятна на расстояние, равное нескольким его радиусам, тепловое поле оказывается практически невозмущенным. Это приводит к возновению значительных градиентов свойств материала, в особенности удельного сопротивления. Однако при этом распределение линий тока, влияющее на величину контактного сопротивления, остается практически неизменным.

Изучено влияние на динамику нагрева изменения размеров контактного пятна в процессе протекания тока, которое связано с эффектом размягчения металлов. Была использована следующая модель изменения радиуса контактного пятна: его величина оставалась постоянной а0 до достижения температуры размягчения, а затем линейно возрастала до значения аа. Подобное изменение радиуса контактных пятен реализуется на практике при прохождении через сильноточные контакты ударных токов короткого замыкания, что подтверждено представленными в гл. 5 расчетами, основанными на экспериментальных данных.

На рис. 3, б приведены графики зависимости максимальной температуры Тт от времени при вариации величины параметра я*. Даже незначительное увеличение радиуса к окончанию действия импульса тока приводит к существенному снижению температуры. Например, если си на 5% больше начального радиуса, максимальная температура снижается более чем на 300°.

Это означает, что для решения задачи о нагреве до плавления надо знать величину радиуса контактного пятна с высокой степенью точности, что существенно ограничивает возможность использования прямых численных методов расчета. Основным ограничением является отсутствие исчерпывающей информации о механических свойствах материала контактов в широком диапазоне температур. Имея это в виду, в данной работе были использованы иные подходы к исследованию процесса импульсного нагрева, основанные на экспериментальных данных и численных расчетах, опирающихся на результаты экспериментальных измерений.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию нагрева сильноточных контактов ударными токами. Особый интерес вызывали процессы сваривания и плавления контактов. На первом этапе проведения исследований были выбраны образцы, позволяющие минимизировать число факторов, потенциально влияющих на процесс нагрева. Это - массивные цилиндрические электроды с формой контактных поверхностей типа «сфера-плоскость» и «конус-плоскость», изготовленные из меди, с нанесенным гальваническим покрытием для уменьшения влияния слабопроводящих пленок. Такие электроды обеспечивают одното-

чечное контактирование, контактное пятно имеет форму круга, которая не изменяется в процессе нагрева, увеличивается лишь его радиус. После выяснения динамики нагрева контактных областей таких электродов и изучения особенностей их сваривания, были рассмотрены и другие, более сложные, электроды, отличающиеся от прежних формой границ, их близостью к контактным пятнам, формой контактных пятен.

Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 4. Основным ее элементом является батарея конденсаторов С большой емкости, которая разряжалась через исследуемые электроды (ПЭ и НЭ). Амплитуда генерируемого тока могла достигать 100 кА. К электродам прикладывалась сила контактного нажатия, которая варьировалась в широких пределах От 50 Н до 2500 Н. Измерительный блок включает в себя калиброванные каналы измерения тока 1(1), напряжения 11(1), и силы контактного нажатия Р(1).

Процедура проведения измерений была следующей. Выбранная пара электродов устанавливалась на испытательном стенде. С помощью пневмопривода к электродам прикладывалась требуемая сила контактного нажатия, измеряемая с помощью датчика силы. До пропускания импульса тока измерялось сопротивление испытуемого образца между измерительными зондами, из которого в дальнейшем вычислялось контактное сопротивление вычитанием из измеренного значения величины собственного сопротивления электродов.

После этого производился заряд конденсаторной батареи от источника изар, исходя из требуемой величины тока. Затем через электроды пропускался импульс ударного тока, записывались осциллограммы тока и напряжения на образце. Последнее пересчитывалось в контактное напряжение ис(0. Далее снова определялось сопротивление образца Яс ?, значение которого из-за нагрева контактной об-

ласти и связанного с этим увеличения размера контактного пятна всегда оказывалось меньше сопротивления до пропускания тока. К моменту измерения Яс,2 температура контактной области была равна температуре перед пропусканием тока. По разности этих значений можно судить о том, насколько изменился радиус контактного пятна вследствие нагрева контактной области протекающим током. Затем электроды размыкались, при этом производилась запись показаний с датчика силы для измерения силы отрыва контактов при возникновении сварки.

