Zestyki w aparatach elektroenergetycznych
Wykład 4:
Program wykładu:
1. Rodzaje zestyków .......................................................................... 1
2. Rezystancja zestykowa .................................................................. 5
3. Nagrzewanie zestyków ................................................................ 10
4. Wybrane zagadnienia z mechaniki zestyków łączeniowych ........ 12
5. Wymagania stawiane zestykom ................................................... 14
6. Materiały stosowane na styki ....................................................... 15
1. Rodzaje zestyków
Zestyk elektryczny  część toru prądowego, przez który płynie prąd elektryczny
dzięki styczności dwóch przewodników zwanych stykami. Stykiem jest więc część
zestyku należąca do jednego odcinka toru prądowego.
Klasyfikacja zestyków ze względu na kształt powierzchni styczności
punktowe liniowe wielopunktowe
styczność dwóch kul, kuli z styczność walca styczność dwóch płaszczyzn
płaszczyzną, skrzyżowanych z płaszczyzną (powierzchni)
dwóch walców
© Copyright by WiesÅ‚aw Nowak, Kraków 2002
Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń
elektronicznych, mechanicznych, kopiujÄ…cych, nagrywajÄ…cych i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw
autorskich.
str. 2/16/W4
Klasyfikacja zestyków ze względu na rodzaj pracy
Zestyki niełączeniowe  styki stale się ze sobą stykają, tworząc zawsze drogę
przepływu dla prądu
Rodzaje zestyków niełączeniowych Przykład
nieruchome  styki nie zmieniajÄ…
wzajemnego położenia, jak np.
wszelkiego rodzaju połączenia śrubowe
szyn, zacisków przyłączeniowych
aparatów i in.
ruchome  styki mogą się względem
siebie przemieszczać, tj. toczyć, ślizgać,
obracać itp., nie tracąc połączenia
elektrycznego
1  części nieruchome toru prądowego,
2  części ruchome toru prądowego, 3  rolki
prowadzące, 4  sprężyny dociskowe
Zestyki łączeniowe  są zestykami rozłącznymi przeznaczonymi do wykonywania
czynności łączeniowych: załączania, wyłączania, przełączania
Rodzaje zestyków łączeniowych Przykład
zwierne  jest zamknięty w położeniu
wymuszonym (co najczęściej odpowiada
stanowi zamknięcia łącznika) styku
ruchomego
rozwierne  jest otwarty w położeniu
wymuszonym styku ruchomego
str. 3/16/W4
Rodzaje zestyków łączeniowych Przykład
bezłukowe  przewodzą prąd w stanie
zamknięcia i mogą być rozłączane
w stanie praktycznie bezprÄ…dowym
Zestyk łączeniowy bezłukowy odłącznika SN:
1  część nieruchoma toru prądowego,
2  część ruchoma toru prądowego
Å‚ukowe  przewodzÄ… prÄ…d w stanie
zamknięcia i mogą być rozłączane
w czasie przepływu prądu
Zestyk łączeniowy łukowy (wieńcowy)
wyłącznika SN: 1  styk ruchomy, 2  styk
nieruchomy, 3  segment styku nieruchome-
go, 4  sprężyny dociskowe, 5  obudowa,
6  połączenia między segmentami a
doprowadzeniami
str. 4/16/W4
Zestyki łączeniowe zwierne mogą być zestykami zespołowymi, złożonymi z:
" zestyku podstawowego (roboczego)  służy do przewodzenia w warunkach
ustalonych całego lub przeważającej części prądu w torze prądowym,
" zestyku opalnego  przejmuje na siebie w całości przewodzenie prądu wyładowania
Å‚ukowego.
