Urządzenia

Urządzenia

elektryczne

elektryczne

4 marca 2008 roku

4 marca 2008 roku

Wykład nr 3

Wykład nr 3

Zestyki elektryczne

Zestyki elektryczne

Zakres tematyczny

Zakres tematyczny



Podział zestyków



Rezystancja zestykowa



Nagrzewanie zestyków



Obciążalność zwarciowa zestyków



Odskoki sprężyste



Materiały stykowe



Typowe konstrukcje zestyków

3

Podział zestyków

Podział zestyków

Zestykiem nazywamy część toru prądowego, w którym przepływ
prądu jest możliwy dzięki styczności dwóch przewodników,
zwanych stykami.

Zestyki można podzielić ze względu na:

1.

Rodzaj pracy



nierozłączne



rozłączne

2.

Kształt powierzchni styczności



Powierzchniowe



Liniowe



Punktowe

3.

Sposób wykonania (budowę)



Szczękowe



Palcowe



Szczotkowe



Wieńcowe



itp.

4

Podział zestyków

Podział zestyków

5

Zestyki

zespolone

proste

Rozłączne

(bezłukowe,

łukowe)

zwierne

rozwierne

Nierozłączne

ruchome

nieruchome

Klasyfikacja zestyków ze względu na rodzaj pracy

Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa

Rezystancją zestykową nazywamy dodatkową rezystancję wynikającą
z wprowadzenia zestyku do toru prądowego. Składa się ona z rezystancji:

1.

Przejścia (kształtu) R

p

wywołanej zagęszczeniem linii prądu w miejscu

rzeczywistej styczności powierzchni styków

2.

Warstwy nalotowej i adsorbcyjnej R

nal

w skład której wchodzi warstwa

gazu adsorbowanego na powierzchni styczności oraz warstwa korozyjna
związków chemicznych materiału styku z gazem otaczającego środowiska

R

z

= R

p

+ R

nal

6

Powierzchnia zestyku

z mikronierównościami

Mikrostruktura zestyku

(powierzchni styczności)

Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa

Rezystancja przejścia dla jednego 1-punktowego

styku:

Jeżeli

Rezystancja przejścia zestyku

a dla zestyku wielopunktowego

Promień powierzchni styczności:



Dla odkształceń sprężystych



Dla odkształceń plastycznych

7

Model zestyku

do obliczania

rezystancji przejścia











 















b

a

r

dr

r

dr

R

r

dr

dR

b

a

b

a

p

p

1

1

2

2

2

2

2

2

2

















a

R

b

a

p





2







a

a

R

R

p

p

2

2

'













a

n

a

n

R

p

2

''















3

9

0

b

E

F

,

a 



F

a 

Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa

Gdzie:

 - dopuszczalne naprężenia odkształceń plastycznych [Pa]
K

d

– naprężenia na powierzchni styczności [Pa]

Jeżeli

K

d

> 

- odkształcenia plastyczne

K

d

< 

- odkształcenia sprężyste

Ostatecznie:

- dla odkształceń sprężystych

- dla odkształceń plastycznych

Rezystancja warstw nalotowych:

lub

8

2

a

F

K

d





3

8

1

Fb

E

n

,

R

p





F

n

R

p





2



2

2

a

S

R

nal

nal

nal







2

2

1

a

S

n

R

nal

nal

nal







Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa

W ogólnym przypadku można przyjąć, że:
gdzie:

m – współ. zależny od kształtu powierzchni styczności

(m = 0,5

- styki punktowe; m = 0,7 - styki liniowe; m = 1,0 - styki
powierzchniowe)
 - współ. zależny od rodzaju materiału stykowego

9

m

z

F

R





Materiał styków

  10

-2

N

m

Miedź - miedź

0,08 – 0,14

Srebro - srebro

0,06

Aluminium - aluminium

0,13

Aluminium - miedź

0,98

Mosiądz – mosiądz

0,67

Stal - stal

7,6

Stal - miedź

3,1

Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa

10

Zmiany rezystancji zestykowej

w funkcji czasu

Zmiany rezystancji zestykowej

w funkcji temperatury zestyku

Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa

11

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

0,003

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

F [N]