Если электроды использовались в режиме однократного прохождения тока, то после этого они извлекались из устройства позиционирования и контактные поверхности фотографировались. В режиме пропускания серии импульсов к электродам снова прикладывалась сила контактного нажатия той же величины, измерялась величина контактного сопротивления, и через них пропускался ударный ток большей величины.

В результате проведения экспериментов была собрана обширная база данных по результатам пропускания ударных токов различного уровня через электрические контакты разнообразной формы с различными типами контактных поверхностей в широком диапазоне сил контактного нажатия, которые приводили к возникновению сварки разного интенсивности.

В ходе систематизации и предварительной (до проведения сопутствующего компьютерного моделирования) обработки экспериментальных данных были установлены уровни тока, приводящего к свариванию контактов, и соответствующие значения контактного напряжения. Типичные осциллограммы тока и напряжения, а также микрофотографии контактных пятен для разного уровня сварки электродов приведены на рис. 5. Сила отрыва сварки в первом случае составила 206 Н, во втором ЗОЮ Н.

Установлено, что на начальном этапе сваривания электродов отсутствуют прямые и косвенные признаки плавления контактной области - следы плавления на микрофотографиях и особенности на осциллограммах напряжения, связанные с фазовым переходом (рис. 5, а и 5, в), в отличие от сварок с гораздо большей силой отрыва - рис. 5, г и 5, е. Это дало возможность сделать предположение о том, что сваривание контактов начинается при температурах, меньших температуры плавления, справедливость которого была в последствие подтверждена результатами численных расчетов, проведенных в гл. 5.

О

-02 -0.3Л

Н¥Ш " .-я- *■«

Ы» Я

А

IЩМЙ - Л&г

Ж

20- I

щ

0.8--

И

. Щ§| щ

0 02 1,мс

г д е

Рис. 5. Микрофотографии контактной области и осциллограммы тока и напряжения для силы отрыва сварки 206 Н (а, б, в) и ЗОЮ Н (г, д, е).

Накопленная и систематизированная база данных по прохождению ударного тока через контакты различной формы в широком диапазоне сил контактного нажатия была использована в дальнейшем для проведения на ее основе численных расчетов, позволяющих детально описать динамику нагрева контактных областей и выявить характерные особенности этого процесса.

В пятой главе предложена оригинальная методика численных расчетов нагрева электрических контактов ударными токами короткого замыкания. Она позволяет проводить вычисления, минуя этап решения механической части задачи для определения изменения конфигурации контактных пятен в процессе нагрева. Это дает возможность обойти трудности, связанные с возможным отсутствием исчерпывающих сведений о механических свойствах материалов в широком диапазоне температур. Данные о размерах контактных пятен и их изменении рассчитываются, исходя из экспериментально измеренных зависимостей от времени протекающего тока и контактного напряжения.

Суть применяемой методики расчета заключается в следующем. Предположим, что два электрода соединены одним контактным пятном круглой формы радиуса а», вся его поверхность является электро- и теплопроводящей. В процессе

16

нагрева электродов форма контактного пятна остается неизменной, изменяется лишь его радиус a(t), вид зависимости a(t) неизвестен и подлежит определению в процессе расчета. Предполагаются известными контактное сопротивление перед прохождением импульса тока и зависимости от времени тока, протекающего через электроды I(t), и контактного напряжения Uc(t).

В рамках сделанных предположений расчет нагрева электродов производится в следующей последовательности. По известной величине контактного сопротивления рассчитывается начальный радиус контактного пятна. Далее решается нестационарная нелинейная термоэлектрическая задача о нагреве электродов током известной величины I(t). Решение проводится итерационно: на каждом шаге по времени задается ток и подбирается такое значение радиуса контактного пятна, которое обеспечивает достаточную близость значения напряжения на электродах к экспериментально измеренному. Радиус пятна на первом шаге решения известен. Таким образом, подбором функции a(t) мы приближаем расчетную кривую Uc(t) к экспериментально измеренной.

