автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Жидкометаллические композиционные контакты и их использование в многоамперных электрических аппаратах

В в е д е н и е

Глава I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

1.1. Понятие о композиционном жвдкометаллическом контакте и задачи настоящей работы.

1.2. Исследование и выбор материалов твердых электродов и основ композиционных жидко-металлических контактов

1.3. Исследование сопротивления композиционных жидкометаллических контактов.

1.4. Анализ возможности замены серебряных контактов в многоамперных электрических аппаратах на композиционные жидкометаллические контакты.

1.5. Выводы к первой главе

Глава 2. ПРОВОДИМОСТЬ И ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЩКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

2.1. Задачи работы.

2.2. Проводимость композиционных жидкометаллических контактов.

2.3. Распределение тепловых потерь в композиционных жидкометаллических контактах.

2.4. Пример расчета проводимости и распределения тепловых потерь в композиционных жидкометаллических контактах (расчетный формуляр)

2.5. Экспериментальная проверка методики расчета проводимости и тепловых потерь композиционных жидкометаллических контактов и анализ полученных результатов.

2.6. Выводы ко второй главе.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ КОНТАКТНОЙ

ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЗЩДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

КОНТАКТОВ

3.1. Задачи работы.

3.2. Микрофотоанализ контактной поверхности композиционных жидкометаллических контактов.

3.3. Расчет действительной площади контактной поверхности композиционных жидкометаллических контактов с помощью статистических методов

3.4. Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ поверхностей твердометллических электродов и основ композиционных жидкометаллических контактов.

3.5. Выводы к третьей главе.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

4.1. Задачи работы.

4.2. Исследование электродинамической стойкости композиционных жидкометаллических контактов.

4.3. Электродинамические силы в тверцометалли-ческих и композиционных жидкометаллических контактах.

4.4. Повышение включающей способности многоамперных электрических аппаратов.

4.5. Выводы к четвертой главе.

Глава 5. МНОГОАМПЕРНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ С КОМПОЗИЦИОННЫМИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ КОНТАКТАМИ

5.1. Необходимость разработки многоамперных электрических аппаратов с композиционными жццкометаллическими контактами.

5.2. Выключатель ВШ-400 с композиционными жидко-металлическими контактами.

5.3. Результаты испытаний опытного образца многоамперного выключателя типа ВШ-400 с номинальным током 40 кА и композиционными жид-кометаллическими контактами

5.4. Конструкторские разработки многоамперных выключателей типов P-I0I и B-6I с композиционными жид коме таллическими контактами.

5.5. Выводы к пятой главе.

3 а к л ю ч е н и е.

Л и т е р а т у р а.

Еще в конце Х1Х-го века стало известно об использовании жидкого металла (ртути), который применялся в качестве элемента, замыкающего и размыкающего контакты в ртутных выключателях. Такие выключатели применялись на электростанциях в г.Риме (1887 год), в энергетических устройствах Парижского метрополитена (30-е годы ХХ-го столетия) и др. [29]. Однако, по мере быстрого развития электропромышленности и, в частности, электроаппа-ратостроения устройства с жидкометаллическими контактами (ЖМК) не получили дальнейшего развития в силу сложности конструкции и токсичности паров ртути. Но их применение сохранилось в ряде слаботочных устройств. В последнее двадцатилетие наметился бурный рост номинальных токов энергоустановок, которые необходимо коммутировать. В связи с этим возрос интерес и к электрическим контактам, в том числе и к ЖМК, которые обладают рядом достоинств: они имеют малое контактное сопротивление, требуют незначительного контактного нажатия, в них отсутствуют явления сваривания и залипания контактов и т.д. Важным обстоятельством, побуждающим обращаться к ЖМК, является то, что они, в ряде случаев, могут заменять серебро, мировые запасы которого очень ограничены и быстро истощаются. Согласно опубликованным данным института геологии ФРГ [74, 75] запасов серебра в капиталистических и некоторых развивающихся странах хватит не более, чем на 10-15 лет. Поэтому важнейшей задачей становится изыскание путей экономии расходования серебра для контактов, а также разработка новых контактных материалов без серебра. Однако, мероприятия по замене или экономии серебра должны проводиться при условии сохранения тех достижений в электроаппаратостроении, которые были получены благодаря его использованию. Этим и объясняется то, что в последние годы в сильной степени возрос интерес к исследованиям в области ЖМК, особенно к сильноточным ЖМК.

Началось бурное развитие скользящего ЖМК в токосъемнике униполярных электрических машин [8, 9] , создание слаботочной [10, 13] и сильноточной [12, 13, 14] коммутационной аппаратуры, имеющей высокую надежность и малые габариты.

Благодаря своим положительным свойствам, ШК в настоящее время могут заменить в ряде случаев твердометаллические контакты. Однако наряду с достоинствами ЖМК имеют и недостатки, которые являются препятствием для широкого их применения. Это, прежде всего, необходимость герметизации контактного узла, так как в противном случае, ввиду большой подвижности жидкого металла, электродинамические силы способны выбросить его из зоны электрического контакта, а также зависимость работоспособности ЖМК от положения в пространстве.