R

p

[

]

zestyk powierzchniowy

zestyk liniowy

zestyk punktowy

Rp = f(F) dla zestyku Al - Al

powierzchniowe

liniowe

punktowe

Nagrzewanie zestyków

Nagrzewanie zestyków

Temperatura w punkcie styczności:

gdzie:

- temperatura otoczenia

- przyrost temperatury styku

w pewnej odległości od punktu styczności
- przyrost temperatury styku
w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca
styczności
- przyrost temperatury miejsca
styczności

z

uwzględnieniem

przewężenia dla przepływu prądu

przy czym:

 - przewodność cieplna materiału

[W/mK]

12

Rozkład temperatury zestyku punktowego

w stanie cieplnie ustalonym

p

m

'

m

o

p

























o



o

'

m

'

m













'

m

m

m













m

p

p













2

I

AS

k

k

od

w

'

m











2

2

I

A

Sk

R

od

z

m











Nagrzewanie zestyków

Nagrzewanie zestyków

Przyrost temperatury w bezpośrednim punkcie styczności ( )
wyznaczamy z zależności:

Wartość prądu, która może długotrwale przepływać przez zestyk nie
powodując przekroczenia dopuszczalnego przyrostu temperatury (
) określa zależność:

gdzie

13











































8

8

8

8

2

2

2

2

z

p

z

m

p

z

z

U

U

U

d

U

d

p

m

p

m





















p





md





z

md

zd

R

Sa

I







2



S

A

k

a

od





Zależność rezystancji zestykowej
od temperatury i (lub) spadku napięcia
na zestyku.

Obciążalność zwarciowa

Obciążalność zwarciowa

zestyków

zestyków

Temperatura rzeczywistej powierzchni styczności podczas zwarcia:

Zakładając, że temperatura styku w czasie zwarcia może osiągnąć wartość

temperatury topnienia materiału styku oraz uwzględniając zależność
na R

p

, uzyskujemy zależność na wartość prądu spawania styków:

gdzie lub inaczej

Prawidłowo zaprojektowane styki powinny spełniać warunki:

1.

Praca normalna:

gdzie:

- styki elektroenergetyczne

- styki przekaźnikowe

2.

Zwarcie:

14







8

2

2

z

s

R

i



F

k

i

sp









t

k

2

6



z

t

sp

R

U

i





z

dop

N

R

U

I









zm

dop

U

,

,

U





25

0

1

0 







zm

dop

U

,

,

U





8

0

5

0 



sp

p

i

i 

Obciążalność zwarciowa

Obciążalność zwarciowa

zestyków

zestyków

Temperatury mięknięcia i topnienia materiałów oraz odpowiadające

im wartości spadków napięć na zestykach

15

Materiał

Mięknięcie

Topnienie

[

o

C]

U

zm

[V]

[

o

C]

U

zt

[V]

Aluminium
Żelazo
Nikiel
Miedź
Srebro
Wolfram
Ołów
Platyna
Molibden
Grafit

150
500
520
190
150

1000

100
540
800

-

0,10
0,21
0,22
0,12
0,09
0,40
0,07
0,25
0,25

-

658

1530
1455
1083

960

3370

232

1773

750

4700

0,30
0,60
0,65
0,43
0,35
1,00
0,13
0,70
0,75
5,00

m



t



Odskoki sprężyste

Odskoki sprężyste

zestyków

zestyków

Odskokami sprężystymi

nazywamy zjawisko występujące podczas załączania

łączników mechanizmowych, polegające na utracie styczności styków
w wyniku ich zderzenia przy znacznej prędkości styku ruchomego. Dodatkową
przyczyną odskoków jest działanie sił oddziaływania elektrodynamicznego i
ciśnienia wewnątrz-łukowego proporcjonalnych do kwadratu prądu załączanego.

