Ćwiczenie 2

2. REZYSTANCJA ZESTYKOWA
2.1. Cel i zakres ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie zagadnień związanych z rezystancją zestykową
i zależności tej rezystancji od różnych czynników.
2.2. Wiadomości podstawowe.
2.2.1.
Zestyk elektryczny.
Zestykiem elektrycznym nazywa się połączenie w torze prądowym, w którym
przepływ prądu jest możliwy dzięki dociśnięciu do siebie dwóch styków.
Ogólnie rozróżnia się zestyki łączeniowe (do wykonywania operacji łączeniowych)
i niełączeniowe (rys. 2.1). Zestyki łączeniowe są zestykami rozłącznymi zwiernymi
lub rozwiernymi. Zestyki niełączeniowe mogą być zestykami nieruchomymi,
w których styki nie zmieniają wzajemnego położenia (np. połączenia śrubowe,
spawane) albo zestykami ruchomymi, w których styki mogą się wzajemnie względem
siebie przemieszczać (połączenia obrotowe, ślizgowe, toczne). Zestyki łączeniowe
można także podzielić na zestyki proste i zespolone. Zestyk zespolony złożony jest
z zestyku podstawowego, który ma za zadanie przewodzenie prądu w warunkach
ustalonych i zestyku opalnego, na którego stykach pali się łuk elektryczny.
Zestyk
łączeniowy (rozłączny)
prosty
zespolony
niełączeniowy (nierozłączny)
ruchomy
nieruchomy
Rys. 2.1. Ogólna klasyfikacja zestyków elektrycznych.
Zestyki łączników elektroenergetycznych stanowią zwykle najbardziej obciążone
termicznie części torów prądowych i z tego względu powinny być tak zaprojektowane
i wykonane, aby w warunkach znamionowego obciążenia łącznika nie następowało
przekraczanie temperatur dopuszczalnych długotrwale, a w warunkach
zakłóceniowych (zwarcie, przeciążenie) styki nie powinny się sczepiać ani trwale
odkształcać.
2.2.2.
Materiały stykowe.
Na materiały stykowe są używane metale czyste, stopy i spieki. Najlepszymi
właściwościami wśród metali czystych charakteryzują się metale szlachetne: złoto,
srebro, platyna i pallad; natomiast spośród metali nieszlachetnych: miedź, wolfram,
molibden. Zaletami miedzi są duża konduktywność, łatwość obróbki i niska cena;
wadami: stosunkowo niska granica plastyczności i topliwości oraz skłonność do
tworzenia półprzewodzących warstw tlenków i siarczków. Wolfram i molibden
charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną i wysoką temperaturą topnienia,
ale ich wadą jest duża skłonność do utleniania powierzchni styków.
Charakterystykę materiałów stykowych i zakres ich zastosowań podano w tab. 2.1.
2.2.3.
Rezystancja zestykowa.
Wprowadzenie do toru prądowego zestyku powoduje zwiększenie rezystancji tego
toru o wartość równą rezystancji zestykowej. Składają się na nią:
- rezystancja przejścia , wywołana zagęszczeniem linii prądu w miejscach
rzeczywistej styczności powierzchni styków (rys. 2.2),
- rezystancja warstw nalotowej i adsorpcyjnej.
Rys. 2.2. Szkic ilustrujący rozpływ prądu w zestyku przez rzeczywiste punkty styczności [2.2]
Wartość rezystancji przejścia zestyku zależy od powierzchni zestyku.
Powierzchnia styku niezależnie od dokładności obróbki nie jest idealnie gładka
i rzeczywista powierzchnia może być potraktowana jako suma elementarnych
powierzchni zestyków punktowych (rys.2.3), przy czym zależy ona od rodzaju
materiału stykowego i siły docisku styków.
Tab. 2.1. Charakterystyka niektórych materiałów stykowych, wg [2.1]
Materiał
Miedź
Srebro
Złoto
Platyna
Pallad
Nikiel
Wolfram
Molibden
Srebro-miedź
(stop)
Srebro-kadm
(spiek)
Srebro-pallad
(spiek)
Właściwości
Zastosowanie
Metal tani, skłonny do tworzenia warstwy tlenków
i siarczków; wymagany duży docisk.
Wrażliwy na działanie siarki i siarczków, dość
podatny na wędrówkę materiału; łatwy do spawania;
niska temperatura topnienia; łatwy do obróbki.
Łączniki wysokiego napięcia;
wyłączniki olejowe.
