SklopniAparati1 Dio

8/11/2019 SklopniAparati1 Dio

1/70

Elektrotehniki fakultet u Osijeku

Sveuilite J.J.Strossmayera

SKLOPNI APARATI

Marinko Stojkov

Zoran Baus

Igor Provi

Marinko Baruki

2010/2011.


2/70

I ELEKTRINI KONTAKTI

1.

UVOD

Zadatak ovog udbenika koji pokriva gradivo za praenje sadraja kolegija Elektrinisklopni aparati je da se na to jednostavniji nain studentu priblie i sa razumijevanjem shvatefizikalne pojave koje nastaju na elektrinim kontaktima prilikom uklapanja i isklapanjasklopnih aparata, da se shvati uzrok predmetnih fizikalnih pojava, da se analizira nain na kojise javljaju gubici i kako ih na to jednostavniji i tehniki prihvatljiviji nain smanjiti na to jemogue manju vrijednost.

U svim sklopnim aparatima (u visokonaponskoj, srednjenaponskoj i niskonaponskoj

tehnici) nailazimo na elektrine kontakte jer su oni nuni za njihovu funkciju. U uem smislu

rijei, kontakt u elektrotehnici oznaava stanje koje nastaje dodirom dvaju vodia. Zadatakkontakata je da po potrebi, pouzdano i brzo zatvore strujni krug odnosno iniciraju pojavu tokaelektrine struje kroz strujni krug, pri emu prijelazni otpor izmeu konatakata treba biti to jemogue manji, a potom opet po potrebi, da taj strujni krug pouzdano i brzo prekinu odnosnootvore strujni krug pri emu struja prestaje tei kroz predmetni strujni krug. Ukljuenje -iskljuenje strujnog kruga odnosno zatvaranje-otvaranje kontakata sklopnih aparata

podrazumijeva svjesnu elju za upravljanjem tokova snaga odnosno napajanja pojedinihpotroaa ili elektrinih strojeva, ureaja ili openito troila. Takoer gledano s aspektaelektroenergetskog sustava, podrazumijeva potrebne manipulacije pri vrenju odreenihaktivnosti odravanja kada ovlatena osoba vri upravljanje nad sklopnim aparatima(iskljuenje) i na taj nain odreeni dijelovi sustava stavljaju u beznaponsko stanje odnosno

po zavretku ovih planiranih aktivnosti odravanja ovlatena osoba tono odreenimredoslijedom vri manipulaciju sklopnim aparatima (ukljuenje) i vraa odreene dijelovesustava u funkciju (pod napon, ili optereti dijelove sustava). Pri pojavi neeljenih stanjasustava pri kvarovima pojedinih komponenti kada relejna zatita automatski daje poticajsklopnim aparatima (iskljuenje) - s ciljem da se ogranii i smanji materijalna teta koja moenastati kao posljedica kvarova unutar elektroenergetskog sustava - da stave u beznaponsko

stanje i to to je mogue manji dio elektroenergetskog sustava (selektivnost zatite) a radisigurnije i pouzdanije opskrbe elektrinom energijom potroaa. Smanjenje gubitaka postiese smanjenjem vremena trajanja elektrinog luka, smanjenjem disipacije topline odnosnosmanjenjem mehanikih i toplinskih naprezanja. Postoje brojna svojstva materijala kojaodreuju mehanika naprezanja kontakata kao to su vrstoa, tvrdoa, ilavost, elastinost,

otpornost materijala na troenje i habanje. Takoer, i toplinska naprezanja takoer ovise ovrsti materijala, njegovoj specifinoj toplinskoj vodljivosti, provodnosti, specifinom otporu,toplini taljenja i vrelita, zavarivanja i nagaranja. Pri procesu projektiranja sklopnih aparata, ana temelju oekivanih vrijednosti mehanikih i toplinskih naprezanja za pojedinu funkcijuaparata u mrei (instalaciji), mjesto ugradnje i uvjete okolia odabire se najpogodnija vrstakontaktnog materijala. esto se dogaa da su tehniki zahtjevi na kontakte sklopnih aparatatakovi da im niti jedan metal ne moe u potpunosti odgovarati. Iz toga se razloga pri

projektiranju kontakata odabiru metali ili slitine koje najbolje ispunjavaju zadane kriterije.

Ovim udbenikom autori su pokuali na to jednostavniji nain studentima prezentiratimogue probleme koji se mogu pojaviti a vezani su za podruje elektrinih kontakata i

pristupe njihovu rjeavanju. Kroz prva etiri poglavlja nastoji se to jednostavnije objasniti ipokazati te fizikalne pojave. U drugom poglavlju opisuju se osnovne fizikalne pojave, kao tosu proraun kontaktnog otpora, vrste kontaktnih materijala i ope namjene pojedinih vrsta


3/70

materijala odnosno sklopnih aparata. Tree poglavlje opisuje probleme koji nastaju prilikomzagrijavanja vodia, utjecaj zagrijavanja na sam vodi, odnosno model toplinske slike zaodreeni specifini sluaj iz kojega moemo zakljuiti da se razdioba temperature u vodiimaza sve sluajeve moe prikazati kao eksponencijalna funkcija koja je ovisna o vremenutrajanja elektrinog luka na kontaktu. U prikazanom primjeru, autori su uzeli u obzir da je

trajanje elektrinog luka neizmjerno dugo vremena, jer bi uzimanje u obzir vremenaisklapanja dovelo do znaajno sloenijih prorauna. etvrto poglavlje govori o naprezanjimasklopnih aparata za vrijeme pojave kratkog spoja i u normalnom pogonu. Opisuje se praktinaizvedba sklopnih aparata i termika kontrola u provodnim kontaktima, zagrijavanje kontakatazbog djelovanja elektrinog luka, naprezanja izolacije, vrste proboja i preskoka udielektricima.


4/70

2 FIZIKALNE OSNOVE

Fizikalne pojave u elektrinim kontaktima detaljnije se prouavaju tek u novijevrijeme uporabom sofisticiranih mjernih ureaja i modeliranjem na raunalu. Ispitivanjemikrostrukture materijala na mjestu dodira kontakata pokazuje da se kontakti nikad ne

ostvaruju dodirom cijele kontakne povrine radi nesavrenosti ravnine dosjeda kontaktnogmaterijala, nego se dodiruju samo u nekoliko istaknutih toaka (najistureniji dijelovi). Ti sedijelovi kontaktne povrine termiki napreu preko granice elasticiteta te se plastinodeformiraju ve pri malim tlakovima. Na taj nain s porastom tlaka odnosno sile pritiskaizmeu dva kontakta raste i efektivna dodirna povrina kontakta odnosno rastu povrine

pojedinih dodirnih dijelova kao i njihov broj. Razumljivo je da se s poveanjem sile pritiskaizmeu kontakata u istom trenutku smanjuje i otpor kontakta.

Dugo se vremena podrazumijevalo da je kontaktni otpor koncentriran iskljuivo ugraninim ravninama na mjestu prijelaza elektrine struje izmeu kontakata, na to upuuje iuobiajeni naziv prijelazni otpor. Takovo se tumaenje moe fizikalno opravdati samo usluaju kada su dodirne ravnine prevuene slojem loe vodljiva materijala odreene debljine(u praksi ne postoje takovi kontakti), jer veliina koja opisuje mehanizam otpora protjecanjuelektrine struje mora imati makar i vrlo malenu dimenziju u smjeru irenja struje (dubina).Tonija su mjerenja, ipak pokazala da se kontaktni otpor pojavljuje i meu dijelovima smetalno istim dodirnim povrinama.

Slika 2.1Poveanje otpora na mjestu kontakta dva cilindrina vodia

Sukladno slici 2.1 zapokus se uzmu dva cilindrina vodia 1 i 2sa istim i praktikiravnim eonim povrinama A te se u vakuumu izvri njihovo sastavljanje pod odreenimtlakom. Mjerenjem pada napona voltmetrom nastalog uslijed prolaza elektrine strujeIkrozspoj na slici 2.1, pokazuje se da je elektrini otpor takove kombinacije vei nego jeekvivalentni otpor serijskog spoja dva homogena cilindra jednakih duljina. Fizikalno

tumaenje te pojave vidimo na slici 2.2: budui da se kontaktne plohe dodiruju na nekolikomjesta, elektrina struja je usmjerena upravo prema tim uskim dodirnim povrinamakontakata. Iz toga se razloga elektrina struja mjestimino koncentrira na mnogo manjiefektivni presjek vodia, to se oituje kao poveanje otpora. Sline posljedice izaziva

potiskivanje elektrine struje prema povrini vodia pri izraenom skin-efektu kod visokih

frekvencija.


5/70

Ako se, radi jednostavnosti modela, pretpostavi da se cilindrini kontakti 1 i 2galvanski dodiruju samo na malenom dijelu u sredini prividne kontaktne plohe, tada ucrtane

strujnice (gustoa strujnica pokazuje veu gustou elektrine struje) i ekvipotencijalne plohepokazuju da se elektrini otpor poveava u odreenom volumenu kontaktnog materijala s objestrane dodirne plohe.

Slika 2.2Koncentracija strujnica i mikrostruktura dodirne ravnine

Opisano poveanje elektrinog otpora uzrokovano provlaenjem strujnica kroznekoliko uskih dodirnih mjesta samo je jedan dio kontaktnog otpora, koji se naziva

provlanim otporom Rp . Analogno tomu, neposredna okolina dodirnih mjesta, u kojoj sezapaa deformacija strujnica, naziva se provlanim podrujem. Drugi dio kontaktnog otporauzrokuju slojevi tvari razliitog kemijskog sastava od materijala kontakata koji se stvaraju nakontaktnim plohama. Metalni dijelovi koji su izloeni kemijskom utjecaju atmosfere svremenom se prevlae slabo vodljivim slojevima (oksidima, sulfidima itd.), koji to vie

pruaju otpor prolasku elektrine struje to im je debljina vea. ak i na netom oienimmetalnim povrinama u zraku se uvijek nalaze vrlo tanki jednomolekularni slojevi kisika ilivodika koji su debeli oko m1010 . Njihova je kemijska veza s kontaktnom plohom jaa od

meusobne veze metalnih atoma pa se iz toga razloga mogu odstraniti samo dugotrajnimarenjem u vakuumu. Ovakovi jednomolekularni slojevi nastaju i od sredstva za

podmazivanje. Trajno zatvoreni kontakti uslijed sile pritiska izmeu kontakata toliko istisnumazivo da na povrini kontakata ostane samo nevidljivi sloj, koji kontakte jo uvijek zatiujeod trenja i troenja. Predmetni strani slojevi postaju elektriki vodljivi tek ako su debeli oko

m810 . Dio kontaktnog otpora koji je uzrokovan postojanjem stranih slojeva na kontaktnim

povrinama naziva se slojnim otporomRS. Moe se zakljuiti da postoje dvije fizikalne pojaveprilikom analize uzroka nastajanja kontaktnog otpora, a te se pojave opisuju veliinamaprovlanog i slojnog otpora prema:

SPK RRR (2.1)

Fizikalno objanjenje prolaza struje kroz strane slojeve veoma je sloeno i zavisi odtoga radi li se o jednomolekularnim ili debljim slojevima (mikroslojevima ili

makroslojevima). Kontakte s jednomolekularnim slojevima nazivamo kvazimetalnim

kontaktima jer se utjecaji takovih slojeva u tehnici jake struje mogu zanemariti. Fizikalnu

pojavu da elektrina struja kroz takve slojeve prolazi gotovo bez ikakve smetnje nazivamotunelskim efektom. Taj se efekt osniva na zakonima valne mehanike, prema kojima se

elektroni koji su sastavni dijelovi materijala od kojih je vodi nainjen s velikomvjerojatnou probijaju izmeu molekula vrlo tankih slojeva materijala. Vjerojatnostnesmetana prolaza elektrona kroz strane slojeve opada vrlo naglo s porastom njihove debljine,

pa tako ve postojanje treeg sloja molekula poveava slojni otpor oko 100 puta. Iz toga jerazloga za ispravan rad elektrinih aparata nuno da im elektrini kontakti u pogonu postignu


6/70

kvazimetalni dodir. To se redovito postie mehanikim razdvajanjem mikroslojeva kojinastaju zbog tlaka izmeu kontakata odnosno sile pritiska pri zatvaranju kontakata kojiuzrokuje plastine deformacije metala i na taj nain dovode i do razaranja stranih slojeva. Prikliznim se kontaktima takav dodir postie mjestiminim skidanjem povrinskih slojeva zbogtrenja. Za podizne kontakte izlazi iz tog tumaenja da tokasti kontakti imaju prednost pred

ravninskim, jer e ista kontaktna sila na njihovoj manjoj dodirnoj plohi proizvesti veispecifini tlak, a time i veu plastinu deformaciju. Iskustvo pokazuje da je za postizanjejednake stvarne dodirne plohe pomou plastine deformacije za praktiki ravne ravninskekontakte potrebna 3 10 puta vea sila nego za tokaste. Burstyn [3] je upozorio da kodtanjih slojeva i same elektrostatske privlane sile meu kontaktima mogu prouzroiti dovoljantlak za njihovo mehaniko razaranje. Ve pri naponu od 60 V meu kontaktima nastajespecifini tlak od 3187,5 N/mm2ako je svaki kontakt prekriven slojem debljine m101050 i

relativne dielektrine konstante .5,2r Taj se podatak moe provjeriti jednostavnim raunom. Metalne kontaktne plohe

predouju ploasti kondenzator u kojem vlada elektrino polje E. Svaka elektroda proizvodi

polovicu tog elektrinog polja E/2 te privlai naboj druge elektrode silom:

2

0

222

d

UAEAD

EQF r

(2.2)

Pri tome je

ED r0 vektor dielektrinog pomaka,

r - dielektrina konstanta vakuuma,

r - relativna dieletrinost sloja izolacije u odnosu na vakuum,A -povrina ploe,

d - razmak ploa,

U - napon kondenzatora.

