Zestyki w aparatach

elektrycznych

dr inż. Mirosław Pawłot

Rok akademicki –

2014/2015

U-
8

Urządzenia elektryczne

Klasyfikacja zestyków

Zestykiem nazywamy część toru prądowego, w której przepływ

prądu odbywa się dzięki umożliwiającej to styczności dwóch
styków.

Styki występują w budowie aparatów elektrycznych w postaci

złożonej (zawierające części ruchome bądź/i odejmowane)
lub prostej.

Zestyki dzielą się ogólnie na łączeniowe (do wykonywania

czynności łączeniowych: załączania, wyłączania,
przełączania) i niełączeniowe. Zestyki łączeniowe są
zestykami rozłącznymi, zestyki niełączeniowe (rozłączne lub
nierozłączne tj. połączone ze sobą w sposób trwały) dzielą
się na ruchome i nieruchome.

W konstrukcji zestyków łączników jest ważny podział zestyków

na podstawowe, opalne i ewentualnie pośrednie.

U-
8

Klasyfikacja zestyków

Klasyfikacja zestyków

U-
8

Zestyk

Łączeniowy

(rozłączny)

Niełączeniowy (rozłączny

lub nierozłączny)

Zwierny

Rozwierny

Zespołowy

Prosty

(uniwersalny)

Ruchomy

Nierucho

my

Klasyfikacja zestyków

Zestyk podstawowy i opalny, połączone równolegle tworzą zestyk

zespołowy, współdziałający w wykonywaniu czynności łączeniowych.
Zestyk podstawowy służy wówczas do przewodzenia w warunkach
ustalonych całego lub przeważającej części prądu w odpowiednim
torze prądowym , zestyk opalny przejmuje na siebie w całości
przewodzenie prądu wyładowania łukowego. Zestyk pośredni w tym
zespole służy do dorywczego zwierania uzwojenia elektromagnesu
wydmuchowego podczas dokonywania czynności łączeniowych.

Zestyki aparatów elektrycznych stanowią najczęściej najbardziej

obciążone elementy ich torów prądowych. Powinny one być tak
zaprojektowane, wykonane i eksploatowane, aby w stanie
przewodzenia prądów roboczych nie były przekroczone przepisowe
wartości przyrostów temperatur i żeby styki zestyków nie sczepiały
się ani trwale nie odkształcały podczas przewodzenia prądów
zakłóceniowych (przeciążeniowych i zwarciowych).

U-
8

Klasyfikacja zestyków

Przykłady zastosowania różnych

rodzajów zestyków
występujących w polu
rozdzielnicy średniowysokich
napięć: a) zestyki niełaczeniowe
(a1- nieruchome, a2- ruchome),
b) zestyki łączeniowe (b1- do
łączenia w stanie praktycznie
bezprądowym, b2- do łączenia
prądu) 1- układ szyn zbiorczych,
2- odłącznik, 3- wyłącznik, 4-
głowica kablowa

U-
8

Rezystancja zestykowa

Przewód lity po przecięciu i ponownym zetknięciu, nawet z

dużym dociskiem, wykaże wzrost rezystancji, spowodowany
wprowadzeniem zestyku do toru prądowego.

U-
8

Ilustracja powstania rezystancji zestykowej a) przewód lity,
b) przewód przecięty, części wzajemnie dociśnięte

Rezystancja zestykowa

Rezystancja zestykowa, wyznaczana wg przyjętego technicznego

sposobu pomiaru zawiera następujące składniki:

•

Rezystancję litego zespołu przewodników tj. styków
tworzących zestyk,

•

Rezystancję przewężenia przekroju dla przepływu prądu,

•

Rezystancję warstw zewnętrznych, (nalotowych)
występujących na stykających się ze sobą powierzchniach
styków.

U-
8

Rezystancja zestykowa

Rozpływ prądu w zestyku punktowym
1- przewodząca powierzchnia

styczność,
2- warstwa nalotowa, l- długość
strefy przewężenia, r

p1

- promień

(zastępczy) powierzchni styczności

U-
8

Rezystancja zestykowa

Rezystancja warstw nalotowych: a) w zestyku punktowym, b) w

zestyku wielopunktowym (płaszczyznowym)

r

p

- promień (zastępczej kołowej) powierzchni styczności, s

nal

-

grubość warstwy nalotowej

U-
8

Rezystancja zestykowa

Rezystancję warstw nalotowych zestyku punktowego określa

wzór:

Zestyku wielopunktowego:

gdzie: ρ

nal

- rezystywność warstwy nalotowej, n- liczba punktów

styczności

U-
8

2

'

2

p

nal

nal

nal

r

s

R







'

1

nal

nal

R

n

R 

Rezystancja zestykowa

Rezystancja powodowana przewężeniem przekroju jest związana z

mikrostrukturą powierzchni styczności. Struktura ta,
występująca w danym zestyku w określonych warunkach oraz
dla danej chwili czasowej, zmienia się w wyniku oddziaływań
mechanicznych, elektrycznych i chemicznych.