Styki opalne i robocze w wyłączniku nN
stan przejściowy
wyłącznik zamknięty wyłącznik otwarty
(otwieranie  zamykanie)
przewodzi zestyk roboczy, zamknięcie zestyku oba zestyki otwarte
zestyk opalny otwarty opalnego, a następnie
otwarcie zestyku roboczego
Zastosowanie różnych rodzajów zestyków występujących w polu rozdzielnicy SN
a) zestyki niełączeniowe:
a1  nieruchome
a2  ruchome
b) zestyki Å‚Ä…czeniowe:
b1  bezłukowe
b2  Å‚ukowe
Rysunek lewy: rozdzielnica jednoczłonowa 
wyłącznik w wykonaniu stacjonarnym.
Rysunek prawy: rozdzielnica dwuczłonowa 
wyłącznik w wykonaniu wysuwnym, brak
odłącznika.
1  szyny zbiorcze, 2  odłącznik,
3  wyłącznik, 4  głowica kablowa
str. 5/16/W4
2. Rezystancja zestykowa
Rezystancja zestykowÄ…  dodatkowa rezystancja toru prÄ…dowego, spowodowana
usytuowaniem w torze prÄ…dowym zestyku.
Powstawanie rezystancji zestykowej
" L
I I
a) przewód lity: na długości "L występuje
spadek napięcia U(R)
(
b) przewód przecięty i powtórnie
b
złożony, dociśnięty siłą F: na długości
F I
I F
"L spadek napięcia U(R) zwiększa się
o wartość "U("R) na wskutek powstania
dodatkowej rezystancji "R w torze
( + " ("
prÄ…dowym
Rezystancja zestykowa zawiera trzy składniki:
" rezystancję litego zespołu przewodnika
" rezystancję przewężenia przekroju dla przepływu prądu
" rezystancję warstw zewnętrznych (nalotowych), występujących na stykających się
powierzchniach styków
2.1. Rezystancja przewężenia
Rezystancja przewężenia  spowodowana jest przewężeniem przekroju dla przepływu
prądu w rzeczywistej mikrostrukturze powierzchni styczności.
Mikrostruktura powierzchni styczności zmienia się w wyniku oddziaływań mechani-
cznych, elektrycznych i chemicznych.
str. 6/16/W4
Mikrostruktura zestyku (powierzchni styczności) z metali nieszlachetnych
1  strefy przewodzenia metalicznego
(powierzchnie odkształcone plastycznie)
2  strefy półprzewodzące, umożliwiające
przewodzenie prÄ…du wg mechanizmu tunelowego
(powierzchnie odkształcone elastycznie)
3  powierzchnie nieprzewodzÄ…ce, ewentualnie
pokryte warstwami
Rozkład mikropowierzchni styczności na powierzchni styków
punktowych liniowych płaszczyznowych
Rezystancja przewężenia pojedyncznej mikropowierzchni według teorii Holma
Aproksymację pojedynczej mikropowierzchni za pomocą dwóch półkul.
Model Holma zestyku do obliczania rezystancji
przewężenia mikronierówności przy przyjęciu
sferycznych powierzchni ekwipotencjalnych.
Według teorii Holma przepływ prądu przez prze-
wężenie można traktować jako przepływ z jednej
półprzestrzeni o rezystywnoÅ›ci Á do drugiej
półprzestrzeni przez dwie stykające się elektrody
półkoliste o promieniu a.
str. 7/16/W4
Powierzchnia styczności Sp1 mikropowierzchni pod
F1
wpływem siły F1 przy odkształceniu plastycznym.
Sp1 =
Ã0
Ã0 = Ä… H  twardość stykowa, H  twardość materiaÅ‚u styków
wg Brinella, ą  współczynnik, którego wartość dla obliczeń
praktycznych przyjmuje siÄ™ 0,5 0,7.
Sp1 2 F1 Promień elektrody półkolistej wg teorii Holma.
2
a = =
Ã0
Rezystancja dla przepływu prądu
Á
R0 =
z elektrody półkolistej do półprzestrzeni nieograniczonej
2 a
o rezystywnoÅ›ci Á.
Rezystancja przewężenia pojedynczej mikropowierzchni.