Na ilość i czas trwania odskoków mają wpływ m.in. następujące czynniki:



Konstrukcja zestyku (materiał, masa i promień krzywizny powierzchni czołowej)



Przebieg i wartość prądu załączanego



Prędkość styków ruchomych w chwili pierwszego zderzenia



Odrzuty dynamiczne występujące podczas załączania prądów o dużych wartościach



Możliwość zapłonu łuku przed zetknięciem się styków (łączniki WN)

Negatywne skutki występowania odskoków:



Wielokrotne zapalenie się łuku elektrycznego, które często doprowadza do

zespolenia styków po zamknięciu



Degradacja powierzchni czołowej styków



Powstawanie przepięć łączeniowych (szczególnie w łącznikach próżniowych)

w wyniku tzw. ucięcia prądu.

16

Odskoki sprężyste

Odskoki sprężyste

zestyków

zestyków

Sposoby ograniczania odskoków:

Sposoby ograniczania odskoków:



Stosowanie znacznych sił docisku styków



Stosowanie

konstrukcji

kompensujących

oddziaływania

elektrodynamiczne



Stosowanie amortyzatorów (tłumików) gumowych, filcowych,
pneumatycznych, cieczowych lub innych oraz wykorzystanie
tarcia sprężyn stykowych celem częściowego rozproszenia
energii kinetycznej styku ruchomego



Zamykanie zestyku przy niewielkich prędkościach styków
ruchomych, co nie zawsze jest możliwe ze względu na inne
pożądane cechy łączników (krótkie czasy załączania)



Stosowanie

konstrukcji

styków

charakteryzujących

się

znacznymi bezwładnościami podtrzymującymi ruch załączania
(styki

ruchome

drążone

wypełnione

sypkim,

ciężkim

materiałem).

17

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Właściwości

jakimi

powinny

charakteryzować

się

Właściwości

jakimi

powinny

charakteryzować

się

materiały stykowe:

materiały stykowe:


Duża przewodność cieplna i elektryczna



Duża odporność na utlenianie (korozję) oraz erozje łukową

w atmosferze powietrza i innych gazów



Wysoka temperatura mięknięcia, topnienia i parowania



Znaczne wartości minimalnych prądów i napięć wyładowań

łukowych



Duża wytrzymałość mechaniczna



Dobre właściwości technologiczne pozwalające na łatwą

obróbkę różnymi technikami



Możliwie niska cena

18

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:


Metale czyste szlachetne (rod Rh, pallad Pd, złoto
Au)

–

nie tworzą chemicznych warstw nalotowych, mają dużą
rezystywność (z wyjątkiem Au) i gęstość, są drogie:



Rod

stosowany

jest

tylko

w

elektrotechnice

„słaboprądowej” do pokrywania styków z innych metali;



Pallad (jako najtańszy z nich) zastępuje często srebro na
stykach pracujących w atmosferze o dużej wilgotności i
obecności związków siarki, ale jego rezystywność jest 6,5
razy większa od rezystywności srebra;



Złoto z powodu małej twardości używane jest do
powlekania powierzchni styków zestyków nierozłącznych
(obwody drukowane, układy scalone).

19

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:


Metale czyste pospolite (srebro Ag, miedź Cu, aluminium
Al)

– charakteryzują się dużą przewodnością i tworzą

chemiczne warstwy nalotowe:



Srebro tworzy przewodzące tlenki, a źle przewodzące siarczki
rozkładają się w temperaturze powyżej 300

o

C. Z powodu niskiej

temperatury topnienia występuje duże zużycie styków przy
rozwieraniu;



Miedź jest podstawowym materiałem stykowym. Jej główną
wadą jest tworzenie się półprzewodzących i izolacyjnych warstw
nalotowych (szczególne nasilenie następuje przy temperaturach
powyżej 100

o

C). Przy stosowaniu styków miedzianych należy

zapewnić środkami konstrukcyjnymi tzw. samooczyszczanie;



Aluminium nie jest dobrym materiałem stykowym z powodu
małej twardości i pokrywania się warstwą tlenków o
własnościach izolacyjnych, trwałych również w podwyższonych
temperaturach.