Kako je 0 r , gdje je:

Vm

As120 108542,8

za (vakuum),

sila po jedinici povrine se rauna prema:

.2

2

0

d

U

A

F r

Ako se pretpostave fizikalniparametri sa sljedeim brojanim vrijednostima, za navedeni

primjer dobiva se veliina tlaka izmeu kontaktnih ravnina:

,605,2 VUr d ,1050 10 m

.512,318710187512,322

9

mm

N

m

N

A

F

Ako radi manje robusne izvedbe kontaktnog sustava nedovoljnim mehanikimrazaranjem neeljenih slojeva na kontaktnim ravninama ne doe do kvazimetalnog dodira,nakon zatvaranja kontakata dolazi do elektrinog razaranja makroslojeva kao posljedica

termikogproboja (makroslojni proboj). Pod utjecajem elektrinog polja kroz ove neeljene


7/70

slojeve u poetku prolazi tek vrlo slaba struja budui da ovi slojevi imaju izolatorski karakter.Pri tome e na odreenom mjestu na kojem je najmanji otpor protjecanju elektrine strujegustoa struje biti najvea. Ovo ima za posljedicu lokalno poveanje temperature to na tomemjestu kontakta poveava vodljivost neeljenog sloja, a time jo vie poveava gustou struje.Ovo meudjelovanje se cikliki pojaava sve do trenutka kada se pri odreenoj jakosti

elektrinog polja mV/1010 98 na promatranom mjestu kontakta ne stvori vodljivi mostod rastaljenog metala sa kontaktnih povrina. Potom se ovaj vodljivi most povrinom iriradijalno od smjera struje sve dok razlika potencijala izmeu kontakata ne padne na konanuvrijednost oko V5,0 . Kada se to dogodi, smanji se i zagrijavanje poetnog kontakta budui seiri kontaktna povrina i temperatura metalnog vodljivog spoja pada ispod toke talitakontaktnog metala. U potpunosti je razumljivo da i samo povremeno nastajanje pojave

rastaljivanja kontaktnog materijala loe djeluje na vrijeme trajanja kontakata. Sam mehanizamprolaska elektrine struje kroz slojeve na povrini kontakata jo nije u potpunosti istraen.Postoje gledita da se ova pojava dobrim dijelom moe predoiti na fizikalno slinu pojavuelektrolize. Radi boljeg razumijevanja praktinog znaenja predoenih fizikalnih pojava,

prikazat e se nadalje na koji se nain pojedine fizikalne veliine mogu izraziti ukvantitativnom obliku.

2.1 Proraun kontaktnog otpora

Ako usvojimo fizikalni model elektrinog kontakta sukladno grafikom prikazu saslike (2.3) moemo izvriti raunsku analizu provlanog otpora pR . Grafiki model sastoji se

od dva cilindrina kontakta promjera 2b i specifinog otpora . Pod pretpostavkom da sematerijal kontakata u potpunosti dodiruje cijelom eonom plohom, tok struje bio bi jednolike

gustoe i smjera okomito na dodirnu plohu. Ako potom u sreditu kontakata simetrinopostavimo kuglicu promjera 2a i zanemarivo malog specifinog otpora, nastat e uski zraniraspor izmeu eonih povrina kontakata te e istovremeno tok struje dobiti radijalni smjer

prema vodljivoj kuglici. Na ovaj nain nastat e u modelu provlano podruje, koje je na slici(2.3) shematski ogranieno oplojima kugli promjera 2a i 2b.

Slika 2.3Proraun provlanog otpora,R1 i a se ne vide, napraviti sliku!Zamoliti Prof.

Bausa da da zadatak studentima TVN! Visio!


8/70

Ovdje se moe pretpostaviti da je smjer toka struje takav da su sve toke na jednomoploju kugle ekvipotencijalne plohe. Takoer, ovdje e se zanemariti onaj dio promjeneelektrinog otpora koji nastaje kao posljedica deformacije toka struje izvan promatranog

provlanog podruja. Provlani otpor pR e biti dio ukupnog elektrinog kontaktnog otpora

koji e uzrokovati poveanje otpora uslijed smanjenja kontaktne povrine na oploje umetnutekugle promjera 2b.Ako se elektrini otpor svake polovice umetnute vodljive kugle za sluaj

pretpostavljenog homogenog aksijalnog toka struje oznai s 1R , odnosno elektrini otpor za

sluaj radijalnog toka struje s 2R tada je ).(2 12 RRRp

Infitezimalno maleni dio elektrinog otpora radijalnog toka struje koji se nalazi uljusci polukugle radijusaxi debljine dx, odreen je izrazom:

.2 2

2

x

dxdR

.112

122 2

2

baxx

dxR

b

a

b

a

(2.3)

bpolumjer cilindrinog kontaktaapolumjer kuglice meu kontaktimaInfitezimalno maleni dio elektrinog otpora aksijalnog toka struje koji se nalazi u

cilindrinom platu radijusax, debljine dxi visine 22 xb moe se pisati:

.2

22

1dxx

xbdR

Vidljivo je da su svi elementarni elektrini otpori 1dR meusobno u paralelnom spoju,

treba zbrojiti njihove reciprone vrijednosti 1/ 1dR :

.1222

2

12

2

2

22

211

10

2221

21

22

022

0 11

R

bxbuduuux

xdu

x

dudxxdxdu

xbu

xb

xdx

dRR

b

bb

x

.1

21

bR

(2.4)

Na osnovi izraza (2.3 i 2.4) i izraza )(2 12 RRRp dobije se:

,21

ba

Rp

Odnosno budui da je b >> a dobiva se:


9/70

.a

Rp

(2.5)

Pretpostavi li se da se umjesto kuglice radijusa a kao dodirno mjesto postavi ravna

kruna povrina polumjera a, dobiva se prema Holmu [2, str 17.] neto vei provlani otpor

.2a

Rp (2.6)

Ako je materijali oba kontakta razlikuju, na primjer specifini elektrini otpora

21 i , treba u izraze (2.5) i (2.6) uvrstiti njihovu srednju aritmetiku vrijednost:

2

21

. (2.7)

Izvrena je i provjera izraza (2.6) eksperimentom na nain da se vrilo mjerenjeelektrinog otpora mjernim ureajem prema slici 2.4 i to s tonou od 1,5 %. Ovdje sukontaktne povrine bile izvedene u obliku dva ukriana vodljiva cilindra meusobno

pritisnuta odreenom silom. Pri tome se elastinom deformacijom kontakata stvara krunadodirna povrina.

Slika 2.4Mjerenje provlanog otpora prema formuli(2.6)

Veliina dodirne povrine koja nastaje kao posljedica plastine deformacije ovisi okontaktnoj siliFi tvrdoi materijalaH sukladno izrazu za tvrdou kontakata, a premaoznakama definiranim na slici 2.5,

2a

FH

H

Fa

(2.8)


10/70

Slika 2.5Odreivanje tvrdoe kontaktnog materijala

Ako se sada izraz (2.8) uvrsti u izraz (2.6), dobiva se:

FHRp

2 (2.9)

ma polumjer dodirne povrine,)/( 2mNH tvrdoa kontakata,

)(NF sila izmeu kontakata,

m specifini elektrini otpor.

Ovdje opet vrijedi da ja za sluaj da su materijali kontakata A i B razliiti, treba zaveliinu specifinog elektrinog otpora opet uvrstiti srednju aritmetiku vrijednost

sukladno izrazu (2.7), a za tvrdou H uzeti vrijednost tvrdoe mekeg materijala kontakata. Upoetku se s poveanjem sile izmeu kontakata dolazi do elastine deformacije materijalakontakata. U ovom dijelu mehanike operacije sklapanja kontakata tlak nije jednak u svimtokama dodirne povrine. Najvea vrijednost tlaka je u sreditu povrine:

.5,12max a

Fp

Kada se doe do najvee granine vrijednosti tlaka maxp , dolazi do plastine

deformacije materijala kontakata. Tlak izmeu kontakata se mijenja ovisn o veliinideformacije prema dijagramu na slici 2.5, a srednji tlak se rauna prema:

2a

F

p

(2.10)

Na apscisi slike (2.5) je oznaka specifine dubine deformacije D:

r

dD ,

gdje je d apsolutno udubljenje, a r radijus kuglice. Isprekidana linija na slici 2.5

oznaava trajnu deformaciju, a puna linija najveu dubinu tijekom mjerenja. Vidljivo je da za

vee vrijednosti specifine dubine deformacije (D > 0,02) krivulja p zadrava priblinokonstantnu vrijednost. Zato Holm [4] definira tvrdou materijala kontakta prema:

zaa

F

pH 2 D> 0,02.


11/70

Na ovaj nain definirana tvrdoa materijala samo je neznatno vea od Brinellovetvrdoe:

,

2

22

arrr

FHB

kod koje se umjesto krune povrine 2a uzima u obzir sferna povrina udubine.Tvrdoa BH prikazana na slici 2.5 neto niom isprekidanom linijom.