Á
Rp1 = 2R0 =
a
Ã0 µ1 Rezystancja przewężenia pojedynczej mikropowierzchni,
Á
Rp1 = = z uwzględnieniem powyższych zależności.
0,5
2 F1 F1
Twardości H niektórych materiałów stykowych wg Brinella
Materiał
H×108 [N/m2]
aluminium (Al) 1,8 4,0
stal (Fe) 6
nikiel (Ni) 7 20
miedz
(Cu) 4 7
srebro (Ag) 3 7
złoto (Au) 2 7
wolfram (W) 12 40
platyna (Pt) 4 8
iryd (Ir) 27
pallad (Pd) 4 10
str. 8/16/W4
Dla zestyków wielopunktowych przy sile dociskającej F liczba punktów styczności
wynosi N. Zatem:
Rp1
F
F1 = ,Rp =
N N
Przyjmując dla zestyków wielopunktowych zależność liczby N od siły docisku w postaci:
m
N = kF
otrzymuje siÄ™:
Ã0N Ã0 Ã0 Ã0
Á Á Á Á 1 µ
Rp = = = = =
m +1 (m+1) 2 n
2N F 2 FN 2 2 k
kF F F
Współczynnik µ jest zależny od:
" materiału styków
" kształtu styków
" temperatury styków
" od stanu powierzchni (m.in. warstw nalotowych)
Współczynnik (wykładnik) n:
" jego wartość zawiera się w przedziale n " (0,1]
2.2. Rezystancja warstw nalotowych
Warstwy nalotowe mogą w praktyce występować przede wszystkim na powierzchniach
styków zestyków pracujących z małymi siłami docisku, tj. w obwodach sterowania
i sygnalizacji.
Model rezystancji nalotowej w zestyku punktowym i wielopunktowym
Rezystancja warstw nalotowych:
a) w zestyku punktowym, b) w zestyku
wielopunktowym
a  promień (zastępczej kołowej) powierzchni
styczności, Snal - grubość warstwy nalotowej
str. 9/16/W4
Rezystancja warstwy nalotowej zestyku
punktowego.
2Snal
Rnal1 = Ánal
Ánal  rezystywność warstwy nalotowej,
a2
a  promień powierzchni styczności, Snal 
grubość warstwy nalotowej
Rezystancja warstwy nalotowej zestyku
Rnal1 2Snal
1
Rnal = = Ánal
wielopunktowego przy N punktach
N N
a2
styczności.
W praktycznych obliczeniach:
Á(S)
Rnal =
NÄ„a2
Wzrost grubości tlenkowej warstwy
nalotowej na miedzi może być
orientacyjnie ujęta wzorem Holma:
(1341
Snal = 400 + 108,2- Ń)t Å"10-10
gdzie: t  czas utleniania w godzinach,
Ń  temperatura utlenionej powierzchni
w Kelwinach
W praktycznych obliczeniach rezystancji zestykowej używa się zależności półempi-
rycznej (z uwzględnieniem przeciętnych warstw nalotowych):
µ
Rz =
(0,1F)n
gdzie: n = 0,5 dla zestyku punktowego, n = 0,7 dla zestyku liniowego, n = 1 dla zestyku
pÅ‚aszczyznowego, µ  współczynnik, F  siÅ‚a docisku styków [N]
PrzykÅ‚adowe wartoÅ›ci współczynnika µ
Materiał styków
µ [m&!Å"Nn]
miedz
 miedz
0,08 0,14
srebro  srebro 0,06
aluminium  aluminium 0,13
mosiÄ…dz  mosiÄ…dz 0,67
stal  stal 7,6
str. 10/16/W4
Zależność rezystancji zestykowej od siły docisku
" zestyki niełączeniowe nieruchome
R
z
(łatwo uzyskać dużą siłę docisku)
powierzchniowy
należy wykonywać jako powierzchniowe
liniow y
" zestyki niełączeniowe ruchome i zestyki
łączeniowe (trudno uzyskać dużą siłę
punktowy
docisku) należy wykonywać jako liniowe
bÄ…dz
punktowe
" można dzielić również zestyk na szereg
mniejszych połączonych równolegle, jak
np. w zestyku wieńcowym
F
3. Nagrzewanie zestyków
Rezystancja zestykowa jest przyczyną nagrzewania zestyku przy przepływie prądu.
