| Piotr BORKOWSKI EROZJA ŁUKOWA STYKÓW ŁĄCZNIKÓW ELEKTRYCZNYCH
|
 |
W obwodach elektrycznych w energetyce i automatyce przemysłowej, górnictwie i hutnictwie, na kolei i okrętach, w budynkach bytowo-komunalnych niezbędnymi i szczególnie ważkimi dla realizowania przewidzianych dla nich celów (doprowadzenie energii elektrycznej przez załączenie i wyłączenie prądu) są łączniki elektryczne manewrowane przepływem energii elektrycznej. Wśród nich najszersze zastosowanie znajdują rozłączniki, a szczególnie styczniki elektryczne, w których funkcje przerywania i zamykania obwodu elektrycznego realizowane są poprzez zestyki łączeniowe, tj. współpracujące ze sobą dwa lub więcej styki, z których przynajmniej jeden jest stykiem ruchomym.
Jednym z głównych elementów rozłącznika są styki łączeniowe. Od ich jakości i poprawnego działania w łączniku w różnych warunkach pracy, a szczególnie w stanach przeciążeniowych obwodu, zależy niezawodność funkcjonowania układów elektroenergetycznych i szeroko rozumianej automatyki.
Na pracę łączników zestykowych, na ich zdolność łączeniową, trwałość i niezawodność działania, decydujący wpływ ma łuk łączeniowy pojawiający się w zestykach podczas wykonywania czynności łączeniowych, którego szkodliwym efektem jest m.in. erozja styków. Erozja styków jest skutkiem wielu zjawisk cieplnych zachodzących w układzie zestyku z łukiem podczas procesów łączenia prądu w obwodzie elektrycznym. Rozpoczyna się ona już w czasie bezpośrednio poprzedzającym otwarcie zestyku (erozja mostkowa) i występowania łuku (erozja łukowa) i trwa w niektórych przypadkach również po zgaszeniu łuku łączeniowego (erozja połukowa). W przypadku łączników elektroenergetycznych decydujące znaczenie dla trwałości łączeniowej styków ma erozja łukowa i ona jest przedmiotem pracy.
W czasie pracy łącznika w stanach ustalonych i przejściowych w zestykach występują różnorodne zjawiska fizyczne, chemiczne i elektromechaniczne, które determinują jego parametry znamionowe. Zestyki muszą być odporne na takie zjawiska, jak: nagrzewanie i wzrost temperatury, prowadzące do starzenia izolacji (ograniczenie żywotności łącznika), sczepienia styków, na wspomniane wyżej zużywanie styków pod wpływem działania łuku elektrycznego (erozja łukowa), ścieranie mechaniczne, utlenianie i korozję elektromechaniczną i inne. Stąd kapitalne znaczenie ma jakość materiału, z którego wykonane są styki lub tylko ich fragmenty robocze (nakładki i nity stykowe).
Określane przez producenta parametry znamionowe łącznika elektrycznego dotyczą przewidywanych warunków pracy łącznika. W eksploatacji łączników jednak często występują warunki obwodowe i środowiskowe odbiegające (niekiedy znacznie) od tych, dla których podano w informacji technicznej (katalogu) parametry jako znamionowe. Projektant obwodów elektrycznych jest zmuszony podejmować samodzielnie decyzję, jaki zastosować łącznik, aby uzyskać dużą jego niezawodność w warunkach, w których będzie pracował. Nie jest to łatwa decyzja, wymaga dużej wiedzy i doświadczenia zawodowego.