Budui je rad 2/2 , dobiva se:

.5,0

2

r

aD

Moe se zakljuiti da se specifina dubina deformacije D da odrediti mjerenjempromjera 2a trajne deformacije, to je znaajno jednostavnije od mjerenja dubine d. Kako

gustoa struje nije jednolika po cijeloj povrini kontakata u provlanom podruju bit epoveanje temperature najvee u dodirnoj toki pa e u istoj toki biti i najvea vrijednostspecifinog elektrinog otpora. Iz toga razloga za vrijednost specifinog elektrinog otpora uizrazu (2.9) nuno je uvrstiti prosjenu vrijednost ove fizikalne veliine:

,3

210

m (2.11)

gdje je 0 specifini elektrini otpor hladnog materijala kontakata (20C),

temperaturni koeficijent otpora za dani materijal kontakata i m nadtemperatura najtoplijeg

mjesta kontakata. U izrazu (2.11) moe se raunati sa srednjom nadtemperaturom materijala

kontakata prema:

m 3

2 (2.12)

Kvantitativnu vrijednost najvee nadtemperature m nije mogue neposredno mjeriti,

ali se da procijeniti iz pada napona pp RIU na dodirnom mjestu kontakata prema izrazu:

0

2

8

p

m

U (2.13)

Ovdje je fizikalna veliina koeficijent voenja topline. Izraz (2.13) je izveo Holm

[4] sukladno analogiji strujanja elektrine struje i strujanja topline. Slojni elektrini otporkvazimetalnih kontakata, koji se fizikalno objanjava postojanjem tunelskog efekta, moe seprema Holmu odrediti izrazom:

2a

R sS

, (2.14)

U izrazu (2.14) uveden je specifini slojni otpor )( 2ms . Ova veliina je ovisna

iskljuivo o veliini izlaznog rada metala kontakata i debljine molekularnih slojeva nakontaktima i ne ovisi o temperaturi. Pri poveanju temperature se slojni otpor SR smanjuje, a

poveava polumjer trajne deformacije a , tako da specifini slojni otpor Ss Ra 2 ostaje

priblino konstantne vrijednosti. Moglo bi se za specifini slojni otpor takoer rei da je)/( 22 Smms specifina dodirna povrina po jedinici slojne vodljivosti. Ova fizikalna


12/70

veliina s je konstantna za sve metale i iznosi reda veliine21210 m . Komponenta slojnog

otpora SR moe se neposredno izmjeriti mjerenjem ukupnog kontaktnog otpora pri vrlo niskim

temperaturama, jer provlana komponenta otpora pri niskim temperaturama gotovo nestajezbog supravodljivosti metala. Kombinacijom izraza (2.8) i (2.14) moe se slojni otpor pisati

kao:

F

HR sS . (2.15)

Ako se sada sukladno izrazu (2.1) za izraun ukupnog kontaktnog otpora zbroje dosada navedeni izrazi za provlani i slojni otpor SP RiR , dobiva se izraz:

F

H

F

H

aaR s

sK

22. (2.16)

Vidljivo je da je provlana komponenta otpora proporcionalna s faktorom 1/a

(odnosno F/1 ), a slojna komponenta otpora s faktorom 1/ 2a (odnosno 1/F). Iz toga erazloga kod sklopnih aparata slabe struje, kod kojih su konstrukcijom predviene rela tivnomalene kontaktne sile i malene dodirne povrine, biti znaajniji udio slojnog otpora u ukupnojvrijednosti kontaktnog otpora. Naprotiv, kod sklopnih aparata jake struje robusnijom

konstrukcijom predviene su vee kontaktne sile i vee povrine kontakata pa e bitiznaajniji udio provlanog otpora u ukupnoj vrijednosti kontaktnog otpora. Slojni i provlaniotpor imat e istu vrijednost ako vrijedi:

,2

sa odnosno

2

4

sHF , to dajes

sp RR

2

4 .

Ako se pretpostavi da je materijal od kojega su nainjeni kontakti bakar (212268 10,/105,7,108,1 mmNHm s

) dobivaju se proraunom vrijednosti 44 105,3,10 KRNFma .

Vrijednosti specifinog otpora i Brinellove tvrdoe za nekoliko vrsta kontaktnihmaterijala prikazan je u tablici 2.1.

Tablica 2.1:Orijentacijske vrijednosti Hi

Materijal (m) H (N/m)

Srebro 0,0165 x 10-6

6,5 x 10-8

Bakar 0,0175 x 10-6

7,5 x 10-8

Mjed 0,07 x 10-

12 x 10-

Volfram 0,055 x 10-

20 x 10-

Elektrografit 6-80 x 10-6 1-3 x 10-8


13/70

Kako je ranije reeno, izraz (2.16) vrijedi za kvazimetalne kontakte. Ovdje je takoernuno naglasiti da se vrijednost provlanekomponente otpora rauna uz pretpostavku da sekontakti dodiruju samo na jednom mjestu. Jasno je da pri stvarnoj konstrukciji sklopnih

aparata odnosno kontakata u velikoj veini sluajeva postoji vei broj dodirnih mjestarazliitih nasjednih povrina toovisi o glatkoi povrine kontakata, odnosno o finoi obrade

kontaktnih materijala. Ovdje nastaje po dodirnim mjestima (ovisno o veliini dodirnepovrine) nejednak specifini tlak koji uzrokuje elastine deformacije odnosno drugaijeodnose izmeu polumjera atrajne deformacijei kontaktne sile F . Pri tome e samo jedan dio

postojeih dosjednih povrina biti u kvazimetalnom dodiru, a ostali dio kontaktne povrine bite i dalje prekriven viemolekularnim makoslojevima, kako je vidljivo i sa slike 2.6.

Slika 2.6Raznovrsne zone na kontaktnoj povrini

Za kvantitativnu procjenu vrijednosti kontaktnog otpora takvih povrinskih kontakatakoristi se Kesselringov [5] empirijski izraz:

F

kRK

, (2.17)

uz 17,0 . Nuno je naglasiti da izraz vrijedi pri veim kontaktnim silama)1( kNF . Konstantom k u brojniku izraza opisuje se vrsta materijala i finoa obrade, a

eksponentom u nazivniku izraza istoa kontaktne povrine. Vrijednosti konstante k zakontakte nainjene od bakra mogu se odabrati sukladno tablici 2.2 uz predstavljanje pojedinihfizikalnih veliina u ovim mjernim jedinicama : kNuFmuuRK ,, .

Tablica 2.2:Konstanta k za bakar

k(Cu) povrina kontakta

441,45 fino etkana1079,1 grubo etkana1471,5 pjeskarena

Za dobro oiene kontakte uzima se vrijednost faktora 1 . Izraz (2.16) pokazujeda je kontaktni otpor uz odabrani kontaktni materijal funkcija kontaktne sile odnosno da ne

ovisi o veliini prividne dodirne plohe to je sukladno mehanikoj analogiji s trenjem koje jefunkcija normalne sile i neovisno o veliini klizne plohe. Povrina i volumen kontakata

takoer indirektno utjeu na kontaktni otpor KR , jer o njima ovisi toplinski kapacitet kontaktai rashladna povrina kontakta, odnosno najvea temperatura kontakta vidjeti izraz (2.12).


14/70

Tablica 2.3:Promjena KR zbog zamjene bakra drugim materijalom

Materijal Cu - Cu Cu-Mjed Cu - Al Cu - Fe Al - Al Fe - FeRk/ Rk(Cu) 1 1,82,5 1,3 7 1,52,5 35

Tablica 2.3 prikazuje prema Builovu faktore relativnog poveanja kontaktnog otporaza sluajeve ako se umjesto kombinacije kontaktnih materijala bakar bakar uporabe paroviod drugih metala. Za odravanje sklopnih aparata u praksi vrlo je vana pojava starenjakontakata koje podrazumijeva promjena kontaktnog otpora tijekom vremena koja je

posljedica poveanja debljine makroslojeva. Brzina poveanja broja makroslojeva ovisi ovrsti kontaktnog materijala i uvjetima radne okoline u kojoj je instaliran sklopni aparat

(temperature, vlage, kemijskog sastava atmosfere i tome slino). Postoje metali na kojimaoksidi ne prelaze odreenu debljinu jer sami sprjeavaju daljnji proces oksidacije, dok se nadrugim vrstama metala debljina makroslojeva neprestano poveava i to brzinom koja jeobrnuto proporcionalna debljini sloja:

z

C

dt

dz .

Odavde slijedi:

,

dtCzdz 22

2

0

2 ztC

z

,

2

0ztkz

gdje je sa 0z oznaena poetna debljina sloja. Ovdje kontaktni otpor raste po

eksponencijalnoj funkciji proteklog vremena prema izrazu:

p

t

pK ReRtgR

)( .

Ovdje su fizikalne veliine redom definirane kao: g(t) faktor starenja, pR provlana

komponenta elektrinog otpora, e = 2,718baza prirodnog logaritma, konstanta 1 ,odnosno poetna vrijednost faktora starenja g(t) ija je vrijednost ovisna o poetnoj istoikontaktne povrine odnosno o poetnoj debljini makrosloja 0z . U idealnim uvjetima poetna

vrijednost faktora starenja iznosi 1 . Konstanta definira brzinu porasta kontaktnog

otpora KR , a ovisna je i o postojanju zatite protiv stvaranja makroslojeva na materijalu odkojega su nainjeni kontakti. Vrijednost ove konstante se smanjuje izdanijim podmazivanjemkontakata. Ovaj matematiki izraz utvren je mjerenjem kontaktnog otpora na podiznimkontaktima s tokastim dodirom koji su bili instalirani u uvjetima sobne atmosfere. U takovim

uvjetima se kontaktni otpor za bakrene kontakti nakon tri mjeseca koritenja 100 putapoveao, a nakon est mjeseci koritenja poveao se ak 1000 puta. Iz tog je razloga potrebno


15/70

da se pri projektiranju sklopnih aparata kontakti meusobno mehaniki djeluju jedan nadrugoga, na primjer klizanjem i trenjem kontakata, tako da se osigura automatsko ienjenjihove povrine. Kontaktni otpor bakrenih kontakata ovisan je po eksponencijalnojmatematikoj funkciji o porastu temperature, stoga je izuzetno vano da se temperaturakontakata ogranii na temperaturu do 100 C (vidjeti tablicu 3.1). Ako su sklopni aparati

ugraeni u objektima u kojima je vlana ili agresivna atmosfera (na primjer kemijskaindustrija, akumulatorske stanice i slino) potrebno je kontakte zatititi od pristupa zraka izokolia u kojem se sklopni aparat nalazi, na primjer uranjanjem u ulje. Starenje kontakata kojise nalaze u ulju neto je sporije nego u normalnom zraku. Kod kontakata nainjenih od srebrafaktor starenja uobiajeno ne prelazi vrijednost faktora starenja f= 10, a onih nainjenih odvolframa najvei faktor starenja iznosif= 20.

2.2 Odskakivanje kontakata

Pri zatvaranju strujnog kruga odnosno uklapanju kontakata sklopnih aparata dolazi do

manjih ili veih elastinih sudara meu kontaktima. Obino kontakti pri uklapanju nekolikoputa odskoe prije nego zauzmu svoj trajni zatvoreni poloaj to se naziva odskakivanjem.Prilikom svakog od ovih odskoka nastaje kratkotrajni prekid dodira kontakata praen pojavomelektrinog luka koji intenzivira troenje kontakata, a moe se dogoditi da elektrini lukrazvije toliku toplinu dovoljnu da doe do trajnog zavarivanja kontakata. Iz tog se razloga pri

projektiranju konstrukcije treba pojavu odskakivanja kontakata u potpunosti sprijeiti ili, akoto nije mogue, vrijeme pojave odskakivanja smanjiti na najmanju moguu mjeru.

Mehaniki odnosi pri elastinom sudaru dvaju kontakata daju se analizirati uz pomoslike 2.7. Moe se pretpostaviti da pomini kontakt mase m, kojemu zaobljena dodirna ploha

ima radijus r, udara brzinom v u nepomini kontakt u obliku ravne povrine, praktikibeskonano velike mase.

Slika 2.7 Sudar kontakata pri uklopu

Do trenutka dodira kontakata utroi se energija opruge na ubrzanje pominog kontaktamase m. Sukladno tomu, utroeni rad opruge do trenutka udara pominog kontakta unepominijednaka je kinetikoj energiji pominog kontakta u trenutku neposredno prijeudara:

2

2vm

Wk

(2.18)

Uslijed sudara materijal kontakta se deformira u smjeru gibanja za iznos . Rad oprugeza vrijeme deformacije je:

FWs (2.19)


16/70

Ukupna energija koju opruga predaje pominom kontaktu odreena je izrazom:

Fvm

WWW skF2

2

(2.20)

Jedan se dio energije opruge nepovratno gubi, a ostali dio se akumulira u materijalu

kontakta kao energija elastine deformacije:

.10

Fe WW (2.21)

Energija elastine deformacije eW djeluje na pomini kontakt silom u suprotnom

smjeru od djelovanja sile F, to moe dovesti do pojave odskakivanja pominog kontaktanakon sudara s nepominim kontaktom. Da se ovo izbjegne, akumulirana energija elastinedeformacije eW ne smije biti vea od rada F koji je potreban za djelovanje sile opruge na

putu deformacije:

FF

vmWF

2

2

.

Iz gornjeg izraza slijedi da deformacija treba biti:

21

1 2vm

Fs

(2.22)

2.3 Kontaktni materijali

2.3.1 Ope namjene

Odabir najpogodnijeg materijala za izradu kontakata uvjetovan je velikim brojem

kriterija. Poetna toka razmatranja su radni uvjeti u kojima je ugraen sklopni aparat paprema tomu i uvjeti u kojima se nalaze elektrini kontakti u toku svog radnog vijeka.Potomslijede tehniki zahtjevi koji su uvjetovani radnim uvjetima i definiraju parametre obzirom nakvalitetu materijala od kojega su nainjeni kontakti. Vaan kriterij su i fizikalna svojstva koje

mora imati materijal da zadovolji tehnike zahtjeve i radne uvjete. U tablici 2.4 navedeno jenekoliko osnovnih parametara koji pripadaju svakoj od tri spomenute grupe kriterija. Ovdje je

nuno da se parametri sadrani u pojedinom stupcu promatraju nezavisno parametaradefiniranih u druga dva stupca.