20

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:


Metale czyste trudno topliwe (wolfram W, molibden
Mo,

nikiel

Ni)

–

charakteryzują

się

wysokimi

temperaturami

topnienia

i parowania (np. dla wolframu odpowiednio 3380

o

C

i 5527

o

C), dużą gęstością i twardością przy dosyć dużej

przewodności. Metale te są trudne w obróbce. W wyższych
temperaturach tworzą trwałe nieprzewodzące tlenki:



Nikiel to metal o rezystywności 4-krotnie większej od
rezystywności srebra i dużej twardości. Wykazuje silną
podatność na zespawanie.

21

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:


Materiały stykowe stopowe

– rozwiązują w wielu

przypadkach problem uzyskania materiału o dużej ilości cech
pożądanych dla danego zastosowania. Na ogół konduktywność
oraz temperatura topnienia stopu są mniejsze od średniej z
poszczególnych składników, wzrasta natomiast twardość.
Należy tutaj wyróżnić stopy:



Ag-Pd – eliminuje kłopoty z niską konduktywnością siarczków
Ag przy pracy styków w atmosferze zawierającej związki siarki;



Ag-Cu, Ag-Ni, Ag-Cd – zwiększona twardość i wytrzymałość
termiczna przy małym wzroście rezystywności;



Cu-Zn (mosiądz) – dosyć duża konduktywność (25%
konduktywności Cu) i dwukrotnie większa od Cu twardość
pozwalają na wykorzystanie mosiądzu na styki ślizgowe.

22

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:

Właściwości podstawowych materiałów stykowych:


Materiały

stykowe

spiekane

wytwarza

się

z

wykorzystaniem technologii proszków:



Ag-W – wysoka konduktywność i temperatura topnienia,
wymagane samooczyszczanie z powodu powstawania już
w temperaturze pokojowej stabilnej powierzchniowej warstwy
izolacyjnej, może pracować w oleju;



Ag-W stanowi znakomity materiał na styki opalne;



Ag-Mo i Cu-Mo - podobne właściwości z nieco mniejszą
odpornością na wytapianie łukowe;



Ag-Ni, Ag-W-C oraz Ag-Ni-C - najlepsze właściwości zarówno
z punktu widzenia odporności na wytapianie, jak i przydatności
do ciągłego przewodzenia prądów. Zawartość grafitu (C)
zwiększa odporność na sczepianie, wystarczy C  3%.

23

Materiały stykowe

Materiały stykowe

Podsumowanie:

Podsumowanie:


Miedź, stopy miedzi z cyną, cynkiem, srebrem, fosforem,
spieki miedzi z wolframem, grafitem i związkami
ceramicznymi – najlepsze właściwości



Srebro – ze względu na cenę stosowane głównie na nakładki
stykowe (pokrycie powierzchni styków wykonanych z innych
materiałów, najczęściej miedzi)



Złoto, platyna, pallad – dobre właściwości ale ze względu na
cenę stosowane wyłącznie do uszlachetniania powierzchni styków
o niewielkich prądach znamionowych



Spieki proszkowe wolframowo (60-80%) – miedziane (40-
20%)
– stosowane w wyłącznikach WN ze względu na odporność na
działanie łuku elektrycznego



Kompozycje wieloskładnikowe (miedź – wolfram, antymon –
bizmut – chrom) – stosowane w wyłącznikach próżniowych ze
względu na mniejsze skłonności do „ucinania prądu”

24

Typowe konstrukcje

Typowe konstrukcje

zestyków

zestyków

Zestyk:

a)

szczękowy

b)

palcowy

c)

szczotkowy

d)

wieńcowy

e)

rolkowy toczny

25

Typowe konstrukcje zestyków rozłącznych (a, b, c, d) oraz

nierozłącznego ruchomego (e)

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