Spełnienie różnorodnych wymagań stawianych przez konstruktorów łączników elektrycznych jest praktycznie niemożliwe przy zastosowaniu podstawowych materiałów stykowych, typu miedź czy srebro. Wprawdzie srebro charakteryzuje się największą przewodnością elektryczną, cieplną i pojemnością cieplną, ale niska temperatura topnienia i wrzenia powodują małą odporność na działanie łuku elektrycznego. Z kolei takie metale, jak wolfram i molibden odznaczają się wysoką temperaturą topnienia i wrzenia, są odporne na działanie łuku elektrycznego, ale mają małą przewodnością elektryczną. Stąd od wielu lat znalazły w praktyce zastosowanie materiały kompozytowe na bazie srebra typu Ag-Me (AgW, AgMo, AgNi, CuW, CuMo) bez i z małymi procentowymi dodatkami innych metali. Szerokie zastosowanie znalazły również kompozyty typu srebro-tlenek metalu Ag-MeO (AgCdO, AgSnO2, AgFe2O3). Największe znaczenie techniczne w łącznikach stosowanych w obwodach o dużych prądach zwarciowych mają kompozyty srebrowolfram (AgW) i srebro-węglik wolframu (AgWC) oraz ich pochodne tworzone poprzez modyfikowanie innymi metalami lub węglem. Szczególne znaczenie dla pewnych rodzajów łączników mają kompozyty typu AgC (duża odporność na sczepianie). Cechą charakterystyczną kompozytów srebro-węgiel jest duża zależność właściwości elektrycznych od sposobu wykonywania. Tutaj są duże możliwości rozwiązań technologicznych i w tym zakresie prowadzone są ciągle badania przez największych producentów styków.
W aparatach łączeniowych niskiego napięcia do podstawowych zastosowań (praca manewrowa), gdzie wymaga się dużej odporności na erozję łukową przy wyłączaniu dużych prądów stosowane są obecnie powszechnie materiały kompozytowe typu srebro-metal i srebro-tlenek metalu o zawartości procentowej 90% Ag. W wyłącznikach niskonapięciowych przemysłowych i instalacyjnych, najlepiej zdają egzamin materiały kompozytowe typu wolfram-srebro o zawartości (25-60) % Ag i strukturze szkieletowej.
Wymagania stawiane przez użytkowników łączników producentom materiałów stykowych są bardzo różnorodne i stale wzrastają, co powoduje konieczność stałego prowadzenia badań i prac rozwojowych w inżynierii materiałowej. Ponieważ jest to problematyka interdyscyplinarna, szczególnego znaczenia nabiera współpraca z ośrodkami naukowo-badawczymi zajmującymi się łącznikami (aparatami) elektrycznymi, szczególnie z ośrodkami, które mają doświadczenie
i dysponują możliwościami badawczymi w zakresie określania właściwości elektrycznych materiałów stykowych. Instytut (obecnie Katedra) Aparatów Elektrycznych PŁ zajmuje się problematyką badań właściwości styków od wielu lat. Wynikiem tego są funkcjonujące stanowiska probiercze, jedyne w kraju, do badań porównawczych i oceny właściwości łączeniowych materiałów stykowych w warunkach modelowych.
Problem jakościowego i ilościowego ujęcia erozji w zestykach przy wyłączaniu prądów roboczych i zwarciowych, typowych dla niskonapięciowych wyłączników, nie został dotychczas dostatecznie poznany i teoretycznie opracowany. Na obecnym etapie znajomości tego problemu trudno jest w pełni określić ilościowy i jakościowy wpływ wszystkich wielkości fizycznych i czynników wpływających na erozję styków w łącznikach. Dlatego też w tej monografii, obok prezentacji i analizy wyników badań różnych autorów, podane zostały badania własne stwarzające podstawy do coraz lepszych, bardziej świadomych poczynań w zakresie konstrukcji łączników, opracowywaniu i badaniach nowych materiałów stykowych.
Monografia przedstawia kompleksowe opracowanie w szerokim zakresie prądów zjawiska erozji łukowej styków łączników elektrycznych zarówno w oparciu o analizę danych literaturowych, jak i badania własne autora.
Przeprowadzono analizę wybranych zjawisk w stopie łuku elektrycznego, zaprezentowano teoretyczne modele cieplne łuku elektrycznego oraz sposoby oszacowania energetycznych spadków napięć na stykach i sposoby określania charakterystyk napięcia łuku krótkiego. Zostały zaprezentowane również modele fizyczne i matematyczne erozji styków oraz erozja styków w różnych stanach fizycznych materiału.