Iz tablice 2.4 ne moe se izravno oitati koja fizikalna svojstva materijala za kontaktesu nuna da se zadovolje definirani tehniki zahtjevi odnosno radni uvjeti. U velikom brojusluajeva su tehniki zahtjevi takovi da im niti jedan metal ne moe u potpunosti odgovoriti.

Na primjer nemogue je istodobno zadovoljiti uvjet malen vrijednosti kontaktnog otpora ivelika otpornost prema zavarivanju: za prvi zahtjev nuna je malena vrijednost tvrdoematerijala i velika istoa metalne povrine, a za drugi zahtjev u potpunosti suprotno, odnosnoim vea tvrdoa metala s povrinom pokrivenom stabilnim stranim makroslojevima.


17/70

Tablica 2.4Kriterij za izbor kontaktnih materijala

RADNI UVJETI TEHNIKI ZAHTJEVI FIZIKALNA SVOJSTVA

Vrste kontakta: Elektriki: Specifina elektrina vodljivostvrsti malen kontaktni otpor Toplinska vodljivostsklopni Termiki: Specifina toplina

Funkcija kontakata: teko zavarivanje Temperatura omekivanjavoenje struje malo nagaranje Taliteuklapanje Mehaniki: Vreliteisklapanje velika ilavost Toplina taljenja

Vrsta optereenja: malo troenje Toplina isparavanjajakost struje slabo odskakivanje Tvrdoavisina napona Kemijski: Otpornost prema trenjuuestalost rada kemijska postojanost vrstoa

Okolina : Tehnoloki: Elastina svojstvazrak dobra obradivost Gustoa

ulje dobra lemljivost Svojstva mikroslojevaPrimjena: niska cijena Rekuperacija materijala

prekidaisklopkerastavljai

Primjena i konstrukcija sklopnih aparata u velikoj mjeri odreuju radne uvjete svojihsastavnih dijelova - elektrinih kontakata. Na primjer, kontakti u uljnim sklopnicima koji sekoriste za isklapanje/uklapanje manjih snaga nisu posebno optereeni niti obzirom na trajnovoenje nazivne struje (relativno velika uestalost rada i zatitnog medija - ulja u kojemu sekontakti nalaze) niti na posljedice djelovanja elektrinog luka pri ukljuenju i iskljuenjustrujnog kruga. Iz tog razloga ovi sklopni aparati najee imaju univerzalne kontakte, koji seistodobno koriste za voenje struje, ukljuenje i iskljuenje strujnog kruga. Materijal zauniverzalne kontakte ne mora biti osobito visokih tehnikih zahtjeva niti obzirom na kontaktniotpor niti obzirom na otpornost prema zavarivanju i nagaranju. Suprotno tomu, prekidai kojisamo dio vremena rade i u tekim radnim uvjetima kratkog spoja najee imaju dva parakontakata: glavne (provodne) i lune ili pretkontaktne (uklopno-isklopne). U izuzetnimsluajevima konstruiraju se sklopni aparati s tri para kontakata s posve odvojenim funkcijama:

provodni, uklopni iisklopni. Za provodne kontakte najvanije je da imaju malenu vrijednost kontaktnog otpora, za uklopne kontakte naglasak je na odabiru materijala koji ima visoku

otpornost prema zavarivanju, a za isklopne kontakte posebna pozornost treba biti usmjerena

na odabir materijala koji posjeduje veliku otpornost prema nagaranju. Da bi se dobili

adekvatni kontaktni materijali koji zadovoljavaju sve definirane tehnike zahtjeve potrebno jeodabrati odreene kombinacije materijala razliitih fizikalnih svojstava. Malene vrijednostikontaktnog otpora dobivaju se za materijale malene tvrdoe materijala, velike elektrinevodljivosti i metalne povrine bez stranih makroslojeva, ili barem s makroslojevimazanemarivo male debljine i male mehanike vrstoe. Takoer, dobro je da stranimakroslojevi budu nestabilni pri viim temperaturama. Visoka otpornost na zavarivanjedobivaju se odabirom materijala koji imaju sljedea fizikalna svojstva:sniavanje temperature kontakta (postie se malenim kontaktnim otporom, visokomtoplinskom vodljivosti i velikom specifinom toplinom), velika otpornost prema temperaturi(visoka temperatura smekavanja i taljenja i velika tvrdoa) i sprjeavanje izravnog metalnogdodira (postojanje stranih makroslojeva velike vrstoe koji su stabilni pri visokim

temperaturama).


18/70

Neznatno nagaranje uslijed djelovanja elektrinog luka pokazuju materijali koji imajuvisoku toku talita i vrelita, veliku specifinu toplinu i toplinsku vodljivost, veliku toplinetaljenja i isparavanja. Takoer, povoljno je da metal posjeduje svojstvo rekuperacije, odnosnoda se dio rastaljena i isparena metala opet povee s krutim materijalom kontakata i na tajnain produi ivotni vijek. Takove fizikalne karakteristike imaju metali koji ne oksidiraju pri

visokoj temperaturi i kod kojih pri visokim temperaturama nema prskanja plinovaapsorbiranih u kristalnoj reetki.

Sam proces zavarivanja nije takav da se moe jednoznano odrediti trenutak,temperatura odnosno struja zavarivanja. Izmeu kontakta e se pojaviti adhezijske sile ak ina temperaturi okoline ako se dijelovi dodirne kontaktne povrine dovoljnom silom pribliena udaljenost koja odgovara razmaku atoma u kristalnoj reetki materijala od kojih sunainjeni kontakti. Budui se metalni dodir prethodno nezagrijanih kontakata postieiskljuivo kroz uske pukotine u stranim makroslojevima, adhezijske sile se praktiki ne moguopaziti. Djelovanje adhezijskih sila se znaajno pojaava ako se poveava temperatura namjestu kontakta uslijed kontaktnog otpora a radi toplinskog smekavanja ili taljenja metalnedodirne povrine. U tom sluaju se dodirne povrine poveavaju tako da se pojave vidljivi

tragovi. Ova se pojava uobiajeno uzima kao poetak zavarivanja. Ovaj se poetakzavarivanja osjeti bitno ranije u sluaju sklopnih aparata konstruiranih za male snage kao na

primjer u sluaju releja i sklopnika sa slabim mehanizmima nego to je sluaj kod velikihprekidaa s ugraenim snanim oprunim i motornim pogonima. U tablici 2.5 nalaze sepodaci o temperaturama ( C ) i padovima napona ( mV) na provodnim kontaktima, koji sukarakteristini za pojavu zavarivanja. Za uklopne kontakte je zavarivanje posljedicaelektrinog luka (koji nastaje prije prvog dodira i tijekom odskakivanja kontakata uslijedelastinih sudara) i velike vrijednosti elektrinog otpora kontakata u trenutku prvog dodira.Zavarivanje kontakata zavisi takoer i o pogonskim uvjetima u kojima sklopni aparat vrisvoju funkciju i same konstrukcije sklopnog aparata: projektiranog nazivnog napona koji

odreuje probojni razmak pri kojem se pojavljuje elektrini luk, medija u kojem se vrizatvaranje i otvaranje kontakata, korijena elektrinog lukaodnosno naina gaenja elektrinogluka i tomu slino.Elektrini luk utjee na pojavu zavarivanju radi visokih temperatura kojese pojavljuju u i oko luka i na taj nain utjeu na rastaljivanje metala i radi toga to elektriniluk isti povrinu kontakata od stranih makroslojeva i pri tome ispareni metal uva kontakteod daljnjeg stvaranja stranih makroslojeva iz zraka.

Tablica 2.5Otpornost prema zavarivanju

Sloena je i analiza procesa nagaranja kontakata tako da je vrlo teko materijalejednoznano odabrati. Srebro je metal izuzetno zanimljiv za izradu kontakata naroitonamijenjenih za uklapanje/prekidanje manjih jakosti struja i za manje kontaktne razmake radi

znaajnijeg svojstva rekuperacije rastaljenog i isparenog metala. Drugi metali pak posjedujuodreene prednosti za izradu kontakata namijenjenih za uklapanje/isklapanje veih jakosti

Metal

Zavarivanje u zrakuOmekavanje Taljenje

poetak nagli porastmV C mV C mV C mV C

Cu - - 100 160 120 190 430 1083

Ag 100 160 240 500 90 150 350 960

W - - 600 1500 (400) 1000 1000 3380

Pt 350 960 400 1000 250 540 700 1773


19/70

struja i konstruiranih s veim razmacima kontakata radi viih temperatura talita i vrelita imanjeg intenziteta prskanja. Proces nagaranja ovisan je o kvadratu gustoe s truje J i trajanjuelektrinog luka: J2t. Sam proces je zanemariv dok ne dostigne kritine vrijednosti za pojedinematerijale, na primjer za eljezo 424 /105 cmsA , za srebro 425 /101 cmsA , za bakar

./102 425 cmsA Kada se dostigne vrijednost 42862 /10....10 cmsAtJ utroi se prilikomprocesa nagaranja oko kAsg/8.. .6 kod svih metala osim srebra, kod kojega je utroakznaajno vei. Ako se usporede bakar i srebro, utroak srebra je manji ako je 52 10 tJ , ali jeznaajno vei ako je .1062 tJ

Vrste kontaktnih mater ijala

Ovisno o namjeni sklopnog aparata elektrini kontakti nisu nikad pod utjecajem svihvrsta naprezanja u najviem stupnju. Iz toga razloga iz velikog broja tehnikih zahtjeva valjaodabrati one koji su za pojedinu namjenu sklopnog aparata naroito bitni i esti, odnosnoostale tehnike karakteristike se mogu u dobroj mjeri zanemariti. Tako treba odabrati

kontaktni materijal, koji se moe podijeliti u tri osnovne skupine : isti metali, legure isinterovane kombinacije.

isti metali

U ovoj skupini postoje etiri grupe materijala ovisno o svojim tehnikim znaajkamabitnim za izradu kontakata: visokovodljivi, kemijski otporni, teko taljivi i osrednji metali.

Visokovodlj ivi metali

Najvaniji metali grupe visokovodljivih su bakar (Cu), srebro (Ag) i Aluminij (Al).

Bakar je najee upotrebljavan materijal za izradu kontakata. Najvei nedostatakbakra je stalna oksidacija na vanjskoj povrini ime nastaju makroslojevi sve vee debljine. Iztoga razloga se od bakra ne prave trajno zatvoreni kontakti poglavito na niskonaponskim

sklopnim aparatima. Sklopni aparat s bakrenim kontaktima treba biti tako projektiran da se

kliznim kontaktima vri stalno mehaniko ienje oksidnog makrosloja s povrine bakrenogkontakta iako to smanjuje ivotni vijek kontakta (troenje materijala kontakata). Takoer,temperatura trajnog kontakta izraenog od bakra ne smije biti vea od C100 , jer se na veimtemperaturama oksidacija znaajno ubrzava. Proces nagaranja uslijed utjecaja elektrinog

luka je znaajan budui da oksidni makrosloj onemoguuje rekuperaciju bakra. Bakar jeposebno pogodan za klizne kontakte u sklopnim aparatima u kojima se ne oekuje pojavaintenzivnog elektrinog luka kao niti velika uestalost rada, na primjer rastavljai, valjkastesklopke i slino.

Srebro je metal s najveom vrijednou elektrine vodljivosti i zanemarivog stvaranjaoksidnih makroslojeva. Ovaj plemeniti metal na svojoj povrini kemijski reagira ali pri tomenastaju izuzetno tanki slojevi najee sulfida ili rjee oksida, koji radi svoje relativno maledebljine neznatno utjeu na vrijednost kontaktnog otpora. Pored svega oksidni makroslojevisujo i prilino kemijski nestabilni, tako pri temperaturama iznad C200 dolazi do redukcijei na taj nain opet na kontaktima nastaje isto srebro. Iz tog je razloga srebro posebno

pogodno za konstrukciju trajno zatvorenih kontakata pa se koristi kako u masivnoj izvedbi

(rjee) tako i za galvansko prevlaenje bakrenih kontakata. Srebro je manje otporno nazavarivanje u odnosu na bakar kao i na nagaranje koje je esto pojaano uslijed prskanja radi


20/70

postojanja kisika na povrini srebrnog kontakta. Za male vrijednosti jakosti struja moe seotpornost na nagaranje znaajno poveati konstrukcijom kontakata velike povrine i manjegrazmaka (omoguena kvalitetnija rekuperacija).