Posrebrzanie styków do obwodów wysokiej częstotliwości;
teletechniczne styki dociskowe
i wtykowe; styki przekaźnikowe,
nie nadaje się na styki podlegające ścieraniu i przy dużych
prądach.
Pokrycia galwaniczne styków,
pozłacanie wtyczek, wybieraków,
styków nitowych w przekażnikach teletechnicznych.
Styki o dużej niezawodności
działania; styki przekaźników
teletechnicznych.
Styki teletechniczne; przekaźniki;
pokrycia galwaniczne.
Styki urządzeń niskiego i wysokiego napięcia.
Styki zapłonowe w silnikach
spalinowych; styki impulsowe
w wybierakach; styki opalne
w wyłącznikach; styczniki.
Chemicznie odporne; mała rezystywność przejścia;
duża stabilność rezystancji przejścia; skłonne do
upalania i zespawania styków; niewielka twardość;
duża ścieralność.
Odporna na zużycie mechaniczne i elektryczne; mała
przewodność elektryczna; odporna na upalanie i korozję; nie tworzy siarczków; bardzo droga.
Bardzo twardy i odporny na upalanie; tańszy niż
platyna.
Odporny na tworzenie się warstw nalotowych tlenkowych i siarczkowych.
Bardzo wysoka temperatura topnienia; największa
odporność na upalanie styków i spawanie; duża
trwałość;
duże utlenianie przy łączeniach, ale
dopiero po przekroczeniu temperatury 3500C;
wymagana duża siła docisku.
Skłonny do upalania mniej niż wolfram; skłonny do
utleniania bardziej niż wolfram.
Twardszy niż srebro; mniej skłonny do upalania niż
srebro; mniej łatwy do spawania; rezystancja
przejścia większa niż srebra.
Mniej skłonny do sczepiania niż srebro; sprzyja
gaszeniu łuku; odporny na wędrówki materiału;
wrażliwy na działanie siarki i związków siarki.
Materiał twardy, odporny na upalanie; powyżej
zawartości 30% Pd bardzo odporny na działanie
siarki; mniej skłonny do wędrówki materiału niż
srebro; tańszy niż platyna i pallad.
Wyłączniki wysokiego napięcia.
Łączniki krzywkowe; pierścienie
ślizgowe; styki przekaźników
przy średnich obciążeniach;
stosowany
przy
większych
narażeniach mechanicznych niż
srebro w stycznikach.
Łączniki krzywkowe; styczniki
silnie obciążone prądowo; przekaźniki prądu stałego.
Przekaźniki, wybieraki, potencjometry precyzyjne; aparatura do
pracy w wilgoci i atmosferach
przemysłowych.
a)
b)
Rys. 2.3. Model elementarnego zestyku punktowego wykorzystywanego w obliczeniach (a) oraz rozpływ
prądu w zestyku punktowym (b)
1 - przewodząca powierzchnia styczności, 2 - warstwa nalotowa, l - długość strefy zagęszczenia linii
prądu, d - średnica zestyku, rp1 - promień zastępczy (kołowej) powierzchni styczności.
Rezystancję przejścia zestyku złożonego z n jednakowych elementarnych zestyków
punktowych określa wzór
R p1
(2.1)
Rp =
n
w którym
R p1 =
ρ
2rp1
(2.2)
jest rezystancją przejścia elementarnego zestyku punktowego
gdzie
r p1 =
F
πξH B
jest promieniem zastępczej powierzchni stykowej zestyku punktowego,
ρ - rezystywność materiału styków (tab.2.2),
F - siła docisku styków (rys.2.4 i 2.5),
ξ - współczynnik uwzględniający odkształcenie sprężyste styków (tab.2.3),
HB- twardość materiału styków wg Brinella (tab.2.2)
(2.3)
Rys. 2.4. Zależność rezystancji przejścia
zestyku od siły docisku i kształtu styków.
Rys. 2.5. Ilustracja histerezy rezystancji
przejścia zestyku przy zmianach siły docisku
jako
wynik
odkształceń
plastycznych
powierzchni styków.