Wzrost temperatury zestyku pociÄ…ga za sobÄ… m.in.:
" wzrost rezystancji zestyku  wskutek wzrostu rezystywności i szybszego utleniania
" możliwość odkształcenia zestyku  wskutek mięknienia styków po przekroczeniu
temperatury mięknienia
" możliwość sczepienia (zespawania) zestyku  wskutek topienia styków po
przekroczeniu temperatury topnienia
Temperatury charakterystyczne dla czystych metali stykowych
Metal Mięknienie Topnienie Parowanie
Al. 100 150 °C 660 °C 2350 °C
Cu 190 200 °C 1083 °C 2330 °C
Fe 500 °C 1540 °C 2730 °C
Ni 370 520 °C 1452 °C 3000 °C
Ag 150 180 °C 960 °C 1950 °C
Au 100 °C 1063 °C 2700 °C
Mo 700 900 °C 2620 °C 7100 °C
W 900 1000 °C 3419 °C 5900 °C
Do temperatury mięknienia materiału styków zależności rezystancji jest
przedstawiana w postaci:
2
Rp = Rp0 îÅ‚1+ Ä…(Ń - Ń0 )Å‚Å‚
ïÅ‚ śł
3
ðÅ‚ ûÅ‚
str. 11/16/W4
Doświadczalna krzywa zależności rezystancji zestykowej
dla zestyku punktowego od temperatury
Rz
Ń
Ä™
mi knienie topienie
Nagrzewanie zestyków jest zależne od:
" kształtu
" materiału
" stanu powierzchni
" ukształtowania powierzchni sąsiadujących
" warunków odbioru ciepła
3.1. Nagrzewanie w warunkach ustalonych
Rozkład temperatury w zestyku punktowym w stanie cieplnym ustalonym
Temperatura rzeczywistej mikropowierzchni
styczności w warunkach nagrzania ustalonego
wynosi:
2
Ńp = Ń0 + "Ńm + "Ńm + "Ńp
Ń0  temperatura otoczenia
"Ń'm = (Ń'm - Ń0)  przyrost temperatury styku
w miejscu dostatecznie odległym od miejsca
styczności
"Ńm = (Ńm - Ń'm)  przyrost temperatury styku
w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca
styczności
"Ńp = (Ńp - Ńm)  przyrost temperatury miejsca
styczności z uwzględnieniem przewężenia dla
przepływu prądu
str. 12/16/W4
3.2. Nagrzewanie prÄ…dem zwarciowym
W przypadku pracy zestyków przy przepływie prądu zwarciowego może wystąpić:
" mięknienie styków
" topnienie w obszarze styczności
" topnienie w obszarze styczności
" trwałe połączenie styków po ich ochłodzeniu
Prowadzi to do zespawania zestyku i stąd wprowadza się pojęcie prądu spawania
zestyku:
8Ą2Ńtop
Isp = a
Á
gdzie: a  promieÅ„ powierzchni stycznoÅ›ci, Á, , Ńtop  rezystywność, przewodność
cieplna i temperatura materiału styków.
Dla stwierdzenia, czy zespawanie nie nastÄ…pi w czasie odpowiadajÄ…cym wystÄ…pieniu
udarowego prądu zwarciowego (około 10 ms) stosuje się wzór empiryczny
ip < k F
gdzie: ip  udarowy prąd zwarciowy, F  siła docisku zestyku, k  współczynnik
empiryczny dla danego rodzaju zestyku.