Na bazie modeli fizycznych, cieplnych i matematycznych zaproponowano matematyczny model cieplnego łuku krótkiego. Model ten wykorzystuje bryły geometryczne o skoncentrowanych źródłach ciepła i jest określony równaniami opisującymi moce dostarczane do anody i katody. Zaproponowane geometryczne modele cieplne łuku krótkiego palącego się między stykami pozwalają na symulacje komputerową zmiennej w czasie mocy cieplnej dostarczonej do styków oraz określenie relacji pomiędzy mocą cieplną dostarczoną do anody i do katody. Jest to pierwsze opracowanie
matematyczne z tego zakresu.
W pracy zaproponowano także modelowanie erozji styków za pomocą komputerowej symulacji i analizy procesu nagrzewania, topienia i parowania materiału styków. Zostało zaproponowane nowe podejście do obliczania ubytku masy styków wykorzystujące dwa sposoby jej obliczania:
Opisany, w ostatnim rozdziale, mechanizm erozji styków z materiałów kompozytowych srebrowolfram zwiększa możliwości technologów materiałów stykowych w zakresie świadomego i celowego doboru składu kompozytu i jego struktury, a w konsekwencji również technologii wytwarzania tego kompozytu, jako materiału stykowego dla łączników o określonych zastosowaniach i specyficznych warunkach pracy. Takie materiały stykowe dają możliwość konstruowania aparatów elektrycznych o lepszych właściwościach użytkowych, zwiększenia prądów ciągłych i zwarciowych oraz trwałości łączeniowej. Uzyskane wyniki analizy i badań pozwalają lepiej zrozumieć złożone zjawiska erozji.
Monografia może być wykorzystana przez pracowników naukowych, studentów oraz inżynierów zajmujących się analizą, projektowaniem badaniem i eksploatacją łączników elektrycznych wyposażonych w układ zestykowy. Tematyka monografii ma zarówno duże znaczenie naukowe, jak i aplikacyjne dla konstruktorów łączników i producentów materiałów stykowych, jak również dla umożliwienia racjonalnej eksploatacji łączników, a tym samym zwiększenia niezawodności obwodów, w których zostały zastosowane. Monografia będzie użyteczna również dla dydaktyki akademickiej.
Jednym z głównych elementów rozłącznika są styki łączeniowe. Od ich jakości i poprawnego działania w łączniku w różnych warunkach pracy, a szczególnie w stanach przeciążeniowych obwodu, zależy niezawodność funkcjonowania układów elektroenergetycznych i szeroko rozumianej automatyki.
Na pracę łączników zestykowych, na ich zdolność łączeniową, trwałość i niezawodność działania, decydujący wpływ ma łuk łączeniowy pojawiający się w zestykach podczas wykonywania czynności łączeniowych, którego szkodliwym efektem jest m.in. erozja styków. Erozja styków jest skutkiem wielu zjawisk cieplnych zachodzących w układzie zestyku z łukiem podczas procesów łączenia prądu w obwodzie elektrycznym. Rozpoczyna się ona już w czasie bezpośrednio poprzedzającym otwarcie zestyku (erozja mostkowa) i występowania łuku (erozja łukowa) i trwa w niektórych przypadkach również po zgaszeniu łuku łączeniowego (erozja połukowa). W przypadku łączników elektroenergetycznych decydujące znaczenie dla trwałości łączeniowej styków ma erozja łukowa i ona jest przedmiotem pracy.
W czasie pracy łącznika w stanach ustalonych i przejściowych w zestykach występują różnorodne zjawiska fizyczne, chemiczne i elektromechaniczne, które determinują jego parametry znamionowe. Zestyki muszą być odporne na takie zjawiska, jak: nagrzewanie i wzrost temperatury, prowadzące do starzenia izolacji (ograniczenie żywotności łącznika), sczepienia styków, na wspomniane wyżej zużywanie styków pod wpływem działania łuku elektrycznego (erozja łukowa), ścieranie mechaniczne, utlenianie i korozję elektromechaniczną i inne. Stąd kapitalne znaczenie ma jakość materiału, z którego wykonane są styki lub tylko ich fragmenty robocze (nakładki i nity stykowe).