Исследования и разработки в области электрических контактов направлены на дальнейшее развитие теории физических процессов на контактах для получения оптимальных электрических свойств. Если электрофизические процессы твердометаллических контактов в настоящее время в достаточной степени нашли свое отражение в фундаментальных исследованиях [I - 8], то ЖМК применялся до последнего времени без обширных исследований, которые в основном базировались на исследованиях эмпирического характера особенно такого важнейшего параметра, как переходное контактное сопротивление.

Одной из основных проблем, возникающих при создании аппаратов с ЖМК, является проблема выбора легкоплавкого металла или сплава и исследование переходного контактного сопротивления.

Среди легкоплавких металлов и сплавов в настоящее время представляют наибольший интерес щелочные металлы и сплавы на их основе, ртуть и ее сплавы, легкоплавкие сплавы на основе висмута, галлий и сплавы на его основе. В таблице 1.1. приведены основные параметры некоторых легкоплавких металлов и сплавов.

Использование ртути осложняется токсичностью ее паров. о

Упругость паров ртути достаточно велика (1,2 * 10 мм рт. столба при 20°С), поэтому насыщение ими замкнутого объема происходит довольно быстро. И скорость насыщения тем выше, чем выше температура и чем больше свободная поверхность ртути. По нормам, принятым в СССР, предельно допустимое количество

К /О ртутных паров в воздухе составляет 10 мг/м . Острое отравление ртутью наступает при концентрации ее паров в воздухе 1,5 мг/м^. Воздействие паров ртути может не обнаруживаться месяцами, годами, но в конце концов может привести к серьезным нервным и психическим растройствам человеческого организма. Особенностью ртутных хронических отравлений является то, что поражение нервной системы наступает раньше, чем удается клиническими анализами установить повышенную концентрацию ртути в организме.

Щелочные металлы и их сплавы (К, А/а: , сплав А/а К) пожаро-и взрывоопасны. Они легко подвергаются воспламенению при соприкосновении с воздухом. Сплавы на основе свинца и висмута имеют довольно высокую температуру плавления (не ниже 46,5°С), что приводит к необходимости применения специальных подогревательных устройств при использовании их в коммутационной аппаратуре, кроме того эти сплавы обладают большим электрическим сопротивлением.

Таблица 1.1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Температура Плотность о Удельное Кинематическая Примечание

Металл или сплав С г г3 электро- вязкость у-Ю+^/сек при <;°с плавления кипения кг/м °С при сопротивле-ниер-КГ8 0м м при t° С

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ртуть % -39 367 13,6 20 95,8 20 11,4 20 Пары токсичны

Цезий Сб 28,5 705 1,8 100 37,0 30 47,0 100 Самовоспламеняется

Са на воздухе

Галлий 30 1983 6,0 50 29,0 50 32,0 50

Рубидий Rt> 39 688 1,44 100 24,5 100 48,0 100 Самовоспламеняется на воздухе

Калий К 63,7 760 0,82 100 15,5 100 56,0 100 и

Натрий Ala 97,8 883 0,93 100 97,0 100 77,0 100 N

Ицций In 159 2087 7,0 200 31,0 200 — -

Литий Li 179 1317 0,51 200 45,0 200 111,0 200 Мало исследован

Сплав 50% Ид-50% In - - 9,5 20 - - - -

Продолжение таблицы 1.1

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Сплав 22% А/а 78% К -II 784 0,85 100 42,0 100 60,0 100 Эвтектика

Сплав В1; РВ; 1а; 5а; 1(1 Сплав В 1;РВ;5п;С(1 47 68 - 10 10 50 50 52,0 0 - - Состав эвтектичен Сплав Вуда

Сплав 44,5% Р6 55,5% 61 125 1670 10,5 200 ИЗ 200 24,3 200

Сплав 77,6% Са 22,4% 1а 15,8 2000 6,28 30 23,6 30 26,4 30 Состав эвтектичен

5,96 500 32,5 500 21,1 200

Сплав 62% Оа 25% 1а 10,5 2000 6,38 30 28,2 30 26,7 40 То же

13% 5 а 6,06 500 37,3 500 22 200

Галлий и сплавы на его основе имеют ряд преимуществ перед жидкими металлами: они нетоксичны, не взрыво- и пожароопасны, обладают наибольшим диапазоном температур жидкого состояния (Ю°С - 2000°С), не требуют дополнительных подогревающих устройств при применении их в коммутационной аппаратуре в помещении, имеют низкую упругость паров, сравнительно низкое электрическое сопротивление ( в 3,5 раза ниже, чем у ртути и в 1,3 раза ниже, чем у сплава натрий-калий), обладают малой величиной переходного сопротивления в ЖМК и имеют высокую теплопроводность по сравнению с жидкими металлами упомянутыми выше.

Однако, наряду с положительными свойствами, галлий и его сплавы обладают рядом недостатков, к которым относится и свойство галлия быть почти универсальным растворителем для всех металлов [15] , что вызывает большие трудности в подборе материалов для твердых контактов. Но, несмотря на этот серьезный недостаток, именно галлий и его сплавы наиболее перспективны для применения в сильноточных коммутационных устройствах.

Вопросу переходного сопротивления ЖМК в последнее время уделяется большое внимание. Известны несколько десятков работ, посвященных его исследованию в ЖМК, причем результаты отдельных исследований имеют часто значительные расхождения. Это объясняется и разными условиями опытов, и тем, что величина переходного сопротивления ЖМК зависит от многих физических факторов и часто результаты даже одних и тех же исследователей имеют расхождение с достаточно большим разбросом [17 - 28] .

