УДК621.315.626.066.6
Безопасность работы энергосистем, снижение потерь электроэнергии и экономия материальных ресурсов во многом определяется надежностью электрических контактов. В статье дается краткое описание накопленного многолетнего промышленного опыта получения надежных контактов с помощью уникальных способов сварки и применения электропроводящей смазки ЭПС-98 — в разборных соединениях. Холодная сварка обеспечивает надежный контакт Cu+AL, а диффузионная сварка в вакууме применяется, например, для соединения меди, керамики, серебра вольфрама в изделиях электротехники, успешно заменяя пайку завальцовку, клепку, ручную дуговую сварку и аргонодуговую сварку токоведущих деталей высоковольтной и низковольтной аппаратуры.
Надежность электрических контактов обуславливает эффективность эксплуатации энергетического и промышленного оборудования, и в целом энергосистемы страны. Из-за некачественных контактов происходит их нагрев, возрастают потери электроэнергии и возникают аварийные ситуации.
По данным ФГБУ «ВНИИ Противопожарной Ообороны» МЧС РФ, 50% возгораний на промышленных предприятиях и в жилом фонде происходит из-за неисправности электроустановок, при этом 50% пожаров электрооборудования обусловлено отказами электрических контактов.
Увеличение мощности промышленных предприятий и плотности электрических нагрузок требует применения сетей большого сечения. Такие сети могут быть выполнены либо параллельно проложенными кабелями, либо токопроводами. Применение токопроводов дает существенный экономический эффект.
В последние годы все чаще встречается термин «исчезающие металлы». В числе этих металлов одно из первых мест занимает медь, которая является основным проводниковым материалом в распределительных устройствах, токопроводах, электрических аппаратах и т.д.
Мировые земные запасы основных шести цветных металлов (алюминия, меди, свинца, никеля, олова и цинка) на январь 2010 года составляли, по данным экспертов, около 6 млрд тонн, в том числе 85% запасов занимает сырье для производства алюминия, медь составляет 9% в общих объемах запасов, цинк — 3,5%, свинец и никель около 1%, олово — примерно 0,1%.
В настоящее время в электроустановках наряду с медью используется алюминий, удельная проводимость (проводимость, отнесенная к массе металла) которого в два раза выше удельной проводимости меди. Вместе с тем, повсеместное внедрение алюминия затрудняют его пониженные контактные свойства: текучесть и ползучесть металла под нагрузкой, образование на поверхности токонепроводящих окисных пленок Al2O3 и так далее.
В 2015 году ОК Русал совместно с ОАО «ВНИИКП» и ФГПУ ВНИИПО МЧС России разработана инновационная кабельно-проводниковая продукция с использованием гибких токопроводящих жил (ТПЖ) из специальных алюминиевых сплавов. В США проводниковая продукция с жилами из алюминиевых сплавов применяется в распределительных сетях сечением более 10-16 мм 2. Для решения проблемы использования кабельно-проводниковой продукции с ТПЖ из алюминиевых сплавов сечением 2,5, 4,6 и 10 мм2 необходимо создать надежные конструкции и технологии выполнения контактных соединений.
Таким образом, разработка, исследование и создание надежных неразборных контактных соединений, а также современных технологий выполнения разборных контактов является весьма важной задачей. В идеале, наибольшую надежность электрической сети обеспечивают цельнометаллические (неразборные) соединения. Однако присоединение шин к плоским выводам сваркой может быть выполнено при условии одинаковых материалов вывода и шины, присоединяемой к выводу (медная шина — медный вывод, вывод из алюминия или его сплава — шина также из алюминия или его сплава). Осуществление сварки присоединений практически не отличается от сварки шин между собой.
Для этих целей используются следующие способы сварки: полуавтоматическая аргонодуговая, аргонодуговая импульсная, ручная вольфрамовым электродом, ручная дуговая угольным электродом. Вместе с тем, на практике широкое распространение имеет контактная пара медь-алюминий. Достаточно указать необходимость присоединения алюминиевой ошиновки к медным выводам электротехнических устройств или, например, алюминиевой обмотки трансформатора к медной ошиновке. Создание надежного контактного соединения медь-алюминий во многом связано с разработкой способа их сварки. Следует отметить, что использование вышеупомянутых способов сварки этих металлов весьма затруднено из-за образования в сварном шве при нагреве интерметаллидов, обусловливающих хрупкость соединений.
Единственным способом сварки, обеспечивающим надежный и прочный неразъемный контакт меди с алюминием, является холодная сварка давлением.
Уникальность этого способа сварки состоит в том, что сварка происходит без внешнего нагрева, только за счет совместной пластической деформации соединяемых металлов. Для этого необходимо приложить давление, значительно превосходящее предел текучести металла. Прочность холодносварного соединения превышает прочность целого металла при любых видах механических испытаний образцов. Получить аналогичный результат любым другим способом сварки принципиально невозможно.
Преимуществами процесса являются:
- отсутствие нагрева,
- малая энергоемкость,
- высокая производительность,
- отсутствие газовых выделений и брызг расплавленного металла.
Холодная сварка заменяет ручной труд сварщика и позволяет получать также соединения однородных металлов алюминий-алюминий, медь-медь.