Aluminijje metal s relativno slabom mehanikom i termikom otpornou i izuzetnopodloan stvaranju vanjskih nevodljivih povrinskih makroslojeva (vie u odnosu na bakar).

Iz tog se razloga upotrebljava iskljuivo za izradu vrstih spojeva (stezaljke) i to takovomkonstrukcijom da se kontaktne povrine zatiene od dodira sa zrakom.

Kemij ski otporni metali

Ovoj skupini materijala pripadaju metali koji u normalnim uvjetima nemaju vanjsku

povrinu pokrivenu makoroslojevima to znai da su kemijski postojani prema okolinomzraku:

rodij (Rh), iridij (Ir), paladij (Pd), platina (Pt), renij (Re), zlato (Au).

Svi gore nabrojeni metali su vrlo skupi pa se veinom koriste gotovo iskljuivo usklopnim aparatima slabe struje. Najjeftiniji od nabrojenih metala je paladij, koji se ponekad

koristi i pri konstrukciji sklopnih aparata jake struje kod manje optereenih kontakata uagresivnoj atmosferi kao to je na primjer sumporovodik ili sumpor heksafluorid koji sekoristi kao mediji za gaenje elektrinog luka. Radi velike istoe povrine ovi metali imajumalenu otpornost prema zavarivanju i veliku vrijednost specifinog elektrinog otpora (zlato

je izuzetak).

Teko taljivi metali

Karakteristini teko taljivi metali su wolfram (W) i molibden (Mo).Posjeduju veliku tvrdou, visoku temperaturu talita i vrelita pa su izuzetno velike

otpornosti prema zavarivanju i nagaranju. Radi postojanja povrinskih makroslojeva nisupogodni kao materijal za konstrukciju provodnih kontakata iako imaju relativno malen

elektrini otpor. Proizvodnja ovih metala je izuzetno skupa jer se koristi poseban postupaksinterovanja. Wolframje neto otporniji na nagaranje u odnosu na molibden.

Osrednji metali

Ova grupa metala posjeduju osrednja kontaktna svojstva, a glavni i najee koritenje Ni (nikal). Elektrini otpor je po vrijednosti izmeu W i Pt, a temperatura talita je znatnoiznad Cu. Uglavnom se koriste za lake optereene univerzalne kontakte.

Legure

Ako se dva ili vie rastaljenih metala pomijeaju nastaju kristalne reetke materijalakoji se odlikuju novim svojstvima. Pri tome vanu ulogu igraju meusobni udjeli pojedinihmetala u novonastaloj leguri. Na ovaj se nain utjee na dobivanje eljenih mehanikihkarakteristika i kemijske postojanosti. Pri tome se dobiju materijali ija je elektrinavodljivost i temperatura talita redovito manja od srednje vrijednosti komponenata uzimajuiu obzir udjele metala prije mijeanja.

Visokovodlj ive legure

Najee koritene visokovodljive legure su tvrdo srebro (Ag-Cu), srebro-nikal (Ag-Ni), srebro-kadmij (Ag-Cd), srebrna bronca (Cu-Ag-Cd).


21/70

Tvrdo srebro i srebro-nikal s malim udjelima bakra odnosno nikla neznatno su manje

vodljivosti u odnosu na srebro. Pored toga, vee su tvrdoe, vie temperature smekavanja ivee otpornosti prema zavarivanju, ali im je vanjska povrina manje kemijski postojana premaoksidaciji. Uz sve navedeno, budui se lako obrauju esto se koriste za izradu univerzalnihkontakata za sklopnike namijenjene za ukljuivanje/iskljuivanje manjih jakosti struja kao i za

izradu provodnih kontakata visokonaponskih sklopnih aparata. Srebro-kadmij sadri udio od20% kadmija. Na ovaj se nain poveava otpornost prema zavarivanju radi postojanjapovrinskog makrosloja kadmijevog oksida koji nastaje prilikom funkcije sklopnog aparatadjelovanjem elektrinog luka, ili se pak umjetno formira koritenjem posebnih kemijskih

postupaka. Ova legura je vee tvrdoe, lako se obrauje, ali ima vei specifini otpor negosrebro. Srebrna bronca je legura koja ima udio do 4 % srebra i 1,5 % udio kadmija. Znaajno

je vee tvrdoe u odnosu na bakar i kemijski postojanija na visoke temperature koje sejavljaju naroito pri pojavi struje kratkog spoja. Kako su oksidni makroslojevi male vrstoekontaktni otpor je manjeg iznosa nego kod bakra. Ova se legura poglavito koristi za

konstrukciju kontakata prekidaa i za kontaktne opruge.

Kemijski otporne legure

Tipian predstavnik ove grupe legura (slitina) je srebro-paladij (Ag-Pd). Ako je udiopaladija dovoljno velik (30-60 %) ova legura postaje otporna prema agresivnom djelovanju

sumporovodika. Kako raste udio paladija tako se smanjuje vodljivost, ali raste tvrdoa iotpornost prema zavarivanju materijala za kontakte.

Sin terovane kombinacij e

Ovi se materijali, poznati jo i kao pseudolegure, dobivaju sinterovanjem nakonhomogenog mijeanjem praha raznih metala i tono odreenih udjela. Ovim se postupkommogu dobiti materijali i od metala koji se ne daju legirati taljenjem, a mogu se dobiti i

kombinacije metala s nemetalima (na primjer s grafitom) i s drugim kemijskim spojevima

(oksidima, karbidima). Pojedine se eljene karakteristike takovih kombinacija kao na primjergustoa i specifina toplina dobivaju aditivno iz svojstava pojedinih sastojaka u omjeruudjela. Specifini elektrini otpor ovakove pseudolegure ovisan je i o nainu izrade odnosnostrukture materijala. Moe se razlikovati jednoskeletna i dvoskeletna struktura. Jednoskeletnakristalna struktura materijala nastaje na nain da se u prah osnovnog materijala dodaju iumijeaju meusobno odvojena zrnca praha dodatnog materijala. Na ovaj nain jednoskeletnakristalna reetka nainjena je iskljuivo od osnovnog metala. U dvoskeletnoj kristalnoj reetkisvaki materijal je vezan u obliku cjelovite kristalne reetke na taj nain da se dvije (ili vie)

kristalne reetke meusobno isprepliu pa su i elektriki povezane u paralelnom spoju. Ova sedvoskeletna kristalna reetka dobije na taj nain da se porozna sinterovana kristalna reetkajednog materijala (volfram ili molibden) natopi talinom drugog materijala nie temperaturetalita (srebro ili bakar). Ovdje je vra kristalna reetka mjerodavna za karakteristikematerijala vezane na mehanika svojstva i otpornost prema nagaranju. Materijali malogspecifinog otpora dobivaju se uporabom srebra ili bakra, a poveanje otpornosti premazavarivanju, nagaranju i mehanikom troenju dobiva se dodacima metala vie temperaturetaljenja (Ni, Mo, W), metalnih oksida (CdO, Sn 2O ), karbida (WC) ili grafita (C). Ovakovi

materijali se koriste za univerzalne kontakte. Materijali visoke otpornosti prema zavarivanju i

nagaranju dobivaju se odabirom teko taljivih sinterovanih kristalnih struktura (W, Mo), apoveanje vodljivosti i smanjenje krhkosti materijala dobiva se natapanjem u talini srebra ili

bakra. Ovakovi materijali rabe se uglavnom za konstrukciju isklopnih kontakata. Tehnolokipostupak za dobivanje sinterovanih materijala namijenjenih za kontaktne materijale je sloen i


22/70

skup. Iz tog se razloga od pseudolegura ne izrauje cijela masa kontakta, ve iskljuivodijelovi najizloeniji zavarivanju i nagaranju tako da se sinterovani dijelovi tvrdo zaleme naodgovarajuu metalnu podlogu, kako je prikazano crno oznaenim povrinama na slici 2.8:

Slika 2.8Primjena sinterovanih materijala na kontaktima prekidaa

Prema kemijskom sastavu sinterovani materijali pripadaju u jednu od sljedeih skupina:a)bakar u kombinaciji s teko taljivim metalima i karbidima, na primjer bakar -

wolfram (Cu-W) i bakar-wolframov karbid (Cu-WC);

b)

srebro s metalnim oksidima, na primjer srebrokadmijev oksid (Ag-Cd 2O ), srebro-eljezo (Ag-Fe), srebro-wolfram (Ag-W), srebro-wolframov karbid (Ag-WC),srebro-molibden (Ag-Mo).

c) srebro s nemetalima, na primjer srebro-grafit (Ag-C).

Bakarwolfram kod kojega je udio wolframa oko 80 % i koji se uglavnom koristi zamaterijala za izradu predkontakata u prekidaima. Ako je udio wolframa manji, onda se ovajmaterijal koristi za izradu univerzalnih kontakata u komori za gaenje elektrinog luka koja jeispunjena uljem, i to:

-

materijal s udjelom oko 60 % udjela wolframa za izradu kontakata za uljne

prekidae i teretne preklopke regulacijskih transformatora,-

materijal s udjelom oko 30 % wolframa za izradu kontakata za uljne sklopnikemanjih snaga.

Bakarwolframov karbid je materijal otporniji na zavarivanje, nagaranje i mehanikotroenje u odnosu na bakar wolfram.

Srebrokadmijev oksid s udjelom kadmijevog oksida oko 10 % je materijal s malimspecifinim otporom i istovremeno dobro otporan prema zavarivanju, ali manje otporan

prema nagaranju. Ovaj materijal ima veu tvrdou i znaajno manji specifini elektrini otporu odnosu na slitinu srebokadmij. Uglavnom je namijenjen kao materijal za izradu kontakataniskonaponskih sklopnih aparata za zatitu motora i malih prekidaa.

Srebrokositar (II) oksid (Ag-Sn 2O ) je materijal vie temperature talita u odnosu na

srebrokadmijev oksid pa se stoga moe i termiki vie opteretiti to znai da podnosi vee


23/70

nazivne struje i struje kratkog spoja. Ovaj se materijal koristi kao kontaktni materijal

sklopnika za kondenzatore i pokretae elektromotora.Srebro nikal (Ag-Ni) s udjelom 10-40 % nikala je materijal relativno male

vrijednosti specifinog otpora, velike tvrdoe materijala i visoke otpornosti prema nagaranju.Kontakti izraeni od ovog materijala manje su podloni zavarivanju od kontakata izraenih

od istog srebra. Takoer, srebro nikal se lako mehaniki obrauje i lemi. Ako je udio nikla10 %, materijal se koristi poglavito za sklopne aparate u komandnim strujnim krugovima,neto manje za izradu kontakata kod niskonaponskih motorskih sklopki, sklopnih aparata smagnetskim gaenjem i rastavljae.

Srebro eljezo (Ag-Fe) ima fizikalne karakteristike sline kao srebro nikal, alineto vei specifini otpor.

Srebro wolfram (Ag-W) je materijal znaajno otporniji prema nagaranju od srebra,ali mu je specifini otpor vei, a ako je udio wolframa manji od 30 % naginje zavarivanju.Kontaktni otpor je vei upravo radi velikog nastanka wolframata ( 42WOAg ) koji je velikog

specifinog otpora a koji nastaje pri temperaturama veim od C550 . Ovaj se kemijski spojrastali na temperaturi od C600 i potom prekrije kontakte stabilnim staklenastimmakroslojem, to oteava funkciju univerzalnih kontakata za manje snage.

Srebro wolframov karbid (Ag-WC) je materijal vrlo velike tvrdoe, visoketemperature talita, osobito otporan prema nagaranju i oksidaciji i manje podloanzavarivanju nego srebrowolfram (Ag-W). Pored toga, elektrina vodljivost ovog materijala

je relativno dobra (oko 40 % vodljivosti volframa), ali se tee obrauje od srebro wolframapa se upotrebljava samo u uvjetima kad je istodobno potrebna i visoka otpornost prema

zavarivanju i visoka otpornost prema nagaranju.