Tab. 2.2. Wybrane właściwości fizyczne niektórych materiałów stykowych w oparciu o [2.1]
HB
α
λC
ρ20
υt
0
µΩ·m
K-1
W/(m·K)
C
MPa
Aluminium
Al
0,02278
0,0041
222
658
250
Miedź
Cu
0,01724
0,0039
395
1083
350
Srebro
Ag
0,0162
0,0036
419
961
250
Platyna
Pt
0,10
0,0031
71
1773
250
Pallad
Pd
0,108
0,0031
71
1555
300
Nikiel
Ni
0,0723
0,0061
63
1452
700
Wolfram
W
0,055
0,0052
168
3380
3500
Molibden
Mo
0,0477
0,0048
138
2620
1250
ρ20 – rezystywność w temperaturze 200C, α – współczynnik temperaturowy rezystancji,
λC – współczynnik przewodnictwa cieplnego, υt – temperatura topnienia, HB – twardość wg Brinella
Metal
Symbol
Tab. 2.3. Wartości współczynnika odkształcenia sprężystego ξ we wzorze (2.3).
Zestyk
Punktowy
Liniowy
Powierzchniowy
ξ
1,0
0,6-0,7
0,5-0,6
Rezystancja wartw nalotowych (grubość 10-5÷10-3) jest wynikiem korozji
powierzchni styków, które pokrywają się tlenkami metali oraz ich zabrudzenia.
W przypadku metali nieszlachetnych rezystywność tlenków jest wielokrotnie większa
od rezystywności czystego metalu.
Rezystancja warstw nalotowych (rys. 2.6) jest określona następującymi wzorami:
- zestyku punktowego
Rnal = ρ nal
-
2δ nal
πrp2
(2.4)
zestyku wielopunktowego
Rnal =
2δ
1
ρ nal nal
n
πrp2
(2.5)
w których: ρnal – rezystywność warstwy nalotowej, δnal – grubość warstwy nalotowej,
rp – promień zastępczy (kołowej) powierzchni styczności, n – liczba punktów
styczności.
Rys. 2.6. Rezystancja warstw nalotowych: a) w zestyku punktowym, b) w zestyku wielopunktowym
(powierzchniowym), rp – promień zastępczej (kołowej) powierzchni styczności, δnal – grubość warstwy
nalotowej.
Rezystancja warstwy adsorpcyjnej (grubość (1÷2)·10-6) jest spowodowana
występowaniem warstwy gazów związanych z powierzchnią styków.
W praktyce wartość rezystancji zestykowej dowolnego zestyku można wyznaczyć
z empirycznego wzoru uwzględniającego również rezystancję przeciętnych warstw
nalotowych
c⋅ρ
(2.6)
RZ = m
F
w którym: c – stała zależna od materiału styków (tab. 2.4), ρ – rezystywność materiału
styków, F – siła docisku styków, m – stała zależna od kształtu zestyku (tab. 2.5).
Tab. 2.4. Przykładowe wartości iloczynu c·ρ we wzorze (2.6).
c·ρ
mΩ·Nm
Materiał styków
Miedź
Aluminium
Mosiądz
Stal
0,08-0,14
0,13
0,67
7,5
Tab. 2.5. Wartości stałej potęgowej m. we wzorze (2.6).
Zestyk
m
Punktowy
Liniowy
Powierzchniowy
0,5
0,67
1,0
Wartość rezystancji przejścia zależy od temperatury styków. W miarę wzrostu
temperatury zestyku następuje mięknięcie, z przy dalszym jej wzroście topienie
materiału stykowego. Wzrostowi temperatury towarzyszy wzrost spadku napięcia na
Rys. 2.7. Charakterystyka doświadczalna
zależności rezystancji przejścia zestyku od
spadku napięcia na zestyku: ∆Upm, ∆Upt – spadek
napięcia przy temperaturze mięknięcia i topnienia
materiału stykowego.
zestyku (rys. 2.7), mierzonego w odległości pełnego wyrównania się linii prądu
w zestyku (rys. 2.3b). Wartości liczbowe spadku napięcia na zestyku odpowiadające
temperaturze mięknięcia materiału stykowego (tab. 2.6) wykorzystuje się w przybliżonych obliczeniach wartości dopuszczalnej rezystancji przejścia zestyków łączników ze
wzoru
R pdop =
∆U pdop
I
(2.7)
w którym: ∆Updop – dopuszczalny spadek napięcia na zestyku, I – prąd znamionowy
łącznika.
Wartości dopuszczalnych spadków napięcia na zestykach przyjmuje się odpowiednio
∆U pdop = (0,1 ÷ 0,25)∆U pm
(2.8)
dla zestyków elektroenergetycznych oraz
∆U pdop = (0,5 ÷ 0,8)∆U pm
(2.9)
dla zestyków przekaźnikowych
gdzie: ∆Upm – spadek napięcia odpowiadający temperaturze mięknięcia materiału
stykowego (tab. 2.6).