Istota sprawy polega na istnieniu mikropowierzchni styczności:
•

strefy przewodzenia metalicznego w warunkach odkształcenia
plastycznego miejsc bezpośredniej styczności oraz otaczające je
strefy półprzewodzące, odkształcone elastycznie (mogą one stać
się strefami przewodzącymi w wyniku mięknięcia materiału)

•

strefy nieprzewodzące zwykle pokryte warstwami nalotowymi

U-
8

Rezystancja zestykowa

Mikrostruktura powierzchni

styczności z metali
nieszlachetnych: 1- strefy
przewodzenia metalicznego
(powierzchnie odkształcone
plastycznie) 2- strefy
półprzewodzące,
umożliwiające
przewodzenie prądu wg
mechanizmu tunelowego
(powierzchnie odkształcone
elastycznie) 3-
powierzchnie
nieprzewodzące,
ewentualnie pokryte
warstwami nalotowymi

U-
8

Rezystancja zestykowa

Analiza stanu powierzchni styków wskazuje, że

mikropowierzchnie przewodzenia są rozłożone na tym
większym polu, im większa jest pozorna powierzchnia
styczności.

Liczbę mikropowierzchni styczności zestyku płaszczyznowego w

warunkach ciągłego przepływu prądu można wyznaczyć w
przybliżeniu ze wzoru:

gdzie: F- siła docisku styków [N], H- twardość materiału styków

(wg Brinella lub Vickersa)[N/m

2

]

U-
8

2

,

0

625

,

0

5

10

5

,

2

F

H

n







Rezystancja zestykowa

Rozkład mikropowierzchni styczności na powierzchni styków: a)

punktowych, b) liniowych, c) płaszczyznowych

U-
8

Rezystancja zestykowa

Twardość H

B

niektórych materiałów stykowych (wg Brinella)

U-
8

Materiał

H

B

x 10

8

N/m

2

Al

St

Ni

Cu

Ag

Au

W

Pt

Ir

Pd

1,8 – 4,0

6

7 – 20

4 – 7

3 – 7

2 – 7

12 – 40

4 – 8

27

4 – 10

Rezystancja zestykowa

Przy danej sile docisku styków F, o liczbie – założonych jako

jednakowe – mikropowierzchni styczności decyduje tzw.
Twardość stykowa αH materiału styków zgodnie z zależnością
bazującą na założeniu odkształcenia plastycznego w miejscu
styczności:

gdzie: n- liczba mikropowierzchni styczności, r

p

- promień

(zastępczy) kołowej płaszczyzny styczności, H- twardość
materiału styków (wg Brinella lub Vickersa), α- współczynnik
twardości stykowej materiału styków (zależy on od
mikrostruktury powierzchni styczności, zazwyczaj przyjmuje
się go z zakresu wartości 0,5 – 0,7)

U-
8

0

2









 H

r

n

F

p

Rezystancja zestykowa

Wartości współczynnika α do wyznaczania twardości stykowej

materiału, F – siła docisku styków

U-
8

Rezystancja zestykowa

Podstawowa zależność dla pojedynczej mikropowierzchni w

określonych warunkach przyłożenia siły docisków styków, tj. do
opisu tzw. zestyku punktowego (przy n=1) sprowadza się do
wzoru:

stąd:

gdzie: S

p1

=πr

2p1

– powierzchnia kołowej mikropowierzchni

styczności, σ

0

=αH – twardość stykowa (materiału styków)

U-
8

H

S

F

r

F

p

p









1

2

1

0

1

1







F

H

F

S

r

p

p







Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Nagrzewanie zestyków jest zależne od ich ukształtowania, materiału,

stanu powierzchni, ukształtowania elementów sąsiadujących,
pozostałych warunków odbioru ciepła.

Temperatura rzeczywistej mikropowierzchni styczności zestyku

punktowego w warunkach nagrzania ustalonego wynosi:

gdzie: - temperatura otoczenia,

- przyrost temperatury styku

względem temperatury otoczenia w miejscu dostatecznie
odległym od miejsca styczności,

- przyrost temperatury

styku w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca styczności względem
temperatury przewodu przy założeniu, że powierzchnia pozorna
styczności jest równa powierzchni rzeczywistej,
- przyrost temperatury miejsca styczności względem temperatury
z uwzględnieniem przewężenia dla przepływu prądu w
rozpatrywanym zestyku.