W przypadku wyłączników wśród danych znamionowych podaje się znamionowy prąd
załączalny, który jest największą wartością prądu, jaki wyłącznik jest w stanie załączyć
bez trwałego sczepienia zestyków oraz innych objawów i uszkodzeń mogących mieć
wpływ na poprawną pracę wyłącznika.
4. Wybrane zagadnienia z mechaniki zestyków łączeniowych
Od zestyków łączeniowych w szczególności wymaga się:
" odpowiedniego (w sensie zachowania wymaganych parametrów charakterystyki
ruchu) przemieszczania styków ruchomych
" współdziałania ze sobą poszczególnych rodzajów styków (np. styków roboczych
i opalnych)
" dostatecznego docisku w stanie styczności
Powyższe wymagania determinują rozwiązania układu mechanicznego łączników pod
względem kinematycznym i dynamicznym.
str. 13/16/W4
4.1. Siły elektrodynamiczne w zestykach
Siły odpychające w zestykach
W zestykach zmniejszenie przekroju
przepływu prądu prowadzi do powstania
sił elektrodynamicznych, które powodują
odpychanie od siebie styków zestyków.
µ0 2
d
Fel = i ln
4Ä„ 2a
i  prąd przepływający przez zestyk,
d  średnica toru prądowego, a  promień
(zastępczej kołowej) powierzchni
styczności
Kompensacja sił odpychających Fel
w zestyku mostkowym siłami elektrody-
namicznymi F12 od przepływu prądu
w doprowadzeniach 1:
a) układ prosty
b) układ z kompensacją wzmocnioną
(zestyk stożkowy)
1  doprowadzenie ze stykami nieruchomymi,
2  styk ruchomy
Kompensacja sił odpychających Fel
w zestyku odłącznikowym siłami elektro-
dynamicznymi Fk1 od nakładek stalowych
oraz Fk2 wzajemnego przyciÄ…gania
płaskowników styku ruchomego
1  zacisk przyłączowy ze stykiem
nieruchomym, 2  płaskownik (pasek) styku
ruchomego, 3  nakładka stalowa, 4 
sprężyna stykowa
str. 14/16/W4
4.2. Odskoki sprężyste zestyków
Odskoki sprężyste zestyków  przejściowy proces drgań styków, powstający w wyniku
ich zderzenia mechanicznego podczas uzyskiwanie galwanicznej styczności.
Drgania i odskoki sprężyste zestyków
1  styk nieruchomy, 2  styk ruchomy,
x  odległość pomiędzy stykami,
v  prędkość styku ruchomego
Skutki drgań i odskoków sprężystych:
" obciążają dodatkowo mechanizm łącznika
" prowadzą do zużycia materiału styków wskutek występowania podczas odskoków
wyładowań łukowych
Środki przeciwdziałania odskokom styków:
" zamykanie łącznika przy możliwie małej prędkości schodzenia się styków
" stosowanie dużego docisku początkowego
" częściowe rozpraszanie energii kinetycznej układu ruchomego, np. przez tarcie
sprężyn stykowych
" stosowanie zespołu styków połączonych równolegle o odpowiednio przesuniętych
wzajemnie chwilach uzyskiwania styczności
5. Wymagania stawiane zestykom
Wymagania stawiane zestykom można podzielić na:
" elektryczne
" mechaniczne
" środowiskowe
str. 15/16/W4
Wymagania elektryczne:
" pomijalnie małe straty mocy w zestyku
" mała i praktycznie stała rezystancja przejścia, rzędu od kilku do kilkunastu mikroomów
" odporność cieplna na działanie prądów znamionowych ciągłych
" odporność na cieplne i dynamiczne działanie prądów przeciążeniowych i zwarciowych
" odporność na erozję pod wpływem łuku elektrycznego
" minimalne różnice potencjałów elektrochemicznych w zestyku
Wymagania mechaniczne:
" przyjmowanie możliwie małych docisków zestyku, spełniając jednak wymienione
wyżej wymagania elektryczne
" możliwie mały i stabilny współczynnik tarcia
" duża odporność na erozję mechaniczną
" odporność na drgania i udary
Wymagania środowiskowe:
" mają zapewnić poprawną pracę zestyku w danych warunkach środowiskowych,
tj. w odpowiednim zakresie temperatur, wilgotności, poziomie zanieczyszczeń
przemysłowych, obecności promieniowania UV.