Srebro molibden (Ag-Mo) je materijal koji se koristi za izradu predkontakata iuniverzalnih kontakata niskonaponskih aparata. Ovaj materijal nema toliko veliku otpornost

prema nagaranju kao srebrowolfram (Ag-W). U uvjetima kada raste temperatura, dolazi do

stvaranja novog makrosloja srebrenog molibdata ( 42MoOAg ), kojemu je temperatura taljenjana C580 i na taj nain smanjuje elektrinu vodljivost kontakata.

Srebro grafit (Ag-C) je materijal s malenim udjelom grafita (do 5 %) i koristi sepoglavito za izradu uklopnih kontakata koji su visoke otpornosti prema zavarivanju. Materijal

s veim udjelom grafita posebno je prikladan za izradu kliznih kontakata. Uz poveanje udjelagrafita smanjuje se koeficijent trenja i mehaniko troenje materijala, a poveava se iotpornost prema zavarivanju. Kako je grafit kemijski postojan prema oksidaciji na ovom

materijalu nema stvaranja stranih makroslojeva ak niti na bakrenom protukontaktu nemabitne oksidacije materijala. Ipak, ovaj materijal ima izuzetno malenu otpornost prema

nagaranju.

2.4 Prijenos materijala meu kontaktima za istosmjernu struju

Na kontaktima sklopnih aparata namijenjenih za ukljuenje/iskljuenje istosmjernestruje dolazi do pojave prijenosa materijala s jednog pola kontakata na drugi. Prilikom ovog

procesa na jednom polu kontakta nastaju udubine, a na drugom izboine. Ovaj izuzetno sloenfizikalni mehanizam procesa prijenosa materijala s kontaktnih polova jo nije dovoljnoistraen. Prema Holmu [4,str 359] mogu se razlikovati tri vrste pojava :

a) mostni ili sitni prijenos,

b) prijenos uslijed postojanja kratkog elektrinog luka,c)

prijenos uslijed postojanja plazmatskog luka ili krupni proces.


24/70

2.4.1 Mostni prijenos

Ova je vrsta prijenosa materijala izmeu polova kontakata evidentna u sluaju kad sekontakti otvaraju bez pojave elektrinog luka ili je trajanje elektrinog luka izuzetno kratko,na primjer krae od s7105 . Prijenos materijala izmeu polova kontakata najee se zbiva usmjeru od pozitivne elektrode (anode) prema negativnoj elektrodi (katodi). Kako su pri ovom

procesu koliine prenesenog materijala u jednom isklapanju izuzetno malene, ova je pojavapoznata kao sitni prijenos. Sam naziv mostni prijenos opisuje fizikalno tumaenje te vrsteprijenosa. Prilikom iskljuivanja strujnog kruga otvaraju se kontakti pa se smanjuje i silaizmeu kontakata. Pri tome dolazi do smanjivanja dodirne povrine izmeu kontakata i

poveanja gustoe struje u tom dijelu dodirne povrine i posljedino do poveanjatemperature. Ukoliko je struja koja se prekida u strujnom krugu dovoljne jakosti, moe se

kontaktni materijal zagrijati na temperaturu koja je vea od temperature rastaljivanjakontaktnog materijala. Po rastavljanju kontakata stvara se izmeu kontakata mostnehomogene temperature od rastaljenog metala kontakata. Ovaj most se uglavnom prekida u

njegovoj najtoplijoj toki koja je uobiajeno u blizini anode. Sami uzroci nesimetrinogzagrijavanja rastaljenog mosta fizikalno se objanjavaju na vie naina. Jedno od objanjenjavezano je za Thomsonov efekt, koji nastaje pri prolazu elektrine struje kroz nejednolikozagrijan vodi. Sam efekt je pojava pomicanja toke najvee temperature u vodiu ponekad usmjeru elektrine struje odnosno prema katodi, a ponekad u suprotnom smjeru ovisno o tomeima li materijal vodia pozitivan ili negativan Thomsonov koeficijent. Ovaj se efekt pokusomdemonstrirati s homogenim vodiem zagrijanim prolazom elektrine struje, s istovremenohlaenim krajevima vodia. Toka najvee temperature trebala bi biti u sreditu vodia,ali se

uslijed postojanja Thomsonova efekta ova toka pomie prema jednom kraju vodia. Takovoobjanjenje mostnog prijenosa kontaktnog materijala kod nekih metala (na primjer platine) nedaje zadovoljavajue objanjenje jer se smjer prijenosa materijala ne slae s predznakomThomsonovog koeficijenta. Thomsonov efekt se teko mjeri jer nije izraeno znaajno

pomjeranje najtoplije toke, ali relativno zadovoljavajue daje fizikalnu sliku pojave mosnogprijenosa, poglavito stoga to prilikom otvaranja kontakata nastaju velike temperaturne razlikeizmeu rastaljenog mosnog materijala i polova kontakta koji su na znaajno manjimtemperaturama i to na udaljenosti od nekoliko mikrometara.

Nesimetrino zagrijavanje rastaljenog materijala kontakta u mostu izmeu kontakatafizikalno se objanjava i Peltierovim efektom, sukladno kojemu nastaje prijelaz elektrinestruje i stvara se izvor ili ponor topline u ravnini dodira dvaju termoelektriki razliitihmetala. Ovaj efekt nastaje i u graninoj ravnini izmeu krute i tekue mase istog metala.Rastaljen materijal mosta izmeu kontakata ima dvije granine ravnine prema krutom metalukontakata. Uz pozitivnu vrijednost Peltierovog koeficijenta, na graninoj ravnini mosta u kojiulazi elektrina struja materijal se hladi, a na graninoj ravnini na kojoj elektrina struja izlazimaterijal se zagrijava, to opet uzrokuje lom na anodnoj strani.

Za objanjenje ove pojave koristi se i Kohlerov efekt koji se temelji navalnomehanikom tunelskom efektu. Ukoliko elektron elektrikog naboja e bez gubitaka

prolazi kroz mikroslojeve izmeu katode i anode s ukupnom razlikom potencijala , dobivaenergiju e . Ta energija se u obliku topline prenosi na povrinu anode i predgrijava je. Takonastala razlika temperature uzrokuje potom i nesimetriju temperature u rastaljenom materijalu

mosta izmeu kontakata.


25/70

2.4.2 Prijenos kontaktnog materijala uslijed kratkog elektrinog luka

Ako se iskljuuje elektrina struja otvaranjem kontakata bez nastanka elektrinog lukamogu nastati takove pojave koje se ne mogu objasniti fizikalnim mehanizmom mosnog

prijenosa. Keil [6] opisuje pokus isklapanja elektrine struje 5Au omskom strujnom krugugdje postoji razlika potencijala 6V izmeu kontakata, za sluaj da je jedan pol kontakta(anoda) od wolframa, a drugi pol (katoda) od zlata. Prema rezultatima pokusa vidljivo je da na

povrini zlatne katode nastane iljak od istog volframa. Kako je temperatura talita wolframapriblino za 2400 C vea u usporedbi sa zlatom, oigledno se ne radi o mostnom prijenosukontaktnog materijala naime, takove velike razlike temperatura na rastaljenom materijaluizmeu kontakata ne mogu se objasniti niti jednom od prethodno navedenih efekata, a

pogotovo se ne moe razjasniti injenica da na metalu kojemu je temperatura talita manjanema promjena. Ovakovi se sluajevi prijenosa kontaktnog materijala objanjavaju posebnom

vrstom elektrinog izbijanja u plinovima, poznatim i pod nazivom kratki elektrini luk (ilielektrini luk bez plazme). Kratki elektrini luk nema obiljeja stabilnog elektrinog luka,

bitna karakteristika ovakovog luka je prema Holmu [4] uvjet da je njegova duljina l, koja

odgovara razmaku izmeu kontakata, mnogo manja od radijusa katodnog utjecaja kr :

krl

u ovome e sluaju anodni i katodni utjecaj biti priblino jednake veliine:

ka rr

Proraunom je lako dokazati da uz takove uvjete prostor anodnog utjecaja ima veu

temperaturu od prostora katodnog utjecaja. Iz tog se razloga kontaktni materijal s anode jaeisparuje od materijala s katode i potom kondenzira na katodi koja ima manju temperaturu.

Kratki elektrini luk na taj nain uzrokuje prijenos kontaktnog materijala od anode premakatodi. W. Merl na slian nain objanjava djelovanje kratkog elektrinog luka, samo to

umjesto radijusa katodne utjecaja uvodi pojam slobodnog puta elektrona :

l

Znai, uz zadovoljen uvjet da razmak elektroda nije vei od slobodnog puta elektrona,izmeu kontakata ne dolazi do sudara elektrona s esticama plina, odnosno ne dolazi do

ionizacije, pa ni do stvaranja plazme i visoke temperature vezane uz nastajanje stabilnogelektrinog luka. Iz tog e razloga emitirani elektroni s katode udarati neposredno u anodu ina taj nain poveati temperaturu anode do temperature isparavanja kontaktnog materijalaanode.

2.4.3 Prijenos kontaktnog materijala uslijed postojanja plazmatskog luka

Plazmatski elektrini luk ima prema Holmu [4] toliku duljinu da anodna mrlja postanemnogo vea od katodne, dakle obzirom na malenu koliinu prenesenog kontaktnog materijala

i taj proces pripada podruju sitnog prijenosa.., kak rrrl


26/70

Ovakav elektrini luk sadri plazmu u prostoru izmeu anodnog i katodnog polakontakta, a od kratkog elektrinog luka razlikuje se i po efektu smanjivanja napona s

pojaanjem elektrine struje.Analogijom, plazmatski elektrini luk moe se opisati zadovoljenjem uvjeta da je

njegova duljina vea od slobodnog puta elektrona:

.l

Uslijed djelovanja plazmatskog elektrinog luka materijal s katode se isparuje jae odmaterijala s anode, te tako nastaje prijenos kontaktnog materijala od katode prema anodi.

Ovdje se ipak radi o znaajnijim koliinama prenesenog kontaktnog materijala nego li jesluaj za prethodno opisan dva fizikalna mehanizma. Iz tog razloga ova pojava se obinooznaava krupnim prijenosom kontaktnog materijala. Ovaj proces se bitno pojaava za vrlovelike struje reda veliine nekoliko tisua ampera, u kojem sluaju metalna para visoketemperatura sa sobom nosi i kapljice rastaljenog kontaktnog materijala.

2.4.4 Uloga pojedinih vrsta prijenosa kontaktnog materijala u procesu sklapanja

Pri ukljuenju struje se esto pojavljuje kratki elektrini luk i uz vrlo niski napon meukontaktima, uslijed mjestimino izraenih izuzetno velikih vrijednosti elektrinog poljanastalih kao posljedica mikroskopskih neravnina dodirnih povrina kontakata. SukladnoKeilu, izmeu fino poliranih kontakata hrapavosti oko cm510 , nastaje kratki elektrini lukve pri razlici potencijala od 10V, u trenutku kada se polovi kontakata priblie na razmak odnekoliko cm

510 .Iz tog razloga e anodni materijal dijelom ispariti i kondenzirati na katodi.

Rastaljeni metal s anode se potom pretvara u kruti oblik im se kontakti zatvore, ali dolazi do

njegovog loma pri ponovnom otvaranju, i to na takav nain da na katodi ostane viakmaterijala. Ovdje je koliina preneenog materijala uG proporcionalna koliini elektrinog

naboja kq koja proe kratkim elektrinim lukom do trenutka zatvaranja, te je Holm [4]

odreuje relacijom:

kku qG .

Fizikalno, proces isklapanja sastoji se od tri perioda kod kojih postoje razlike po

mehanizmu prijenosa kontaktnog materijala. U prvom se periodu uslijed smanjivanja

kontaktne sile rastali kontaktni materijal na dodirnoj povrini i potom mostnim prijenosom

nastaje viak materijala na katodi mG . U drugom periodu je dominantan prijenos kontaktnogmaterijala mehanizmom kratkog elektrinog luka u tijeku kojega se na katodu prenosikoliina materijala .kG Ako i dalje dolazi do produljenja elektrinog luka, dolazi u treem

periodu do plazmatskog elektrinog luka s prijenosom koliine kontaktnog materijala pG u

suprotnom smjeru, odnosno od katodnog prema anodnom polu kontakta. Ukupan prijenos

materijala na katodu za vrijeme isklapanja moe se prikazati relacijom:

.ppkkmpkmi qqGGGGG

Veliine pk qiq u gornjem izrazu su koliine elektrinog naboja koja prolazi kroz

kratki, odnosno plazmatskim elektrini luk do trenutka potpunog prekidanja elektrine struje,


27/70

a pk i su pripadajui faktori proporcionalnosti ovisni o materijalu i obliku kontakata.