U-
8

p

m

m

o

p

























'

o



o

m

m













'

'

o



'

m

m

m













m

p

p













m



Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Rozkład temperatury w zestyku punktowym w stanie cieplnie ustalonym

U-
8

Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Przyrost temperatury

wyznacza się jak dla przypadku

nagrzewania przewodu jednorodnego:

gdzie: k

w

=k

0

k

z

– współczynnik wypierania prądu (k

0

– współczynnik

naskórkowości, k

z

– współczynnik zbliżenia) – rezystywność

materiału styków w temperaturze obliczeniowej , k –
współczynnik oddawania ciepła, A – obwód styku, S –
powierzchnia przekroju styku, I – natężenie prądu

U-
8

'

m





2

'

I

kAS

k

w

m

















Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Kolejny składnik, przyrost temperatury

określa się przy

uwzględnieniu poosiowego przepływu ciepła w styku
nagrzewanym jednostronnie ciepłem wytwarzanym w
rezystancji zestykowej traktowanej jako równomiernie
rozłożonej na całej powierzchni przekroju styku:

gdzie: – rezystancja zestykowa w temperaturze obliczeniowej

,
λ – przewodność cieplna materiału styków

U-
8

m





2

2

I

SkA

R

p

m













p

R



Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Dla wyznaczenia dodatkowego przyrostu temperatury

wykorzystuje się podany przez Kohlrauscha związek między
potencjałem i temperaturą bazujący na założeniu, że dla
przewodów z prądem powierzchnie ekwipotencjalne są
jednocześnie powierzchniami izotermicznymi. Ma on w
rozważanym przypadku postać:

gdzie: U

p

– spadek napięcia na rezystancji zestykowej,

-

temperatura w miejscu styczności w skali Kelvina,

U-
8

p





8

2

p

U

d

d

p

m

p

m

























p

p







273

m

m







273

Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

W dalszym ciągu wyróżnia się dwa rozwiązania:
1) dla można przyjąć:

a zatem

czyli

(dla nagrzania do temperatury ustalonej)

U-
8

C

150

o



p



const.





8

d

2

p

m

p

U





















8

2

p

p

m

p

U









Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

2) dla

zastosowanie znajduje prawo Wiedemanna-

Franza-Lorenza obowiązujące dokładnie dla metali czystych:

gdzie: L – stała wynosząca około 2,4∙10

-8

(V/K)

2

wówczas:

skąd:

oraz:

U-
8

C

150

o



p







L



8

d

2

p

m

p

U

L













L

U

p

m

p

4

2

2













4

2

2

2

p

m

p

U

L









Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Przy wzroście temperatury rośnie rezystywność materiału styków

ρ kompensowana częściowo w temperaturze mięknięcia
znacznym maleniem jej twardości (stykowej) σ0. Stąd w
przedziale temperatur od temperatury mięknienia rezystancja
zestykowa rośnie wolniej niż rezystywność materiału styków.
Używa się wówczas zależności aktualnej w przypadku
ustalania się temperatury:

gdzie R

po

– rezystancja zestykowa w temperaturze odniesienia

W przypadku nagrzewania krótkotrwałego (≤ 1ms) wzór ten jest

mniejszy i ujęty jest równaniem:

U-
8

0



 























0

3

2

1

f











po

p

p

R

R

R

























0

1

ln

5

1

1







po

p

R

R

Nagrzewanie zestyków w

warunkach ustalonych

Temperatury charakterystyczne i odpowiadające im spadki

napięć dla czystych metali stykowych

U-
8

Met

al

Mięknienie

Topnienie

Parowanie

Temperatur

a

Spadek

napięci

a

Tempe

-

ratura

Spadek

napięcia

Tempe

-ratura

Spade

k

napię

cia

o

C

mV

o

C

mV

o

C

mV

Al

Cu

Fe

Ni

100 – 150

190 – 200

500

370 – 520

100

120

210

220

660

1083

1540

1452

300

430

600

650

2350

2330

2730

3000

-----

800

-----

-----

Ag

Au

150 – 180

100

90

80

960

1063

350 – 370

430 – 450

1950

2700

750

900

Mo

W

700 – 900

900 – 1000

250

400

2620

3419

750

1000 – 1100

7100

5900

-----

2100