Dla zestyków szczególnie niekorzystne jest:
" jednoczesne występowanie podwyższonej temperatury, wilgotności i związków siarki
lub chloru  co może prowadzić do powstania na powierzchni styków
wielkooporowych warstw nalotowych
" praca styków w oleju mineralnym  już przy względnie niskich temperaturach
(ok. 150°C) na powierzchni styków odkÅ‚adajÄ… siÄ™ czÄ…steczki wÄ™gla z oleju (tzw.
koksowanie oleju)
6. Materiały stosowane na styki
Materiały stosowane na styki powinny charakteryzować się:
" dużą przewodności cieplną i elektryczną
" dużą odpornością na korozję i erozję łukową w atmosferze powietrza i innych gazów
" wysoką temperaturą mięknienia, topienia i parowania
" znacznymi wartościami minimalnych prądów i napięć wyładowań łukowych
" dużą wytrzymałości mechaniczną
" dobrymi własnościami technologicznymi pozwalającymi na łatwą obróbkę różnymi
technikami
" możliwie niską ceną
str. 16/16/W4
Materiałami stykowymi są:
" metale czyste
" stopy
" spieki
Charakterystyka niektórych materiałów stykowych:
" miedz
 spełnia w największym stopniu wymagania stawiane materiałom stykowym;
stosowane są również stopy miedzi z innymi metalami (cyna, cynk, srebro, fosfor)
oraz spieki miedzi z wolframem, grafitem i zwiÄ…zkami ceramicznymi
" srebro  stosowane na nakładki stykowe łączników o niewielkich prądach
znamionowych oraz na pokrycie powierzchni styków wykonanych z innych
materiałów, głównie miedzi, co zapobiega tworzeniu się z
le przewodzących tlenków i
siarczków miedzi
" złoto, platyna, pallad  charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami, jednak ze
względu na wysoka cenę są używane do uszlachetniania powierzchni styków
łączników specjalnych konstrukcji
" spiek proszkowy, wykonany z wolframu (60 80%) i miedzi (40 20%)  stosowany
na styki wyłączników wysokonapięciowych
" kompozycje dwu lub wieloskładnikowe wykonane z miedzi, wolframu, antymonu,
bizmutu  stosowane w łącznikach próżniowych; zestyki wykonane z tych kompozycji
charakteryzują się małym prądem ucięcia
Korozja elektrochemiczna zestyków dwumetalowych:
" spowodowana jest różnicą potencjałów elektrochemicznych metali zestyku  jeśli
między stykami pojawi się elektrolit (woda + sól lub siarka), to powstanie ogniwo
elektrochemiczne bÄ…dz
w obwodzie, bÄ…dz
w obrębie samego zestyku, oraz
przemieszczanie materiału styków
" prowadzi do niszczenia i zmian powierzchni zestyku
" w niskonapięciowych obwodach pomiarowych i sterowniczych może w sposób
niebezpieczny zniekształcać sygnały (należy również zwracać uwagę na możliwość
wystÄ™powania siÅ‚y termoelektrycznej, która w temperaturze rzÄ™du 150°C wzrasta
20÷60 razy)
Niekorzystne łączenie materiałów zestyków:
" Cu Al (+0,52 V; -1,34 V)
" Ag Al (+0,80 V; -1,34 V)
Korzystne łączenie materiałów zestyków:
" Ag Cu (+0,80 V; -0,52 V)
" Ni Cd (+0,22 V; -0,40 V)