Ukupna koliina preneenog materijala iG odreuje se sukladno slici 2.9 kao funkcija trajanja

luka At . Poetak dijagrama u toki dijagrama (t=0, G=m) odgovara mostnom prijenosu, zavrijeme perioda kt odnosi se na kratki elektrini luk i prijenos materijala na katodu, a nakon

toga tijekom perioda pt nastupa podruje djelovanja plazmatskog elektrinog luka sprijenosom kontaktnog materijala na anodu.

Slika 2.9Prijenos materijala za vrijeme isklapanja

Ako se pretpostavi konstantna vrijednosti struje I tijekom cijelog vremena iskljuenja,moglo bi se raunati:

.

,

,2

ppp

kkk

mm

tIG

tIG

IkG

U ovim izrazima nagibi definiranih pravaca s vremenom trajanja odgovarajueg elektrinog

luka kao varijablom mogu se odrediti kao:

., ItgItg ppkk

3 TERMIKA NAPREZANJA

Zagrijavanje sklopnih aparata uzrokovano je disipacijom energije u obliku toplinskih

gubitaka. Najznaajniji dio topline nastaje uslijed djelovanja Jouleovih gubitaka u vodiima ikontaktnim otporima strujnih krugova uslijed trajnog optereenja do nazivne struje, kraih

preoptereenja veih od nazivne struje ili trenutnih optereenja strujom kratkog spoja.Preveliko termiko naprezanje sklopnih aparata moe imati razliite posljedice:


28/70

- oteenje izolacije (karbonizacija organskih spojeva, omekavanje lakova i veziva,lomovi nastali uslijed lokalnih rastezanja, zapaljenje ulja, smanjenje probojne

vrstoe);-

taljenje lemnih spojeva;

- gubitak elastinih svojstava metalnih dijelova, na primjer opruga to moe dovesti do

smanjivanja projektiranih kontaktnih sila;- oksidacija kontakata s poveanjem debljine makroslojeva a time i poveanjem slojnog

otpora;

- taloenje asfaltu slinih naslaga na kontakte u ulju to takoer ima za posljedicupoveanje slojnih otpora kao i oteano hlaenje;

- pregaranje zavojnica i tome slino.

Odgovarajuim tehnikim standardima odreene su dozvoljene granice zagrijavanjanazivnom strujom o emu ovisi trajnost sklopnih aparata pri normalnim uvjetima uporabe.Ove granice su definirane najveim dozvoljenim stacionarnim temperaturama pojedinihdijelova sklopnog aparata ili pripadajuih nadtemperatura obzirom na temperaturu okoline.

Tablica 3.1 sadri podatke dobivene iz preporuka Meunarodne elektrotehnike komisije(IEC) za visokonaponske prekidae i rastavljae. Tehniki standardi istovremeno odreuju istupanj termike otpornosti sklopnih aparata u odnosu na struje kratkog spoja. Ova jetermika otpornost odreena kratkotrajnom strujom, odnosno najveom efektivnomvrijednou izmjenine struje koju sklopni aparat podnosi bez posljedica ako ovakovostanjetraje jednu sekundu. Jedno vrijeme je bilo uvrijeeno da se za procjenu ispravnog termikogdimenzioniranja vodova i sklopnih aparata moe koristiti gustoa struje u 2/ mmA . Ipak sekasnije dolo do zakljuka da se bez detaljne tehnike analize prijelaza i razdiobe topline naosnovi nastalih gubitaka energije uzrokovanih razliitim fizikalnim uzrocima, toplinskihkapaciteta i koeficijenata prijelaza topline, ne moe unaprijed utvrditi zagrijavanje pojedinihkomponenti i dijelova komponenti. Kako je sloena konstrukcija sklopnih aparata, teko je

predvidjeti sve mogunosti i uzroke toplinskih naprezanja. Ne postoji matematiko operjeenje ovog tehnikog problema ve je potrebno analizirati nekoliko tipinih sluajeva sidealiziranim komponentama. Na ovaj nain se zornije predoavaju toplinski modeli, tokasnije omoguuje usporedbu analitikih rjeenja s mjerenjima iz prakse.

Tablica 3.1Najvee vrijednosti trajno dozvoljene temperature za visokonaponske aparate,

sukladno IEC normama

Komponenta sklopnog aparata Temperatura

(C)

Nadtemperatura

(C) (1)

1Bakreni kontakti u zraku:

11posrebreni (osim kontakata definiranih pod 12)

12posrebreni, za vanjske rastavljae sa slojem Ag

tanjim od 1 mm

13bez sloja srebra

2Bakreni kontakti u ulju:

21posrebreni

22bez sloja srebra

105

90

75

90

80

65(2)

50

35

50

40


29/70

3Kontakti s pletenicama

4Stezaljke za prikljuak vanjskih vodia pomou

svornika i matica

5Metalni dijelovi s oprunim svojstvima

6Metalni dijelovi u dodiru sa izolacijom klase:

61 - klasa Y

62 - klasa A

63 - klasa B, u zraku

64 - klasa B, u ulju

65 - klasa F, u zraku

66 - klasa F, u ulju

67emajl na bazi ulja

68emajl sintetski, u zraku

69emajl sintetski, u ulju

7Ulje za uljne prekidae ili rastavljae

8Voda za lune komore hidromatskih prekidaa

75

90

(3)

90

100

130

100

150

100

100

120

100

90

70

35

50

50

60

90

60

115

60

60

80

60

50

30

Napomene:

1. Temperatura prostorije u kojoj je sklopni aparat ugraen ili vanjska temperatura treba biti

nia od C40 , uz srednju vrijednost temperature tijekom 24 sata niom od C35 2. Pri primjeni ovako visokih temperatura posebnu panju posvetiti klasama izolacijesusjednih komponenti.

3. Temperatura mora biti u dozvoljenim granicama kako ne bi utjecala na smanjenje

elastinosti materijala. Za komponente od bakra gornja granica temperature iznosi 70C.

Klasa Y : pamuk, svila, papir, drvo i slini materijali, neimpregnirani;Klasa A : isti materijali definirani pod klasom Y, ali impregnirani ili uronjeni u ulje;

Klasa B : azbest, mika, staklena vlakna i slini anorganski materijali s odgovarajuimvezivom;

Klasa F : isti materijali definirani pod klasom B, ako je ispitivanje dokazalo da izolacija

podnosi temperaturu klase F, koja je za C25 via od temperature klase B.

3.1 Utjecaj kontakata na zagrijavanje vodia

Slika 3.1 prikazuje dva beskonano duga okrugla vodia A i B koji su protjecaniistosmjernom strujom I. Vodii se meusobno dodiruju svojim krajevima i to svojomkrunom povrinom, u koordinatnom sustavu, na mjestu x = 0. Radi postojanja kontaktnogotpora na mjestu dodira dolazi do generiranja vee koliine topline nego li je to sluaj u

ostalim tokama vodia pa dodirno mjesto ima i najviu temperaturu (x = 0). S poveanjem(ili smanjenjem) x koordinate, temperatura vodia pada i asimptotski tei temperaturi (x =


30/70

), koju bi svaka toka vodia imala u sluaju kada ne bi postojao kontaktni otpor. Poredprostorne raspodjele temperature, temperatura je i funkcija vremena. Temperatura se

poveava od svoje poetne vrijednosti 0 u trenutku zatvaranja strujnog kruga t = 0, prema

konanoj vrijednosti (t = ), koja se teoretski dostie nakon beskonano dugog vremena.Ova prostorno vremenska promjena temperature = f( x, t) prikazana je na slici 3.1. Radi

odreivanja analitike jednadbe promjene temperature, promatrat e se elementarni odsjeakvodia duljine dx kako je prikazano slikom 3.2.

Slika 3.1Zagrijavanje kontakata strujom I Slika 3.2Prijelaz topline u elementu vodia

Temperature u tokama vodia 1 i 2 mogu se prikazati izrazima:

dxx

d

2

1

(3.1)

Nakon vremena dtu element vodia na mjestu x dolazi koliina topline :

xdtAdt

dx

Adq

)( 211 , (3.2)

U isto vrijeme iz elementa vodia na mjestux+dx izlazi toplina:

.)(

2

2

112

dx

xxdtAdx

x

dqdqdq

(3.3)

Pri tome je

A (m2)presjek vodia,


31/70

Km

W - koeficijent voenja topline.

Sa povrine elementa vodia toplina prelazi prema okolini:

dtpdxdq )( 03 , (3.4)

gdje je:

2Km

W - koeficijent prijelaza topline,

)(mp - opseg krunog poprenog presjeka vodia, to ujedno predstavlja rashladnu povrinu

vodia po jedinici duljine,

)(0 K - temperatura okoline.

U elementu vodia se generira Jouleova toplina :

,2

4 dtA

dxIdq

(3.5)

gdje je :

)(AI - struja u vodiu,

)( m - specifini otpor vodia.

U promatranom elementu vodia dolazi do porasta topline:

dtdxA

Idtdxpdtdx

xAdqdqdqdqdQ

2

02

2

3241 )( (3.6)

Kao posljedica zagrijavanja, podie se i temperatura elementa vodia za iznos:

.dtt

d

Relacija koja povezuje veliine rezultantno generirane topline (uzrok) i temperature

(posljedica) elementarnog dijela vodia odreena je:

,dtdxt

AcddxAcdQ vv (3.7)

pri emu je

3Km

Jcv - specifina toplina vodia po jedinici volumena.

Ako se relacije (3.6) i (3.7) izjednae, dobiva se opa diferencijalna jednadbapromjene temperature:

.)(2

02

2

A

Ip

xA

tAcv

(3.8)

Pomou ovog izraza odredit e se ukupna temperatura vodia na mjestux:


32/70

Kv 0 (3.9),

i to kao zbroj triju komponenata temperature: temperature okoline ,0 temperature

nastale uslijed zagrijanja v zbog gubitaka u otporu vodia i temperature nastale uslijed

zagrijanjaK

na mjestu x zbog gubitaka u kontaktnom otporu. KomponentaK

se moedobiti iz izraza (3.9) uz zanemarenje temperature okoline i otpora vodia ako se uvrstevrijednosti za ,00 ,0v .K Nakon ovoga, izraz dobiva oblik:

,22

2

KKK

A

p

x

(3.11)

gdje je

.A

p

(3.12)

Ope rjeenje diferencijalne jednadbe (3.11) glasi:,21

xx

K eCeC (3.13)

gdje je e baza prirodnog logaritma ( .. .718,2e ). Na mjestima x = 0 i x =

temperature vodia uzrokovane gubicima u kontaktnom otporu moraju imati vrijednost:

.0)(

)0(

x

x

K

KmK

Iz ovako definiranog graninog uvjeta i izraza (3.13) slijedi:

,,0 21 KmCC odnosnox

KmK e .

U kontaktnom otporu KR , odnosno na mjestux= 0 razvija se Jouleova toplina:

.2 dtRIdQ K (3.14)

Ova se toplina iri simetrino na lijevo i desno, tako da u svaki vodi odlazi polovicaiznosa generirane topline, koju sukladno slici 3.2. oznaavamo s )0(1 xdq . Nadalje, u izraz(3.2) treba uvrstiti:

,2

1)0( 2

1 dtRIxdq K (3.15)

Na ovaj nain )0( xuz izraz dobiva oblik:

.2

1 2

0

K

x

K RIx

A

(3.16)

Na temelju izraza (3.14) slijedi:

,0

Km

x

K

x

(3.16a)

Po supstituciji izraza (3.16a) u izraz (3.16) dobiva se:


33/70

A

RI KKm

2

2

(3.17)

Ovim izraz (3.14) prelazi u oblik:

xKK eA

RI

2

2

(3.18)

Iz izraza (3.28), izvedenog kasnije, vrijednost druge komponente zagrijavanja dobiva se:

.2

Ap

Iv (3.18a)

Sukladno ovome je, obzirom na izraz (3.10), stacionarna temperatura sustava na bilo kojem

mjestux(funkcija na slici 3.2) predoena izrazom:

.2

)(22

0

xKx e

A

RI

Ap

It

(3.19)

Uz x = 0 slijedi dalje da je maksimalna temperatura kontakta:

Kmv 0 .2

22

0

A

RI

Ap

I K (3.20)

Ako je strujni krug izveden sukladno slici 3.2 odnosno eonim dodirom vodiakonstantnog presjeka, konstrukcija kontakta je neekonomina budui je presjek vodia naodreenoj udaljenosti od kontakta neiskoriten obzirom na mnogo niu temperaturu.