Подробный анализ состояния исследований сопротивления ЖМК и существующих конструкций электрических аппаратов с ЖМК приведен в [29, 30] . При наличии полного смачивания твердометал-лических контактов жидким металлом можно предположить, что контактное сопротивление ЖМК отсутствует, то есть теоретически возможно переходное сопротивление равное нулю. Однако проведенные исследования ЖМК показывают, что нулевое контактное сопротивление практически не достижимо.

В зоне контактирования твердого электрода с жидким металлом на поверхности твердого электрода, кроме слоя окисных пленок и пыли, могут возникать дополнительные слои обусловленные интерметаллическими соединениями, которые образуются в результате химического взаимодействия жидкого металла с твердым. Поэтому полное контактное сопротивление ЖМК к состоит из сопротивления твердого электрода (^тв , сопротивления поверхностных пленок пл , сопротивления интерметаллических соединений и сплавов К сл71 и сопротивления жидкого металла 11 жм [28] , то есть

Теоретическое определение величины переходного сопротивления ЖМК еще более затруднительно, чем твердометаллических контактов, поскольку, кроме сложностей при определении сопротивления окисных пленок, в ЖМК добавляются и трудности определения сопротивления интерметаллических соединений и сплавов, а также степени смачивания жидким металлом твердого электрода. Поэтому многие исследователи предпочитают при определении величины переходного сопротивления ЖМК экспериментальный путь.

Из проведенных исследований ЖМК можно сделать следующие общие выводы:

Тогда переходное сопротивление ЖМК будет равно

1. Наименьшие значения электросопротивления имеют КМК, в которых жидкий металл смачивает твердый (ртуть-медь, галлий-медь и т.д.). Как правило, в этих случаях твердый металл способен корродировать в жидком [20 , 22].

2. Наибольший диапазон изменений электросопротивления имеют ШМК, в которых твердый металл корроэионно стоек к жидкому (галлий-хром, галлий-сталь и т.д.), так как на поверхности твердого металла образуются достаточно прочные окисные пленки, препятствующие смачиванию твердого металла жидким [22, 31 ].

3. Для уменьшения жидкометаллического контактного сопротивления рекомендуется обрабатывать поверхность твердых электродов механическими и химическими способами для снятия слоя окисных пленок. При этом поверхность твердого контакта подвергается механической обработке под слоем жидкого металла или химической обработке с помощью различных кислот. Кроме того, поверхность твердого контакта может быть покрыта электрохимическим или другими способами слоем металла-посредника (обычно олова) для получения хорошего смачивания [19 , 20 , 23 , 25 , 32, 33 , 34].

4. Сопротивление ЖМК уменьшается с увеличением площади контактной поверхности, если материал твердых электродов хорошо смачивается жидким металлом, и остается практически постоянным для материалов твердых электродов, которые не смачиваются жидким металлом [24].

5. Сопротивление ЖМК не зависит от изменения полярности электрода и от величины напряжения [23, 24].

6. Сопротивление ШМК с течением времени изменяется, так как меняются толщина и состав посторонних пленок [18, 19, 23, 24].

При длительной эксплуатации возможно уменьшение сопротивления ЖМК в связи с тем, что жидкий металл реагирует с твердым электродом, что создает хорошие условия для смачиваемости его поверхности [30].

7. При изменении температуры окружающей среды от 40 до

150°С сопротивление ЖМК меняется незначительно [18, 20]. р

8. При изменении плотности тока до 80 А/см сопротивление ЖМК (ртуть-медь, ртуть-никель, ртуть-сталь, галлий-сталь, галлий-медь, галлий-хром, галлий-свинец) не изменяется [18, 20, 24].

9. Галлий и его сплавы наиболее перспективны для применения в сильноточных электрических аппаратах с ЖМК.

10. Среди твердых материалов, соприкасающихся в процессе работы с галлием и его сплавами, может быть рекомендована к применению медь, покрытая электролитическим или другими способами хромом или никелем [19, 20].

Развитие ЖМК в настоящее время идет по направлениям создания скользящих ЖМК для вращающихся токосъемных устройств, не-размыкающегося разъемного шинного контакта, коммутационной аппаратуры для релейного диапазона токов и для больших токов в сотни и тысячи ампер, а также автоматических самовосстанавливающихся предохранителей [29].

Основные конструкции электрических аппаратов с ЖМК, характерные для каждого из направлений, приведены в [29] .

В настоящее время созданы и эксплуатируются коммутационные жидкометаллические устройства для средств автоматики, телемеханики и связи [35, 36] на токи доли и единицы ампер и сильноточные выключатели с ЖМК, предназначенные для электролизных химических предприятий с номинальными токами несколько десятков тысяч ампер [37 - 47].

В результате проведенных исследований созданы теоретические предпосылки к тому, чтобы можно было приступить не только к оптимизации предложенных конструкций электрических аппаратов с ЖМК, но и к созданию новых, более современных и надежных аппаратов. ЖМК имеют еще много резервов, использование которых позволит достичь еще больших успехов в электроаппаратостроении.

Разработке нового типа контактного соединения без использования серебра на базе ЖМК и посвящена настоящая работа.

Целью настоящей работы является исследование свойств и возможностей нового типа контактных соединений - жидкометаллических композиционных контактов (композиционных ЖМК), которые представляют собой пористые либо сетчатые материалы - основы пропитанные или смоченные жидким металлом. Такая жидкометаллическая композиция может помещаться между двумя твердыми электродами, осуществляя контакт между ними.