В результате проведения таких расчетов мы получаем следующую информацию:

- изменение радиуса контактного пятна при нагреве;

- распределение температуры в электродах в любой момент времени;

- распределение в любой момент времени электрического потенциала, напряженности поля и плотности тока в электродах;

- пространственно-временные распределения иных величин, вычисляющихся из вышеперечисленных распределений, например, тепловых потоков, мощности джоулева нагрева и др.

Отметим, что данная расчетная методика по своей сути является обобщением на случай нестационарных процессов метода Хольма-Кольрауша определения температуры контактного пятна по величине контактного напряжения, который справедлив для нагрева постоянным по величине током.

Располагая возможностью расчета температуры в области контакта в широком диапазоне ее значений, был проведен анализ тех реализаций пропускания ударного тока через электрические контакты, когда фиксировалась начальная сварка с минимальными силами отрыва. Было показано, что температура контактных пятен составляет при этом (0.5 ^0.6) Т,п. Указанные значения температуры можно принять за температуру начала сваривания медных контактов ударны-

ми токами. Это подтверждает сделанное в предыдущей главе предположение, что начальная сварка не связана с плавлением материала контактов.

Были проанализированы тепловые поля контактов при реализациях пропускания тока, соответствующих начальной стадии плавления. На рис. 6, а представлено семейство изотерм с шагом 100°. Все изотермы существенно вытянуты к центру контактного пятна. Черная линия соответствует меди, нагретой до температуры выше 1300 К, т.е. практически подверженной плавлению. Она располагается на границе контактного пятна, где и начинается плавление. Область "холодной" меди, где температура меньше температуры размягчения, изображена белым цветом. Она практически вплотную примыкает к границе контактного пятна. При отходе от этой границы наружу всего на 0.2 .радиуса пятна температура спадает в 2 раза.

Рис. б. Распределение изотерм в окрестности контактного пятна в момент начала плавления (а), микрофотография, соответствующая началу плавления (б).

Такое распределение температуры приводит к тому, что плавление начинается на краю контактного пятна, далее область расплава перемещается преимущественно к центру пятна и только после того, как вся его поверхность окажется расплавленной, начинается интенсивное увеличение радиуса пятна. Эти три стадии плавления были экспериментально зафиксированы. На рис. 6, б приведена микрофотография, соответствующая началу плавления.

Были проанализированы результаты расчетов изменения радиуса контактного пятна при нагреве. Показано, что до достижения температуры размягчения материала, размеры пятна практические не изменяются. При дальнейшем нагреве радиус возрастает со временем почти линейно. Изменение размеров контактного пятна сильно зависит от степени пластической деформации контактной области

а

б

до пропускания тока, на которую, в свою очередь, влияет предыстория использования контактов.

Проведено сравнение режимов многократного и однократного пропускания тока через электрические контакты. Экспериментально зафиксирован эффект «тренировки» контактов, который заключается в следующем. При последовательном пропускании импульсов тока, нагревающих контактную область до температуры выше температуры размягчения материала, за счет увеличения зоны необратимых пластических деформаций можно значительно увеличить минимальный ток плавления при неизменной величине силы контактного нажатия. В рассмотренных в данной главе случаях это увеличение составляло от 65% до 90%.

В шестой главе проведено обобщение экспериментальных данных по определению минимального тока плавления для электродов, существенно различающихся по своей форме, по форме контактных пятен, по расположению пятен относительно границ контактов в диапазоне сил контактного нажатия от 50Н до 2500Н. Проанализированы зависимости контактного напряжения и сопротивления от величины силы нажатия для электродов всех типов. В результате получено выражение, связывающее минимальный ток плавления с величиной сопротивления холодных контактов Ясхол:

у Си

I = 0.65^- (5)

здесь и^"- напряжение плавления меди.

Проведено сопоставление результатов расчета величины /„, по данной формуле с экспериментальными данными, результаты которого позволили предложить использовать выражение (5) для проведения оценок стойкости сильноточных контактов, изготовленных из меди, к ударным токам короткого замыкания.