Slika 3.4Lokalno poveanje presjeka na kontaktima Slika 3.5Klinasti spoj vodia

Ovaj konstrukcijski nedostatak moe se otkloniti na razliite naine. Na primjer, moese na mjestu dodirne povrine poveati lokalni presjek A, sukladno slici (3.4). Analizomizraza (3.20) jasno je da je pri tome, uz jednak kontaktni otpor KR smanjena komponenta

zagrijavanja Km . Takoer, gubici u kontaktnom otporu mogu se raspodijeliti na veu duljinuvodia, kakav je sluaj kod klinastog spoja dva vodia, sukladno slici (3.5). Iskustveno, bilo


34/70

bi nuno da duljina klina lbude nekoliko puta vea u odnosu na irinu plosnatog vodia hdadoe do smanjenja lokalnog povienja temperature Km na dodirnoj povrini kontakata. Iz

ovog razloga, takovo tehniko rjeenje nije konstruktivno pa ni tehnoloki prikladno.Kombinacijom oba navedena pristupa -poveanjem dodirnepovrine dobivene produljenjemodnosno zakoenjem kontakata uz lokalno poveanje presjeka izmeu vodia dobivaju se

najpovoljniji uvjeti vezani uz zagrijavanje kontaktnih povrina. Ovo se u praksi dobivakonstrukcijskim rjeenjem kontakata s preklopnim spojem vodia kako je prikazano na slici3.6. Ovakav spoj vodia koristi se kod konstrukcije sklopnih aparata s kontaktnim noevima(polune sklopke, rastavljai) i kod konstrukcije prikljunih stezaljki.

Slika 3.6Preklopni spoj vodia

Uz uvaavanje oznaka sa slike 3.6. Jouleovi gubici koji se generiraju na dodirnoj povrini

kontakata (preklopu) mogu se iskazati prema:

,2

22

hblIRIP Kp

(3.21)

Za ostali dio vodia izvan konatakta, na jednakoj duljini ldisipira se toplinska snaga:

.2

hb

lIPv

(3.22)

Ako se zanemari razlika rashladnih povrina, moe jednakost generirane toplinskesnage i disipirane snage prema okoliu vp PP odreivati uvjet za postizanje jednake

temperature vodia. Prema tome se uvjet za duljinu preklopa moe izraunati:

.2

KRhbl (3.23)


35/70

Slika 3.7Grafiki prikaz funkcije )( tx = f (x)

3.2 Zagrijavanje i hlaenje dugih homogenih vodia konstantnog presjeka

Specijalni sluaj zagrijavanja kontaktnih dodirnih povrina uz zanemarenje kontaktnogotpora i pretpostavku konstantnog presjeka vodia prikazan je na slici 3.2. Ovdje je opisanotermiko naprezanje beskonano dugog homogenog vodia konstantnog presjeka. Ovdje e

sve toke vodia biti jednake temperature , pa se u izrazu (3.8) moe uvrstiti .02

2

x

Sada

se dobiva diferencijalna jednadba:

,0)(2

0

Ac

I

Ac

p

dt

d

vv

(3.24)

ije rjeenje se moe pisati:

).1(2

0

t

eAp

I

(3.25)

Ovdje su definirane sljedee veliine:

)( C - nadtemperatura vodia u trenutku t,

p

Acv

- vremenska konstanta zagrijavanja.

Ovaj fizikalni proces odvija se po poznatoj diferencijalnoj jednadbi ije rjeenjeobuhvaa vremensku konstantu:

,p

mc

p

Ac mv

(3.26)

u kojoj je :

3

KmJcv - specifina toplina po jedinici volumena,


36/70

Kkg

Jcm - specifina toplina po jedinici mase,

)(mp - opseg, odnosno rashladna povrina po jedinici duljine,

)( 2mA - presjek, odnosno volumen po jedinici duljine,

)/( mkgm - masa po jedinici duljine.Ako se u izrazu (3.24) uvrstiI= 0, rjeenje jednadbe hlaenja dobiva se:

,0t

g e

(3.27)

gdje je :

)( Cg - nadtemperatura na poetku, za t=0,

p

Acv

- vremenska konstanta hlaenja.

Iz izraza (3.25) i (3.27) moe se zakljuiti da se zagrijavanje i hlaenje odvija s

jednakom vremenskom konstantom. Toplinski tok zagrijavanja odnosno hlaenja prikazujeslika 3.7. Na slici oznaena stacionarna nadtemperatura m dobiva se iz izraza (3.25) uz

uvjet da je t :

.2

Ap

Im

(3.28)

Ova veliina odgovara lanu v u izrazu (3.20). Kad bi vodi bio u potpunosti

toplinski izoliran, temperatura bi mu se poveavala slijedei tangentu zsa slike 3.7, te bi poisteku odreenog vremena postigao nadtemperaturu m .

Slika 3.8Zagrijavanje i hlaenje u trajnom pogonu

U ovom bi se sluaju ukupni Jouleovi gubici po jedinici duljineA

I

2 u potpunosti

sauvali u obliku akumulirane topline mv Ac . Ako se izjednae obe veliine i potom

uvrsti vrijednost vremenske konstante iz izraza (3.26), dobiva se opet izraz m sukladno

izrazu (3.28). Matematika funkcija koja pokazuje ovdje opisano zagrijavanje na slici 3.7,zorno ilustrira da se u poetku procesa zagrijavanja sva generirana toplina akumulira utoplinskom kapacitetu vodia i na taj mu nain povisuje temperaturu brzinom koja odgovaranagibu tangente z. Ako jo poraste temperatura vodia, sve vei dio topline predaje se okolini

i pri tome se zagrijavanje vodia usporava. U stacionarnom stanju ( t ), sva generiranatoplina predaje se okolini, a temperatura vodia m 0 ostaje konstantne vrijednosti.


37/70

3.3 Zagrijavanje u intermitiranom pogonu

Ako se pretpostavi postojanje homogenog vodia intermitentno optereenogkonstantnom strujom iI u intervalima optereenja rt i intervalima bez struje 0t koji se

pravilno izmjenjuju, sukladno slici 3.8, nadtemperatura vodia vremenski se mijenja

prema prikazanoj stepenastoj krivulji odreenoj tokama ..43210 .

m

i

m

i

0 t t0

1

tc

tr tr trt0 t0

2

3

4

B1 B2B3 B4 B5

A2

A3

A4

A5

Ii

Iet

Slika 3.9Zagrijavanje u intermitentnom pogonu

Pojedini segmenti krivulje koja opisuje proces zagrijavanja i hlaenja u intremitentnom

pogonu dobivaju se na taj nain da se po zavretku intervala zagrijavanja i hlaenja ishoditepomonog koordinatnog sustava vodoravnim pomakom dovede u novu toku s t=0 i na tajnain ponovo zapone matematika funkcija zagrijavanja s poznatom poetnom tokom. Timsu nainom svi vremenski intervali zagrijavanja odnosno hlaenja matematiki sline krivuljesamo s razliitim rubnim uvjetima. Naravno, temperatura pri tome nema skokovitih promjena.Sa slike 3.9 je vidljivo da stacionarno zagrijavanje intermitentnog pogona odnosno njegova

posljedica, poveanje temperature vodia i openito predstavlja neto laki sluaj od

stacionarnog zagrijavanja trajnog pogona ija je posljedica poveanje temperature m . Da

se pri trajnom pogonu vodi zagrije do iste granine temperature i , koja je dostignuta

intermitentnim pogonom, trebalo bi ga sukladno slici 3.9 opteretiti ekvivalentnom trajnom

strujom etI , za koju vrijedi da je uvijek manja od struje intermitentnog pogona iI . Sukladno

izrazu (3.28) prema kojem je stacionarno zagrijavanje vodia proporcionalno kvadratu struje,to se omjer poveanja temperatura za intermitentni pogon u odnosu na trajni moe prikazati:

2

2

et

i

i

m

I

I

(3.29)

Ovaj koeficijent naziva se faktor preoptereenja, a isti se koristi da pokae koliko sesklopni aparat u intermitentnom pogonu moe jae opteretiti nego u trajnom pogonu skonstantnom strujom optereenja. Za vrhove funkcije nadtemperature na krajevima pojedinihintervala zagrijavanja odnosno hlaenja sukladno slici (3.9), dobivaju se prema izrazima

(3.25) i (3.27) konstantni omjeri:


38/70

.0

12

2

3

4

1

2

2

12

4

5

2

3

beB

B

B

B

B

B

aeA

A

A

A

A

A

t

n

n

t

n

n

(3.30)

Ovdje su:

inn

inn

mnn

bB

B

BA

2

12

lim

lim (3.31)

Za ovakav specifian sluaj, kada je struja intermitentogpogona konstantna za vrijemeperioda optereenja i kada su radni interval i interval zastoja jednaki, u stacionarnom stanju suvrhovi funkcije nadtemperature na krajevima pojedinih intervala zagrijavanja/hlaenja

predstavljeni stepenastim crtama izmeu dva vodoravna pravca kako je prikazano na slici3.10. Prema izrazu (3.30) moe se pisati:

Slika 3.10Stacionarno stanje intermitentnog pogona

,im

im

d

g

bA

Aa

iz ega se dobiva:

,1

1

a

ba

i

m

ili:

.

1

1

r

c

t

t

e

e

(3.32)


39/70

Pri tome su veliine definirane kako slijedi:tr - trajanje radnog dijela ciklusa odnosno trajanje optereenja,t0 - trajanje dijela ciklusa bez struje optereenja,

0ttt rc - trajanje ciklusa,

- vremenska konstanta.

Mogu se pojaviti razliiti specijalni sluajevi prilikom kojih faktor ima sljedeevrijednosti:

00t , odnosno 1c

r

t

t ,1

0

ct ,r

c

t

t

0t ,

1

1

rt

e

0,0

rtt ,rt

rt ,1

r

cr

t

tt,0

konano .

r

c

t

t

Temeljem izraza (3.32) na slici 3.11 je prikazan faktor preoptereenja kao funkcija

omjerac

r

t

tza razliite vrijednosti parametara

rt

ako se uzme u obzir da je:

.

r

r

cc t

t

tt

Slika 3.11Faktor preoptereenja aparata u intermitiranom pogonu


40/70

Faktor preoptereenja sklopnih aparata koji rade u intermitentnom pogonumjerodavno je za dimenzioniranje razliitih vrsta otpornika, pokretaa i slino. Radi

postojanja niza utjecajnih veliina (promjenljivost specifinih otpora, koeficijenata prijelazatopline i tome slino) ne mogu se teoretskim matematikim modelom s dovoljnom tonousvi obuhvatiti pa se iz toga razloga pri konstrukciji sklopnih aparata u praksi esto koriste

iskustveni podaci za razliite materijala kontakata, nain ugradnje, vrste hlaenja i tomuslino.

3.4 Zagrijavanje homogenih vodia u kratkom spoju

Termiko naprezanje sklopnih aparata najizraenije je za vrijeme trajanja strujakratkog spoja kada dolazi do velikog zagrijavanja sastavnih strujnih krugova (namota

okidaa, rastalnica osiguraa) u vrlo kratkom vremenu koje odreuje vrijeme proradezatite. Obzirom da je vrijeme trajanja ovih pojava iznimno kratko, moe se u potpunosti

zanemariti prijelaz topline na okolinu, odnosno pretpostaviti vrijednost 0 . Na ovaj naindiferencijalna jednadba zagrijavanja (3.24) dobiva sljedei oblik:

,22

2

vv cJ

Ac

I

dt

d

(3.33)

gdje je

2m

A

A

IJ - gustoa struje u vodiu.

Ako se pretpostavi da su veliine gustoe struje Ji omjeravc

konstantne, dobiva se rjeenje

diferencijalne jednadbe:

,20 tc

Jv

SklopniAparati1 Dio

Documents

Transcript of SklopniAparati1 Dio