Tab. 2.6. Temperatura mięknięcia i topnienia wybranych materiałów stykowych oraz odpowiadające
im wartości spadków napięć na zestykach wg [2.1] i [2.2].
Symbol
Materiał
Aluminium
Żelazo
Nikiel
Miedź
Srebro
Wolfram
Platyna
Molibden
Al.
Fe
Ni
Cu
Ag
W
Pt
Mo
Mięknięcie
Τm. , [0C]
∆Upm, , [V]
150
0,10
500
0,21
520
0,22
190
0,12
150
0,09
1000
0,40
100
0,25
800
0,25
Topnienie
Τt , [0C]
∆Upt, , [V]
658
0,30
1528
0,60
1452
0,65
1083
0,43
961
0,35
3380
1,00
1773
0,70
2620
0,75
2.3. Niezbędne przygotowanie studenta
Student powinien zaznajomić się z treścią rozdz. 5.2 pracy [2.2] oraz z metodami
pomiarów małych rezystancji.
2.4. Opis stanowiska laboratoryjnego
Pomiary rezystancji zestykowej wykonywane są na specjalnym stanowisku
badawczym (rys. 2.8) wyposażonym w komplet wymiennych zestyków punktowych,
liniowych i powierzchniowych wykonanych z miedzi, mosiądzu i stali. Konstrukcja
stanowiska umożliwia zmianę siły docisku styków w zakresie od 7 do 93 N poprzez
zmianę ilości odważników o masie 1,25 kg każdy, obciążających zestyki (tab.2.7).
1
2
3
4
5
7
6
Rys. 2.8. Stanowisko laboratoryjne do badania rezystancji zestykowej: 1 – tarcza tekstolitowa na
odważniki, 2 – obudowa stanowiska, 3 – tuleja mosiężna zewnętrzna, 4 – pręt z wymiennym stykiem
ruchomym, 5 – mocowanie styku nieruchomego , 6 – gniazdo BNC do podłączenia miliwoltomierza,
7 – zaciski prądowe.
Na rys. 2.9 przedstawiono schemat zasilania stanowiska badawczego.
TW1500
A
F
I
220V~
mV
Rys. 2.9. Schemat zasilania stanowiska do badania rezystancji zestykowej.
Tabela 2.7. Zależność między siłą docisku zestyków a ilością odważników.
Ilość odważników
0
1
2
3
4
5
6
7
M
[kg]
0,7
1,95
3,2
4,45
5,7
6,95
8,2
9,45
F
[N]
6,867
19,1295
31,392
43,6545
55,917
68,1795
80,442
92,7045
~F
[N]
7
19
31
44
56
68
80
93
2.5. Program ćwiczenia
1. Pomiar zależności rezystancji zestykowej od siły docisku zestyków dla siły
rosnącej i malejącej. Badania wykonać w układzie przedstawionym na rys. 2.9. dla
zestyków miedzianych, mosiężnych i stalowych o różnych kształtach. Pomiary
wykonać dla prądu obciążenia I=20 A i I=50 A. Siłę docisku zmieniać w granicach od
7 do 93 N (Tab.2.7).
2. Pomiar zależności rezystancji zestykowej wybranych zestyków od wartości prądu.
Badania przeprowadzić dla minimalnej i maksymalnej siły docisku styków przy
zmianie wartości prądu w zakresie 0 do 80A dla styków miedzianych i mosiężnych
oraz od 0 do 60A dla styków stalowych.
2.6. Opracowanie wyników badań
1. Zestawić w tabelach wyniki pomiarów zależności rezystancji zestykowej od siły
docisku zestyków dla siły rosnącej i malejącej. Wykreślić charakterystyki w sposób
umożliwiający pokazanie wpływu kształtu i materiału stykowego na wartość
rezystancji zestykowej.
2. Na podstawie zależności 2.6 obliczyć wartości teoretyczne rezystancji i porównać
z wartościami uzyskanymi z pomiarów.
3. Zestawić w tabelach i przedstawić w formie charakterystyk wyniki pomiarów
zależności rezystancji zestykowej od wartości prądu.
4. Porównać otrzymane z pomiarów spadki napięć z dopuszczalnymi spadkami
napięć przy założeniu, że badane próbki będą użyte jako styki w łącznikach
elektroenergetycznych o określonym prądzie znamionowym.
2.7. Literatura
[2.1] Poradnik inżyniera elektryka. Tom 2. WNT, Warszawa 1995.
[2.2] Markiewicz H.; Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 2001