Określane przez producenta parametry znamionowe łącznika elektrycznego dotyczą przewidywanych warunków pracy łącznika. W eksploatacji łączników jednak często występują warunki obwodowe i środowiskowe odbiegające (niekiedy znacznie) od tych, dla których podano w informacji technicznej (katalogu) parametry jako znamionowe. Projektant obwodów elektrycznych jest zmuszony podejmować samodzielnie decyzję, jaki zastosować łącznik, aby uzyskać dużą jego niezawodność w warunkach, w których będzie pracował. Nie jest to łatwa decyzja, wymaga dużej wiedzy i doświadczenia zawodowego.
Spełnienie różnorodnych wymagań stawianych przez konstruktorów łączników elektrycznych jest praktycznie niemożliwe przy zastosowaniu podstawowych materiałów stykowych, typu miedź czy srebro. Wprawdzie srebro charakteryzuje się największą przewodnością elektryczną, cieplną i pojemnością cieplną, ale niska temperatura topnienia i wrzenia powodują małą odporność na działanie łuku elektrycznego. Z kolei takie metale, jak wolfram i molibden odznaczają się wysoką temperaturą topnienia i wrzenia, są odporne na działanie łuku elektrycznego, ale mają małą przewodnością elektryczną. Stąd od wielu lat znalazły w praktyce zastosowanie materiały kompozytowe na bazie srebra typu Ag-Me (AgW, AgMo, AgNi, CuW, CuMo) bez i z małymi procentowymi dodatkami innych metali. Szerokie zastosowanie znalazły również kompozyty typu srebro-tlenek metalu Ag-MeO (AgCdO, AgSnO2, AgFe2O3). Największe znaczenie techniczne w łącznikach stosowanych w obwodach o dużych prądach zwarciowych mają kompozyty srebrowolfram (AgW) i srebro-węglik wolframu (AgWC) oraz ich pochodne tworzone poprzez modyfikowanie innymi metalami lub węglem. Szczególne znaczenie dla pewnych rodzajów łączników mają kompozyty typu AgC (duża odporność na sczepianie). Cechą charakterystyczną kompozytów srebro-węgiel jest duża zależność właściwości elektrycznych od sposobu wykonywania. Tutaj są duże możliwości rozwiązań technologicznych i w tym zakresie prowadzone są ciągle badania przez największych producentów styków.
W aparatach łączeniowych niskiego napięcia do podstawowych zastosowań (praca manewrowa), gdzie wymaga się dużej odporności na erozję łukową przy wyłączaniu dużych prądów stosowane są obecnie powszechnie materiały kompozytowe typu srebro-metal i srebro-tlenek metalu o zawartości procentowej 90% Ag. W wyłącznikach niskonapięciowych przemysłowych i instalacyjnych, najlepiej zdają egzamin materiały kompozytowe typu wolfram-srebro o zawartości (25-60) % Ag i strukturze szkieletowej.
Wymagania stawiane przez użytkowników łączników producentom materiałów stykowych są bardzo różnorodne i stale wzrastają, co powoduje konieczność stałego prowadzenia badań i prac rozwojowych w inżynierii materiałowej. Ponieważ jest to problematyka interdyscyplinarna, szczególnego znaczenia nabiera współpraca z ośrodkami naukowo-badawczymi zajmującymi się łącznikami (aparatami) elektrycznymi, szczególnie z ośrodkami, które mają doświadczenie
i dysponują możliwościami badawczymi w zakresie określania właściwości elektrycznych materiałów stykowych. Instytut (obecnie Katedra) Aparatów Elektrycznych PŁ zajmuje się problematyką badań właściwości styków od wielu lat. Wynikiem tego są funkcjonujące stanowiska probiercze, jedyne w kraju, do badań porównawczych i oceny właściwości łączeniowych materiałów stykowych w warunkach modelowych.