В настоящее время композиционные ЖМК практически не исследованы, отсутствуют методики их расчета, не установлена и область их использования.

Исследование свойств композиционных ЖМК требовало проведения теоретических и длительных экспериментальных работ в следующих направлениях:

I. Сопротивление композиционных ЖМК зависит от многих факторов: структуры материала пористых или сетчатых прокладок (основ) жидкометаллической композиции, жидкого металла, материала, электродов, площади контактной поверхности, величины нажатия, температуры, угла наклона к горизонту, времени и т.д.

Определение характера этих зависимостей, выяснение структуры композиционных ЖМК, имеющих наименьшее контактное сопротивление и сравнение полученных результатов с аналогичными исследованиями, проведенными для медных и серебряных контактов составляют содержание первой главы.

2. В настоящее время отсутствуют методики расчета проводимости композиционных ЖМК. Кроме этого, особый интерес для практического применения композиционных ЖМК в электрических аппаратах представляют определение величины тепловых потерь, выделяющихся в них при протекании больших токов, а также распределение этих потерь между материалом сетчатой основы композиционного ЖМК и жидким металлом, которые имеют разные величины удельной электропроводности.

Разработка инженерных методик расчета проводимости композиционных ЖМК и распределения в них тепловых потерь, которые позволяют выбрать рациональную структуру и размеры сеточных основ, чтобы получить наименьшую величину контактного сопротивления композиционных ЖМК, а также экспериментальная проверка этих методик составляют содержание второй главы.

3. Сопротивление контактов зависит от площади действительной контактной поверхности, то есть от микрогеометрии ее структуры. Действительная площадь контактной поверхности композиционных ЖМК зависит от степени смачивания твердометаллических электродов и сеточных основ жидким металлом.

Исследованию с помощью микрофотоанализа действительной площади контактной поверхности композиционных ЖМК, имеющих разные материалы твердометаллических электродов и сеточных основ, а также различную чистоту механической обработки электродов в зависимости от длительности контактирования их с жидким металлом посвящено содержание третьей главы.

Здесь же приведены результаты качественного рентгенострук-турного анализа поверхностных плёнок на медных электродах, находившихся длительное время в контакте с жидким металлом, а также расчет величины действительной площади контактной поверхности композиционных ЖМК с помощью статистических методов.

4. Большое значение для безаварийной работы многоамперных электрических аппаратов имеет электродинамическая стойкость контактов.

При включении могут возникать явления вибраций, сваривания и электродинамического отброса контактов, которые могут привести к выходу аппарата из строя.

Исследованию электродинамической стойкости композиционных ЖМК при процессах включения и протекания по ним сквозных токов короткого замыкания, а также теоретическому определению электродинамических сил отброса посвящена четвертая глава.

В этой главе также приведен новый способ повышения включающей способности многоамперных электрических аппаратов и описана конструктивная схема такого аппарата.

5. Истощение природных запасов серебра, которое применяется для изготовления контактов электрических аппаратов, а также рост мощностей энергоемких производств, который требует все большее количество многоамперных электрических аппаратов, что еще быстрее приводит к дефициту серебра, ставят перед электротехнической промышленностью задачи по созданию многоамперных электрических аппаратов с контактами без серебра.

Разработка конструкций многоамперных выключателей на номинальные токи 20 кА, 40 кА и 65 кА с композиционными ЖМК, а также результаты производственных испытаний опытного образца такого выключателя на номинальный ток 40 кА и номинальное напряжение 400 В являются содержанием пятой главы.

Для проведения исследований по указанному кругу вопросов были созданы специальные модели контактных систем, испытательные установки, а также разработаны схемы испытаний и методы исследований.

На основании выполненного комплекса экспериментальных исследований композиционных ЖМК и анализа полученных результатов автор выносит на защиту следующие положения, имеющие научную новизну:

1. Проведенные исследования свойств нового типа контактного соединения - композиционных ЖМК.

2. Установленные влияния различных материалов твердых электродов и сеточных основ на величину сопротивления композиционных ЖМК и зависимости их контактных сопротивлений от различных факторов (площади контактной поверхности, величины нажатия, температуры, времени, угла наклона к горизонту, числа включений) .

3. Разработанные инженерные методики расчета проводимости и распределения тепловых потерь в композиционных ЖМК с сеточной основой, которые позволяют выбрать рациональную структуру и размеры этой основы, чтобы получить наименьшую величину контактного сопротивления.

4. Определенные с помощью микрофотоанализа величины действительных площадей контактных поверхностей композиционных ЖМК в зависимости от длительности контактирования различных твердо-металлических электродов с разной чистотой механической обработки контактной поверхности и сеточных основ с жидкими металлами: ртутью, галлием, сплавом галлий-индий-олово.

5. Установленное отсутствие явлений вибраций, сваривания и электродинамического отброса в композиционных ЖМК.

6. Предложенный новый способ повышения включающей способности электрических аппаратов.

7. Установленную возможность замены серебряных контактов в многоамперных электрических аппаратах на композиционные ЖМК.