В настоящее время такой способ определения минимального тока плавления используется в Промышленной группе «Таврида Электрик» при проектировании сильноточных контактов коммутационных аппаратов среднего класса напряжения.

В Приложении проведено исследование влияния на величину контактного сопротивления таких факторов, как форма контактных пятен, их взаимное расположение, расположение пятен относительно границ электродов. Дано соответствующее физическое обоснование. На основании результатов проведенных численных расчетов оценены границы применимости приближения Хольма при рас-

19

чете величины контактного сопротивления.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе, сделаны выводы об их практической применимости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате анализа пространственно-временных характеристик электрических и тепловых полей при импульсном нагреве сильноточных электрических контактов сформулированы и обоснованы допустимые упрощения расчетных моделей и схемы проведения вычислений. Показано, что термоэлектрические токи вносят лишь малые возмущения в тепловые поля контактов, изготовленных из меди, по сравнению с токами проводимости. Это позволяет не учитывать эффект Томсона при решении задач прохождения ударных токов через замкнутые контакты. Обоснована возможность применения модели нефрагментированного контактного пятна для анализа сильноточных электрических контактов.

2. Оценено влияние эффекта расплывания контактного пятна на импульсный нагрев электродов. Показано, что даже незначительная неточность в определении размера контактного пятна может привести к существенной ошибке в определении температуры контактной области. Это делает необходимым учет изменения размеров пятен при расчетах нагрева до температуры, больше чем температура размягчения материала контактов.

3. Предложена оригинальная методика численного расчета импульсного нагрева электродов, основанная на экспериментальных данных, позволяющая рассчитывать тепловые и электрические поля при импульсном нагреве в широком диапазоне температур, вплоть до температуры плавления. Основной особенностью методики является то, что информация о размерах контактных пятен и их изменении во времени получается из экспериментально определенной зависимости от времени контактного напряжения, что исключает необходимость решения механической контактной задачи.

4. Накоплена и систематизирована значительная база экспериментальных данных по пропусканию ударных токов короткого замыкания через сильноточные электрические контакты различной формы в широком диапазоне сил контактного нажатия. Показано, что сварка контактов начинается при температуре (0.5-Ю.6)Тп1.

5. Описана начальная стадия плавления контактной области. Показано, что плавление начинается на краю контактного пятна. Далее область расплава рас-

пространяется, в основном, к центру пятна, радиус контактного пятна практически не изменяется до тех пор, пока вся контактная поверхность не подвергнется плавлению.

6. Установлена связь минимального тока плавления с величиной контактного сопротивления холодных медных контактов. Это позволяет оценивать их стойкость к ударному току на ранней стадии проектирования контактов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК.

1. Pavleino О.М., Pavlov V.A., Pavleino М.А. Verification of the Boundaries of the Applicability of the Holm Approximation for the Calculation of the Resistance of Electric Contacts. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2010. - Vol. 46, - № 5. - P. 440-446.

2. Павлейно M.A., Павлейно O.M., Сафонов M.C. Изменение механических характеристик электрических контактов при их импульсном нагреве до плавления. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011. — № 4, часть 4. - С.1675-1677.

3. Pavleino О.М., Pavlov V.A., Pavleino М.А. Effect of the spreading of the contact spot on the pulsed heating of electrodes. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2011. - Vol. 47, - № 4. - P. 362-369.

4. Chalyi A. M., Dmitriev V. A., Pavleino M. A., Pavleino О. M. Heating of High Current Electric Contacts under Short-Circuit Shock Currents. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2013. - Vol. 49, - № 5. - P. 433-439.

5. Павлейно O.M. О влиянии фрагментации контактных пятен на сопротивление сильноточных электрических контактов. // Современные проблемы науки и образования, 2014. - №2. - 7 с.

