Reduction of electrical energy losses in the high-current connections with plastic electroconductive materials

Full Text

В настоящее время в крупных технологических установках используются многоамперные токопроводы, которые выполняются, как правило, с использованием медных или алюминиевых шин. Соединения шин между собой осуществляются либо сваркой, в результате чего получается неразборная контактная конструкция, либо с помощью болтовых соединений, которые позволяют значительно проще выполнять работы по ремонту и обслуживанию токопроводов. В процессе эксплуатации таких контактных соединений в энергоемких технологических установках химической, металлургической промышленности в условиях повышенных температур и агрессивной среды происходит их старение за счет окисления контактирующих поверхностей, что приводит к повышению сопротивления контактного перехода [1]. Наиболее распространенными методами повышения надежности контактных соединений в настоящее время являются лужение поверхности контактного перехода, плакирование контактной поверхности, покрытие поверхности контакта различными порошками путем напыления. Лужение является наиболее распространенным способом защиты контактной поверхности от окисления под воздействием внешней среды. Лужению подвергаются как медные, так и алюминиевые шины. Помимо того, что процесс лужения требует дополнительных трудозатрат и наличия специального оборудования, отрицательным моментом является то, что после лужения контактное переходное сопротивление как медных, так и алюминиевых шин существенно увеличивается. Плакирование алюминиевых шин медным покрытием существенно снижает контактное сопротивление. Но в условиях агрессивной химической среды, например в цехах хлорного производства, плакированная поверхность часто отслаивается, что влечет за собой катастрофическое ухудшение контактного перехода. Напыление на контактные переходы алюминиевых шин медного порошка позволяет снизить переходное сопротивление и поддерживать его длительное время в стабильном состоянии. Существенным недостатком напыления является высокая стоимость этой процедуры [2]. Одним из способов снижение потерь электрической энергии является использование электропроводящих смазок, когда между твердометаллическими контактирующими поверхностями помещается промежуточный электропроводный материал, который позволяет значительно увеличить площадь контактирования и тем самым снизить сопротивление контактного перехода [3, 4]. Известен электропроводный композиционный углеродосодержащий материал на основе малопроводящего материала, смешанного с электропроводной углеродной добавкой (А.С. № 2398312, 2008 г.). Но использование этого материала возможно только на малых токах и только при добавлении определенной электропроводной углеродной добавки. Известна пластичная смазка ЦИАТИМ-221 (ГОСТ 9433-80) на основе полиоргансилоксановой жидкости 132-25, загущенной кальциевым мылом стеариновой кислоты с добавлением церезина-80 и пакета присадок. Недостаток этого материала заключается в том, что его трибометрические свойства очень низкие, недостаточен температурный предел работоспособности (+150 °C). При его использовании в сильноточных контактных соединениях в условиях агрессивной среды и повышенной влажности со временем происходит окисление материала и пригорание контактных поверхностей, что приводит к повышению сопротивления контактного соединения и изменению его физико-химических свойств. Техническим результатом исследуемого материала является повышение долговечности, термостойкости материала, улучшение его электропроводных свойств. Технический результат достигается тем, что, используя материал на основе полиоргансилоксановой жидкости 132-25, загущенной кальциевым мылом стеариновой кислоты с добавлением церезина-80 и пакета присадок в качестве основы, в него добавляют интерметаллид FeGa4, затем в полученную смесь вводят эвтектический сплав «галлий – индий – олово», а после перемешивания с порошком железным распыленным – химический и гранулометрический составы, средний размер частиц которых колеблется от 20 до 400 мкм, содержание основного металла не ниже 98...99 %, а насыпная плотность равна 2,3...2,9 г/см, общее соотношение исходного и добавленного материалов: 60 % – исходного, 40 % – добавленного Для создания пластичного электропроводного материала используют интерметаллид FeGa4, количественное содержание металла и галлия в котором определяется по формулам: где βFe, βGa – процентное содержание в интерметаллическом порошке железа и галлия; γFe, γGa – атомные веса железа и галлия. Коррозия стали в галлий-индиевом расплаве сопровождается образованием бинарного галлида FeGa4 с объемноцентрированной кубической решеткой. На диаграмме состояния Fe–Ga в области с относительно небольшим содержанием галлия в зависимости от термической обработки может существовать несколько фаз (5...6). Общее соотношение в полученном электропроводном материале: 60 % – исходного, 40 % – добавленного материала. Полученный пластичный электропроводный материал наносится на контактирующие поверхности со средней толщиной 0,2 мм. Проведены стендовые испытания модуля контактного соединения в условиях хлорного производства при диапазоне температур 100...250 °С. Средние значения падений напряжения по результатам 500 измерений в течение трехлетней эксплуатации для контактов размером 0,05×0,1 м и током 2 кА равны 45 мВ для площадок «медь – медь» и 64 мВ для площадок «медь – сталь». Стендовые испытания модуля контактного соединения электролизера с током нагрузки 1Н = 3000 А показали падение напряжения на контактном соединении с применением материала ЦИАТИМ-221, которое составило 18,3·10-3 В, что соответствует переходному сопротивлению Rд = 6,1·10-6 Ом; после применения полученного электропроводного пластичного материала в контактном соединении падение напряжения составило 12,3·10-3 В, что соответствует переходному сопротивлению Rд = 4,1·10-6 Ом. Испытания показали, что при нормальной температуре переходные сопротивления болтовых медных контактов с использованием пластичного электропроводного материала близки к переходным сопротивлениям сварных контактов. Введение полученного материала в межконтактный промежуток болтовых соединений снижает переходное сопротивление в 2...4 раза. При тех же условиях снижение переходного сопротивления в паре «сталь – графит» наблюдалось в 10 раз. Таким образом, по результатам проведенных экспериментов было выявлено, что использование материала на основе полиоргансилоксановой жидкости 132-25, загущенной кальциевым мылом стеариновой кислоты с добавлением церезина-80 и пакета присадок в качестве основы, добавление в него интерметаллида FeGa4, и эвтектического сплава «галлий – индий – олово», перемешивание с порошком железным распыленным с общим соотношением исходного и добавленного материалов: 60 % – исходного, 40 % – добавленного позволяют снизить сопротивление сильноточных контактных соединений до 25– 30 %. Таким образом, использование данного материала в межконтактных промежутках болтовых соединений позволяет существенно снизить переходное сопротивление в контактной паре «медь – медь» и «медь – сталь». Также испытания показали, что зависимость величины переходного сопротивления от плотности токопроводящей смазки и величины затяжки болтов выражается соотношением , где γсм – плотность токопроводящей смазки, кг/м3; Мзат – величина крутящего момента при затяжке болтов контактного соединения, Н∙м.

About the authors

Alexander A Kazantzev

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Igor A Kosorlukov

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
Postgraduate student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files