8. Разработанную конструкцию контактной системы с композиционными ЖМК, которая может легко сочетаться с конструкциями существующих электрических аппаратов.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных исследований композиционных ЖМК могут быть использованы при конструировании и создании многоамперных электрических аппаратов с контактами без серебра, поскольку в настоящее время запасы серебра ограничены и быстро истощаются.

Аппараты с композиционными ЖМК требуют в 5-10 раз меньших контактных нажатий, а контактное сопротивление их в 1,3-1,5 раза меньше, чем у аппаратов с серебряными контактами на такие же номинальные параметры. У аппаратов с композиционными ЖМК могут быть снижены габаритные размеры и вес за счет облегчения приводного механизма, а также снижаются потери электроэнергии за счет меньшего контактного сопротивления. Аппараты с композиционными ЖМК имеют большую надежность, чем аппараты с твердометал-лическими контактами, так как они не подвержены явлениям вибрации и сваривания контактов, отсутствуют в них и электродинамические силы отброса. Кроме того, композиционные ЖМК легко сочетаются с существующими конструкциями многоамперных электрических аппаратов с контактами мостикового типа (выключатели, разъединители и т.д.), поэтому изготовление таких выключателей с композиционными ЖМК вместо серебряных контактов не вызовет больших затруднений.

Экономический эффект от замены серебряных контактов на композиционные ЖМК только в многоамперных шунтирующих выключателях, применяемых в технологическом процессе производства хлора, составит 200 тысяч рублей.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждены результатами экспериментальных исследований и сравнением свойств композиционных ЖМК с аналогичными свойствами медных и серебряных контактов, в результате которых можно сделать вывод о возможности замены, в ряде случаев, в многоамперных электрических аппаратах серебряных контактов на композиционные ЖМК.

При постановке и выполнении исследований в указанных направлениях учитывались конкретные практические запросы Министерства химической промышленности по решению научно-технической проблемы увеличения и совершенствования процесса производства хлора 0.10.03 (задание 02.02.01), утвержденной постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 29 декабря 1981 года № 515/271. С этой целью была поставлена задача по "Усовершенствованию существующих систем и разработке конструкций многоамперных выключателей на новых принципах и без применения серебра".

Настоящая работа выполнена автором в Северо-Западном заочном политехническом институте с 1975 по 1982 годы в соответствии с планом научно-исследовательской тематики института.

5.5. Выводы к главе 5

5.5.1. Истощение природных запасов серебра, которое применяется в большом количестве для изготовления контактов электрических аппаратов, а также рост мощностей энергоёмких производств, который требует все большее количество многоамперных электрических аппаратов и еще быстрее приводит к дефициту серебра, ставят перед электротехнической промышленностью задачи по созданию многоамперных электрических аппаратов с контактами без серебра.

5.5.2. В результате конструкторской проработки на основании проведенных исследований композиционных ЖМК были разработаны конструкции многоамперных выключателей с контактами без серебра на базе серийных шунтирующих выключателей, применяемых на химических предприятиях при производстве хлора типов ВШ-400 на ток 40 кА, Р—101 на ток 20 кА и В-61 на ток 65 кА с композиционными ЖМК. Эти выключатели незначительно отличаются по конструкции от серийных выключателей таких же типов, но с серебряными контактами (только конструкцией главных контактов) и имеют одинаковые с ними электрические параметры, поэтому изготовление таких выключателей не вызовет больших затруднений.

Однако вес и габариты многоамперных выключателей с композиционными ЖМК могут быть снижены за счет уменьшения требуемой величины контактного нажатия в 5-8 раз по сравнению с серийными образцами выключателей.

5.5.3. На базе серийного выключателя ВШ-400 был изготовлен выключатель с композиционными ЖМК на номинальный ток 40 кА, который прошел производственные испытания.

5.5.4. Проведенные испытания показали хорошую надежность выключателя с композиционными ЖМК и дали возможность рекомендовать его к эксплуатации в цехах электролиза хлора (акт внедрения приведен в приложении 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований жидкометаллических композиционных контактов и аналитическая обработка полученных результатов позволили решить следующие задачи:

1. Определены основные свойства и возможности композиционных ЖМК, исследованы зависимости контактного сопротивления их от различных факторов (материала и структуры сеточных основ, площади контактной поверхности, величины нажатия, температуры, времени, угла наклона к горизонту, величины тока, числа включений).

2. Разработаны инженерные методики расчета проводимости и распределения тепловых потерь в композиционных ЖМК с сеточной основой, которые позволяют выбрать рациональную структуру и размеры этой основы, чтобы получить наименьшую величину контактного сопротивления. Предложен расчетный формуляр, с помощью которого определяются проводимость и тепловые потери композиционных ЖМК с различными структурами.

3. Определена величина действительной площади контактной поверхности композиционных ЖМК, с помощью микрофотоанализа. Установлено, что в начальный момент времени соприкосновения твер-дометаллических электродов и сеточных основ композиционных ЖМК с жидкими металлами галлием и его сплавом величина действительной площади контактной поверхности составляет порядка 65-70 % от величины кажущейся площади контактной поверхности. С течением времени происходит увеличение действительной площади контактной поверхности композиционного ЖМК до 95 % от величины кажущейся площади контактной поверхности в результате взаимодействия жидкого и твердого металлов друг с другом.