Problem jakościowego i ilościowego ujęcia erozji w zestykach przy wyłączaniu prądów roboczych i zwarciowych, typowych dla niskonapięciowych wyłączników, nie został dotychczas dostatecznie poznany i teoretycznie opracowany. Na obecnym etapie znajomości tego problemu trudno jest w pełni określić ilościowy i jakościowy wpływ wszystkich wielkości fizycznych i czynników wpływających na erozję styków w łącznikach. Dlatego też w tej monografii, obok prezentacji i analizy wyników badań różnych autorów, podane zostały badania własne stwarzające podstawy do coraz lepszych, bardziej świadomych poczynań w zakresie konstrukcji łączników, opracowywaniu i badaniach nowych materiałów stykowych.
Monografia przedstawia kompleksowe opracowanie w szerokim zakresie prądów zjawiska erozji łukowej styków łączników elektrycznych zarówno w oparciu o analizę danych literaturowych, jak i badania własne autora.
Przeprowadzono analizę wybranych zjawisk w stopie łuku elektrycznego, zaprezentowano teoretyczne modele cieplne łuku elektrycznego oraz sposoby oszacowania energetycznych spadków napięć na stykach i sposoby określania charakterystyk napięcia łuku krótkiego. Zostały zaprezentowane również modele fizyczne i matematyczne erozji styków oraz erozja styków w różnych stanach fizycznych materiału.
Na bazie modeli fizycznych, cieplnych i matematycznych zaproponowano matematyczny model cieplnego łuku krótkiego. Model ten wykorzystuje bryły geometryczne o skoncentrowanych źródłach ciepła i jest określony równaniami opisującymi moce dostarczane do anody i katody. Zaproponowane geometryczne modele cieplne łuku krótkiego palącego się między stykami pozwalają na symulacje komputerową zmiennej w czasie mocy cieplnej dostarczonej do styków oraz określenie relacji pomiędzy mocą cieplną dostarczoną do anody i do katody. Jest to pierwsze opracowanie
matematyczne z tego zakresu.
W pracy zaproponowano także modelowanie erozji styków za pomocą komputerowej symulacji i analizy procesu nagrzewania, topienia i parowania materiału styków. Zostało zaproponowane nowe podejście do obliczania ubytku masy styków wykorzystujące dwa sposoby jej obliczania:
- obliczanie ubytku masy styków przy zastosowaniu pakietu ANSYS, na podstawie analizy rozkładu pola temperaturowego zmiennego w czasie i przestrzeni, wytworzonego wymuszeniem cieplnym przez łuk w zestyku oraz
- obliczanie na podstawie programu komputerowego UMS (Ubytku Masy Styku), pozwalającego na ilościową analizę ubytku masy elektrod. Moduł wnioskowania zawarty w programie UMS prezentuje użytkownikowi rozwiązania do oceny ich przydatności. Użytkownik może odrzucić rozwiązanie oferowane przez program i zażądać innego, właściwego do zadanych warunków na wejściu.
Opisany, w ostatnim rozdziale, mechanizm erozji styków z materiałów kompozytowych srebrowolfram zwiększa możliwości technologów materiałów stykowych w zakresie świadomego i celowego doboru składu kompozytu i jego struktury, a w konsekwencji również technologii wytwarzania tego kompozytu, jako materiału stykowego dla łączników o określonych zastosowaniach i specyficznych warunkach pracy. Takie materiały stykowe dają możliwość konstruowania aparatów elektrycznych o lepszych właściwościach użytkowych, zwiększenia prądów ciągłych i zwarciowych oraz trwałości łączeniowej. Uzyskane wyniki analizy i badań pozwalają lepiej zrozumieć złożone zjawiska erozji.
Monografia może być wykorzystana przez pracowników naukowych, studentów oraz inżynierów zajmujących się analizą, projektowaniem badaniem i eksploatacją łączników elektrycznych wyposażonych w układ zestykowy. Tematyka monografii ma zarówno duże znaczenie naukowe, jak i aplikacyjne dla konstruktorów łączników i producentów materiałów stykowych, jak również dla umożliwienia racjonalnej eksploatacji łączników, a tym samym zwiększenia niezawodności obwodów, w których zostały zastosowane. Monografia będzie użyteczna również dla dydaktyki akademickiej.