6. Меркушев А. Г., Павлейно М. А., Павлейно О. М., Павлов В.А. О влиянии эффекта Томсона на импульсный нагрев сильноточных электрических контактов. //Журнал технической физики, 2014.-Т. 84, -№9. -С. 149-152.

7. Павлейно О.М., Сафонов М.С. Численный расчет импульсного нагрева алюминиевых электрических контактов с медным покрытием. // Современные проблемы науки и образования, 2014. - № 6. - 7 с.

Другие публикации.

8. Павлов В.А., Павлейио М.А., Статуя A.A., Павлейио О.М. Численное моделирование протекания электрического тока через контакты. // 8-я конференция пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH - СПб, - 2008.

9. Павлов В.А., Павлейно М.А., Статуя A.A., Павлейно О.М. Построение численных моделей электрических контактов в ANS YS. // 5-я Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» - СПб, - 2008.

10. Павлейно О.М., Павлейно М.А., Павлов В.А., Статуя A.A. Численное моделирование процессов импульсного нагрева электрических контактов. // Сборник трудов IX Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" - СПб, - 2009. - С. 292-295.

11. Борисенко П.А., Павлейно О.М., Павлейно М.А., Статуя A.A. Методы численного решения нелинейных нестационарных термо-электро-механических контактных задач. // Сборник трудов IX Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" -СПб, - 2009. - С. 287-291.

12. Павлейно О.М., Павлейно М.А. Изменение механических и тепловых характеристик электрических контактов при их нагреве импульсным током. // Международная научная конференция «Наука о материалах и физика конденсированных сред» - Молдавия, Кишинев, - 2010.

13. Chaly A.M., Dmitriev V.A., Pavleyno M.A., Pavleyno О.М. Experimental research and computer simulation process of pulse heating high current contacts of vacuum interrupters. // International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum 2010 - Braunschweig, Germany, - 2010. - Vol. 2. - P. 418-423.

14. Павлейно M.A., Павлейно O.M., Сафонов M.C. Особенности процесса размягчения и плавления контактной области при нестационарном нагреве электрическим током. // Международная научная конференция "Импульсные процессы в механике сплошных сред" - г. Николаев, -2011. - С. 168-171.

15. Чалый A.M., Дмитриев В.А., Павлейно М.А., Павлейно О.М., Сафонов М.С. Стойкость электрических контактов со слоистой структурой к ударному току. // Материалы I Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы прикладной физики" - г. Севастополь, - 2012. - С. 225-226.

16. Чалый A.M., Дмитриев В.А., Павлейно М.А., Павлейно О.М. Изменение

характеристик электрических контактов при протекании импульсных токов. // Материалы I Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы прикладной физики" - г. Севастополь, - 2012. - С. 225-226.

17. Меркушев А.Г., Павлейно М.А., Павлейно О.М. Особенности импульсного нагрева несимметричных электрических контактов. // Сборник докладов X Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" - СПб, - 2012. - С. 241-243.

18. Киладзе И.Е., Павлейно М.А., Павлейно О.М., Павлов В.А. Оценка погрешности определения температуры электрических контактов в приближении Хольма-Кольрауша. // Сборник докладов X Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" - СПб, - 2012. - С. 220-222.

19. Павлейно М.А., Павлейно О.М., Сафонов М.С. Численное моделирование импульсного нагрева электрических контактов со слоистой структурой. // Сборник докладов X Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" - СПб, - 2012. - С. 260-262.

20. Klochko S.V., Pavleyno О.М., Safonov M.S. The effect of contact spot fragmentation on the shock short-circuit currents heating of electric contacts. // The 7th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics - Republic of Moldova, - 2014. - P. 322.

21. Сафонов M.C., Павлейно M.A., Павлейно О.М. Об эффекте накопления пластических деформаций. // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики - Казань, - 2015.

22. Чалый A.M., Дмитриев В.А., Павлейно М.А., Павлейно О.М., Сафонов М.С. Экспериментальное исследование стойкости слоистых контактов к ударному току короткого замыкания. // Сборник докладов XI Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" - СПб, - 2015.

Подписано в печать 08.10.2015. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120. Заказ 13524Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Типографии Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14