4. Определен с помощью рентгеноструктурного анализа химический состав поверхностных пленок на медных электродах и основы из латунной сетки композиционных ЖМК, находившихся длительное время в контакте со сплавом

Химическое взаимодействие галлия с медными электродами и основой из латунной сетки приводит, с одной стороны, к улучшению смачивания их и, тем самым, к увеличению действительной площади контактной поверхности в композиционных ЖМК и уменьшению их контактного сопротивления в течение первых нескольких недель. С другой стороны, происходит накопление интерметаллических соединений и сплавов, которые приводят к последующему росту контактного сопротивления особенно у композиционных ЖМК с основой из латунной сетки. Однако сопротивление композиционных ЖМК остается в несколько раз меньше, чем сопротивление серебряных контактов, находившихся в таких же условиях.

5. Установлено отсутствие явлений вибрации, сваривания, а также электродинамического отброса в композиционных ЖМК, как при их включении под нагрузкой, так и при протекании по ним сквозного тока короткого замыкания.

6. Предложен способ повышения включающей способности многоамперных электрических аппаратов, имеющих главные и дугогаси-тельные контакты, заключающийся в том, что для устранения явлений вибрации, сваривания и электродинамического отброса контактов включение аппаратов должно быть произведено главными композиционными ЖМК. Разработана схема многоамперного электрического аппарата с повышенной включающей способностью.

7. Показана возможность замены, в ряде случаев, серебряных контактов на композиционные ЖМК.

В. Установлено, что композиционные ЖМК могут быть выполнены в виде мостиковых контактных соединений, которые применяются в конструкциях многих электрических аппаратов и могут легко сочетаться с этими конструкциями.

9. Разработана серия конструкций многоамперных выключателей, в которых серебряные контакты заменены на композиционные ЖМК, на номинальные токи 20 кА, 40 кА, 65 кА. При этом вес и габариты многоамперных выключателей с композиционными ЖМК могут быть снижены за счет уменьшения требуемой величины контактного нажатия по сравнению с серийными образцами выключателей с такими же номинальными параметрами.

10. Полученные результаты нашли практическое внедрение при изготовлении многоамперного выключателя на номинальный ток 40 кА и напряжение 400 В с композиционными ЖМК.

11. Опытный образец выключателя ВШ-400 с композиционными ЖМК на номинальный ток 40 кА прошел производственные испытания и был передан в опытную эксплуатацию (акт внедрения приведен

1. Хольм Р. Электрические контакты. - М.: Издательство иностранной литературы. 1961, 464 с.

2. Залесский A.M. Электрические аппараты высокого напряжения. Госэнергоиздат, 1957, 538 с.

3. Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. М.: Энергия, 1973, 423 с.

4. Брон О.Б. Электрические аппараты с водяным охлаждением. -М.: Энергия, 1967, 483 с.

5. Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге включающих аппаратов. Л.: Энергия, 1975, 216 с.

6. Брон О.Б. Проблемы контактов в сильноточном аппарато-строении. Электричество, 1979, № Ю, с.39-44.

7. Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М.: Энергия, 1977, 272 с.

8. Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Троицкий С.Р. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. -М.Л.: Энергия, 1966, 312 с.

9. Бертинов А.И., Алиевский В.Л.Современное состояние и перспективы развития униполярных машин. Доклады конференции "Униполярные электрические машины". - М.: 1969, с. 3-29.

10. Зарецкас В.-С. С., Рагульекене В.Л. Ртутные коммутирующие элементы для устройств автоматики. М.: Энергия, 1971, 107 с.

11. Баринберг А.Д. Магнитогидродинамические аппараты защиты, контроля и управления. М.: Энергия, 1978, 129 с.

12. Фрыгин В.М. Жидкометаллический коммутационный аппарат.

13. A.C. № 543029, кл. HOIH 29/00, заявл. 13.10.75, № 2180504, опубл. 9.03.77.

14. Дегтярь В.Г., Иванов A.B., Троицкий О.Р. Жидкометалли-ческий контактный узел. A.C. № 599636, 1978.

15. Дегтярь В.Г., Иванов A.B. Контакт сильноточного коммутационного аппарата. A.C. № 625264, кл. HOIH 29/ОН, заявл. 14.03.77, № 2462269, опубл. 25.09.78.

16. Яценко С.П. Галлий. Взаимодействие с металлами. М.: Наука, 1974, 220 с.

17. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Тоцкий Е.Е. и др. Тепло-физические свойства щелочных металлов. М.: Стандарт, 1970, 487 с.

18. Каландадзе А.М. Исследование электрического сопротивления соединений проводников посредством жидкой металлической среды. Тбилиси, 1957, 63 с.

19. Годжелло А.Г. Вопросы устойчивости и стабильности жидко-металлического токосъемного устройства. Автореферат диссертации, МЭИ, 1965.

20. Дегтярь В.Г. Разработка и исследование жидкометаллических нагрузочных сопротивлений. Автореферат диссертации, МЭИ, 1969.

21. Перелыптейн Г.Н. Экспериментальное исследование и расчет потерь в жидкометаллических скользящих контактах униполярных машин. Автореферат диссертации, Свердловск, 1968.

22. Климович A.C., Локтин Д.Б., Перелыптейн Г.Н. Электрические потери в жидкометаллических скользящих контактах униполярных машин. Электротехника, № 4, 1969, с.23-26.

23. Лысов Н.Е., Годжелло А.Г., Мейксон В.Г., Дегтярь В.Г. Сопротивление жидкометаллического контакта. Электротехника, № I, с. 29-31.

