Физические особенности нагрева сильноточных электрических контактов

• Автор: Павлейно, Ольга Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Физические процессы, сопровождающие протекание тока через замкнутые | ^ электрические контакты. Обзор литературы

1.1. Электрические контакты, основные понятия и определения

1.2. Физические процессы, проявляющиеся при нагреве контактов протекающим током

1.3. Выводы

2. Математическая постановка задачи. Выбор и обоснование численной мо- ^ .

2.1. Математическая постановка задачи

2.2. Выбор параметров модели для численных расчетов нагрева контактов

2.3. Влияние эффекта Томсона на импульсный нагрев электрических контактов
2.4. Влияние структуры поверхности на параметры электрических контактов
2.5. Выводы
3. Численное моделирование импульсного нагрева электрических контактов ^ в приближении известного радиуса контактного пятна
3.1. Расчет импульсного нагрева в приближении постоянного радиуса контактного пятна
3.2. Влияние расплывания контактного пятна на импульсный нагрев электродов
3.3. Выводы
4. Экспериментальное исследование нагрева сильноточных контактов удар- ^ ными токами
4.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов
4.2. Результаты измерений
4.3. Выводы
5. Численный расчет нагрева сильноточных контактов ударными токами ^
5.1. Методика численного расчета
5.2. Расчет тепловых полей исследуемых контактов
5.3. Исследование пространственно-временных характеристик тепловых полей электрических контактов
5.4. Сравнение результатов однократного прохождения тока через электрические кон- 101 такты и серии импульсов тока
5.5. Выводы
6. Обобщение экспериментальных данных по определению начального тока плавления контактов
6.1. Определение начального тока плавления медных контактов
6.2. Выводы
Приложение. Прохождение тока через электрические контакты в приближении холодных контактов
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Объект исследования. Замкнутые сильноточные электрические контакты, находящиеся под воздействием ударных токов короткого замыкания.
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 уже многие десятилетия 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.
Следует отметить две основные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при определении нагрева контактов. Во-первых, это ограниченность аналитических методов решения подобных задач. Они применяются в рамках существенно упрощенных моделей, их результаты используются, в основном, для проведения количественных оценок некоторых характеристик контактов.
Второй трудностью в исследовании является недоступность проведения прямых экспериментальных измерений параметров тепловых полей в контактной области. Поэтому приходится прибегать к косвенным способам их определения, в том числе используя возможности численного моделирования. Особенностью данной работы является сочетание и взаимное дополнение различных методов исследования - эксперимента и численного моделирования.
Токовые воздействия на сильноточные контакты, входящие в состав электрических аппаратов, принято разделять на несколько типов, и это деление обосновано как с точки зрения их эксплуатационной практики, так и с точки зрения физической постановки решаемых задач. Номинальные токи, протекающие через контакты в течение длительного времени, формируют стационарные тепловые

поля. Допустимые нагревы в таких режимах невелики, поэтому нелинейности проявляются слабо, контактные пятна не изменяют своих размеров по сравнению с первоначальными размерами. Методология решения задач нагрева номинальными токами во многом разработана, однако вопросы численной реализации расчета тепловых полей до недавнего времени были не вполне очевидны.
Импульсные токи, протекающие через сильноточные контакты, вызванные короткими замыканиями в сетях и коммутационными процессами, имеют разную форму, длительность и величину. Их разделяют на 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 и смежных с ними токоведущих элементов, как правило, значительно не превосходит температуру размягчения материала, поэтому конфигурация контактных пятен остается практически неизменной, градиенты температуры в их окрестности относительно невелики. Это позволяет использовать для описания тепловыделения интегральные характеристики, такие как контактное сопротивление, и в значительной степени вывести зоны непосредственного контактирования электродов из области активного исследования.
Ситуация принципиально изменяется при решении задач, связанных с нагревом контактов ударными токами короткого замыкания, которым и посвящена настоящая работа. Их длительность 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.
Следует обратить внимание на ряд обстоятельств, которые сдерживают проведение исследований тепловых полей, возбуждаемых ударными токами. Малая

только те эффекты, которые являются существенными в том или ином режиме работы контактов. При этом все упрощения должны тщательно обосновываться. Это может быть сделано либо путем сравнения результатов расчетов по упрощенной и более полной модели, либо путем сравнения с данными эксперимента.
2.1. Математическая постановка задачи
При прохождении через контакты электрического тока происходит сложный процесс возбуждения и взаимного влияния механических, электрических и тепловых полей. Перед пропусканием тока контакты приводятся в механическое взаимодействие путем приложения внешних силовых воздействий. При этом формируется система площадок, воспринимающих усилие, часть площади которых способна проводить электрический ток. Результат этого процесса зависит от свойств материала контактов, формы и структуры поверхности взаимодействующих контактов, наличия поверхностных пленок и ряда других факторов.
При приложении напряжения к контактам, в них возбуждается электрическое поле, начинает протекать ток. На конфигурацию электрического поля и распределение плотности тока оказывает влияние структура сформировавшихся проводящих пятен. Если уровень тока достаточно велик, происходит нагрев контактов, изменяющий свойства материала, в том числе механические. При этом размер, форма и, возможно, число контактных пятен изменяется, что приводит к перераспределению электрического поля и плотности тока. Это, в свою очередь, изменяет условия тепловыделения и, соответственно, структуру теплового ПОЛЯ.
В общем случае эти взаимозависимые процессы должны описываться замкнутой системой самосогласованных уравнений. Однако всегда аналитические или численные исследования процессов в электрических контактах проводятся в рамках тех или иных упрощающих предположений. Не исключением является и данная работа. В ней также использован ряд приближений, о которых следует сказать на этапе формулировки задачи.
Основное допущение касается того, что при проведении численных расчетов мы предполагаем известными размеры контактных пятен в любой момент времени.