24. Дукуре Р.К., Упит Г.П. Некоторые вопросы контактных свойств металлических поверхностей. Труды института физики АН Латвийской ССР. Прикладная электродинамика, Рига, 1961, Вып.12, с.237-249.

25. Кузнецов P.C. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В. М.: Энергия, 1970, 543 с.

26. Дегтярь В.Г. Модель жвдкометаллического контакта и некоторые исследования, проведенные на ней. Сборник материалов к 1У Таллинскому совещанию по электромагнитным расходомерам и электротехнике жидких проводников. Таллин, 1973, с. 145-155.

27. Вячкис В.В. Исследование и разработка жидкометаллических контактных соединений. Автореферат диссертации. М., МЭИ, 1978.

28. Дегтярь В.Г., Нестеров Г.Г. Контактные коммутирующие устройства электрических аппаратов низкого напряжения.

29. Всесоюзный институт научной и технической информации. Итоги науки и техники. Серия "Электрические аппараты", М.: 1980, с.3-47.

30. Дегтярь В.Г., Вячкис В.В. Жидкометаллические контакты. Всесоюзный научно-исследовательский институт информации. Аппараты низкого напряжения. Информэлектро, М., 1980,63 с.

31. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М., 1976, 231 с.

32. Ванагайтите М.Г., Петрошевичюте О.С., Зарецкас В.-С.С. и др. Способ электрохимической подготовки к эмальгированию электроконтактронов. A.C. № 465665 HOIH 11/02, заявл. 26.07.71, № 1686072, опубл. 30.03.75.

33. Петрошевичюте О.С., Шюша Э.В., Зарецкас В.-С.С. и др. Способы подготовки поверхности перед эмальгированием металлов, несмачивающихся ртутью. A.C. № 326235, С22С 7/00, заявл. 15.05.69, № I33I723, опубл. 19.01.72.

34. Дегтярь В.Г., Вячкис В.В. Способ изготовления жидкометал-лического контакта. A.C. № 635530 H0IH 29/04, заявл. 01.07.77, № 2502028, опубл. 30.11.78.

35. Мидзутани Ясукадзу. Быстродействующий ртутный выключатель. Японский патент № 53-31515, заявл. 22.02.73,48.22439, опубл. 2.09.78, Кл. 59Н4, (Н 0IH 35/14).

36. Закурдаев A.B. Управляемые ртутные микроконтакты. М.: Наука, 1972, с. 484-487.

37. Приходченко В.И. Исследование режимов сильноточных коммутационных элементов с жидкометаллическим рабочим телом. Автореферат диссертации, Куйбышев, 1974, 95 с.

38. Мигунов А.Л., Новиков О.Я. и др. Коммутационный аппаратс жидкометаллическим контактным узлом. A.C. № 428472, кл. Н 0IH 29/28, заявл. 7.04.72, № I76937I, опубл.1505.74.

39. Кулаков П.А., Лисина Л.С. и др. Жидкометаллическое токо-съемное устройство как элемент электрической цепи. В сб. "Сложные электромагнитные поля и электрические цепи",2, Уфа, 1974, с.197-204.

40. Андреев В.В., Кулаков Л.А. и др. Жидкометаллический контактный узел. A.C. № 543030, кл. Н 0IH 29/04, заявл.1807.75. № 2158003, опубл. 9.03.77.

41. Андреев В.В., Кулаков П.А. и др. Коммутационный аппарат с жццкометаллическим контактным узлом. A.C. № 532138, кл. Н 0IH 29/28, заявл. 23.06.75, № 2I48I33, опубл.511.76.

42. Кулаков П.А., Лисина Л.С. и др. Коммутационный аппарат с жидкометаллическим контактным узлом. A.C. № 524242, кл. Н 0IH 29/28, заявл. 1.04.75, № 2II95I5, опубл.2311.76.

43. Фрыгин В.М. Сильноточный жидкометаллический аппарат. A.C. № 547859, кл. Н 0IH 29/28, заявл. 6.01.76,2312523, опубл. 20.05.77.

44. Васильченко H.A., Глазков Н.И. и др. Коммутационный аппарат с жидкометаллическим контактным узлом. A.C.428471, кл. Н 0IH 29/28, заявл. 14.02.72, № 1747487, опубл. 2.01.75.

45. Глазков Н.И., Князев И.Г. и др. Коммутационный аппарат с жидкометаллическим контактным узлом. A.C. № 527757, кл.

46. Н 0IH 29/28, заявл. 19.08.74, № 2055270, опубл. 23.06.77

47. Шрыгин В.М., Фрыгин И.В. Способ коммутации электрическихаппаратов. A.C. № 609136, кл. Н 0IH 29/00, заявл. 25.01.77, № 2445596, опубл. 30.05.78.

48. Кулаков П.А., Лисина Л.С. и др. Коммутационный аппарат с жидкометаллическим контактным узлом. A.C. № 559295, кл. Н 01 Н 29/10, заявл. 14.03.75, № 2II2800, опубл. 19.09.77.

49. Брон О.Б., Беляев В.Л., Мясникова Н.Г. Композиционные контакты на основе галлия. М.: Электротехническая промышленность, серия "Аппараты низкого напряжения", 1977, вып. 8(66), с.5-7.

50. Брон О.Б., Беляев В.Л., Мясникова Н.Г. Многоамперная контактная система мостикового типа. A.C. № 609138, кл. Н 01 Н 29/16, заявл. 6.06.77, № 2421400, опубл. 7.02.78.

51. ГОСТ 9098-70. Выключатели автоматические воздушные на номинальный ток до 2500 А.

52. Новиков О.Я. Устойчивость электрической дуги. Л.: Энергия, 1978.

53. Острейко В.Н. Координатно-структурный метод определения проводимостей. Известия высших учебных заведений. Электромеханика № 12, 1980, с.1269-1274.

54. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: 1954, 604 с.

55. Полиа Г., Сече Г. Изопериметрические неравенства в математической физике. М.: Госиздат, физ.-мат. лит., 1962, 336 с.

56. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1977, 224 с.

57. Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский Л.С. Теоретические основы электротехники. М., 1972, с.340-343.

58. Брон О.Б., Беляев B.JI., Острейко В.Н. Тепловые процессы в слоистых композиционных жидкометаллических контактах.-Известия АН Казахской ССР, серия физико-математическая3187, 1979, Депонированные тезисы докладов П Всесоюзной школы-семинара, с.24-27.

59. Брон О.Б., Беляев B.JI., Острейко В.Н. Проводимость слоистых жидкометаллических композиционных контактов. Сборник "Электромеханические преобразователи и устройства". Депонированные рукописи, № б (116), 1981, с.147.

60. Брон О.Б., Беляев B.JI., Острейко В.Н. Исследование проводимости слоистых жидкометаллических контактов. Известия высших учебных заведений. Электромеханика, № 8, 1983, с.44-48.

61. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970, с.121-130.

62. Горелик С.С., Расторгуев JI.E., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970, C.I06-III.

63. Русаков A.A. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977, 384 с.

64. Брон О.Б., Беляев B.JI. и др. Автоматический выключатель. A.C. № 691943, кл. Н 01 Н 71/46, заявл. 20.07.77,25080II, опубл. 22.06.79.

65. Брон О.Б., Беляев B.JI. и др. Индукционно-динамический выключатель постоянного тока. A.C. № 905913, кл. Н 01 Н 77/10, заявл. 18.01.79, № 2714737, опубл. 14.10.81.

66. Брон О.Б., Гусев В.И., Мессерман Н.Г., Мясникова Н.Г. Включение токов короткого замыкания, достигающих сотен килоампер. Известия высших учебных заведений, Электромеханика, № 10, 1981, с.1082-1087.66êDwi?kt н. В., /НЕЕ, TAL VI ,1927,p.I238-1240.

67. Брон О.Б. К вопросу об электродинамических силах в контактах. Электротехника, № I, 1965, с. 21-23.

68. На с^ие В. ЕШго magnetic pwèEem6 in e/?ectzica£ encftneezing,. Ox <ßо ici unùvezôiti^ ргебЪ, London: hamphtea migfaci, 1929, 506 с.

69. Тимошенко С.П. Курс сопротивления материалов. М.: Госиздат, 1928.

70. Молчанов В.Д. Многоамперные низковольтные выключатели постоянного тока. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л.: СЗПИ, 1972.

71. Брон О.Б. и др. Многоамперный выключатель. A.C. № 428710, кл. H 01 H 37/15, заявл. 29.02.72, № 1753678, опубл. 21.01.74.

72. Протокол испытаний шунтирующего выключателя ВШ-400 с воздушным охлаждением и пневматическим приводом. № 12 от12 января 1976 года, каф. Т0Э, СЗПИ, Ленинград.

73. Протокол испытаний шунтирующего выключателя ВШ-400 с композиционными жидкометаллическими контактами, № AI5-2252 от 6 апреля 1982 года, НИИ ЛПЭО "Электросила", Ленинград.

74. МегР W.; Lurxwäcktez Е. Zut Fzag,e deù EdLePmetailù&edatfa der Eiektroinduôtzie иле/ ¿chatten. Kari* ruhe T. H. , 4ЭЧ5ib. HMetaßlhcLnd6uc/i" der MetaCe$e*eeibhaft- Frank faxt, M., 1915.

75. Schenk И. The о tied ojf! en^ineetin^. experimentation Mc &RAW- HILL BOOK С0МРАЫУ, NEy yORK\ WZ, 38/p.

76. Отчет по хоздоговорной теме "Изыскание способов усовершенствования разработанных многоамперных шунтирующих выключателей", per. № 76035459, Л.: СЗПИ, 1977, с.7-38.

77. Отчет по хоздоговорной теме "Разработка и усовершенствование многоамперных шунтирующих выключателей", per. № 78032254, Л.: СЗПИ, 1980, с.55-80.

78. Фрыгин В.М. Сильноточный контактный узел коммутационного аппарата. A.C. № 775770, кл. Н 01 Н 29/00, заявл. 20.03.78, № 2592782, опубл. 31.10.80.

79. Дегтярь В.Г., Иванов A.B. Жвдкометаллический коммутационный аппарат. A.C. № 775771, кл. Н 01 Н 29/00, заявл. 22.12.78, № 2702244, опубл. 31.10.80.

80. Дельцов В.Г., Куренков С.П., Фрыгин В.В., Фрыгин В.М. Жвдкометаллический контактный узел. A.C. № 782004, кл. Н 01 Н 29/02, № 2164372, опубл. 23.11.80.