Результаты многолетних работ [1] в 60-х-80-х годах прошлого столетия позволили в достаточно широких масштабах внедрить холодную сварку в электротехническую и электроэнергетическую отрасли СССР. Были разработаны следующие способы оконцевания выводов алюминиевых токопроводов и обмоток электроустановок медью с помощью холодной сварки:
- приварка встык к алюминиевым шинам и проводам короткомерных медных отрезков того же сечения;
- армирование концов алюминиевых шин и наконечников тонкими медными накладками точечной холодной сваркой;
- получение тавровых и угловых соединений, соединений типа шпилька с пластиной [2,3].
В настоящее время машины стыковой холодной сварки МСХС-120.0 модернизированы: релейная система управления изменена на микропроцессорную, применена современная гидроаппаратура. Машина успешно внедрена в 2014 году на ОАО «Тольяттинский трансформаторный завод» (г.Тольятти) для оконцевания алюминиевых обмоток трансформаторов медью (рис.1).
Несмотря на очевидные преимущества использования холодной сварки в электротехнике и энергетике, её применение в промышленности России в настоящее время весьма незначительно. Широкому внедрению процесса холодной сварки, по нашему мнению, мешает отсутствие на предприятиях информации об этом уникальном способе сварки, некомпетентность технического персонала (конструкторов и технологов), а в ряде случаев — сложное финансовое положение предприятия.
Ещё одним прогрессивным способом сварки, позволяющим резко улучшить надежность электрических контактов, является диффузионная сварка в вакууме.
Диффузионная сварка — способ соединения разнородных и однородных металлов, сплавов, неметаллических материалов в твердой фазе, осуществляемый путем диффузии атомов через поверхность стыка под воздействием температуры и давления.
К преимуществам процесса относятся:
- малые деформации (5-7 %) свариваемых деталей;
- отсутствие расходных материалов (припои, флюсы, пасты);
- возможность получения нахлесточных соединений с большой площадью сварной зоны; — единственно надежный способ получения гибких медных компенсаторов, шин и связей путем омоноличивания площадок под болтовое соединение;
- получение изделий с безупречным внешним видом из-за отсутствия на них после сварки окалины, грата и следов побежалости.
Наибольшее применение диффузионная сварка нашла в электротехнике, где заменяет пайку, завальцовку, клепку, ручную дуговую сварку и аргонодуговую сварку токоведущих деталей из меди, серебра, вольфрама и керамики высоковольтной и низковольтной аппаратуры.
Диффузионная сварка медных контактных групп (рис. 2) автоматических выключателей, взамен их пайки и клепки, позволила улучшить технические характеристики, безопасность эксплуатации, снизить потери электроэнергии в автоматических выключателях серии ВА53-41 и ВА55-41 производства Курского электроаппаратного завода (ОАО «КЭАЗ», г. Курск).
Надежность работы электрических сетей возрастает в случае применения гибких медных компенсаторов (КШМ), выполненных диффузионной сваркой в вакууме.
В контакт-детали компенсатора под болтовой разьем все медные ленты толщиной 0,1-0,2 мм, из которых изготовлен компенсатор, сварены между собой по всей поверхности их соприкосновения с образованием монолита. Эти компенсаторы, обладают стабильно низким электросопротивлением, не более 5 мкОм, и повышенной гибкостью.
Наряду с неразборными (сварными) соединениями, разборные (болтовые) соединения составляют примерно половину всех контактных соединений.
С точки зрения теории надежности болтовые контактные соединения можно отнести к изделиям с деградационными отказами, связанными с постепенным изменением ресурсного параметра — электрического сопротивления соединения или его температуры.
Не вдаваясь в теорию электрических контактов [4], укажем, что для стабилизации электрического сопротивления разборных соединений применяют различные средства его стабилизации (тарельчатые пружины, цветной крепеж, защитные металлопокрытия и т.д.).
При монтаже новых соединений или при достижении контактными соединениями температур или значений сопротивлений, регламентированных ГОСТ 10434, рекомендуется применять электропроводящую смазку ЭПС-98 (рис.3). Смазка ЭПС-98 представляет собой смесь масла (силиконовое, полиэфирное или минеральное), высокодисперсного металлического порошка (медь или никель), присадки в виде неорганической тиксотропной добавки и стабилизирующих компонент.
Применение металлического порошка увеличивает фактическую площадь касания контактных соединений и повышает термостойкость смазки [5].
В качестве стабилизирующих добавок смазка содержит антиоксиданты и/или ингибиторы коррозии. Применение в электропроводящей смазке неорганической тиксотропной добавки позволяет регулировать ее вязкость, добиваясь получения оптимальной текучести.
Наиболее эффективным методом диагностики состояния контактных соединений является визуальный контроль температуры, выполняемый дистанционными электротермометрами или различными индикаторами. Весьма эффективно контроль температуры соединений осуществлять с помощью специальных термоиндикаторов и термоиндикаторных композиций. Термоиндикаторы — это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов. Изготавливаются они в виде наклеек разного (необходимого) размера с разным диапазоном температур (от 40 до 260 °С). Термоиндикаторы могут быть нереверсивные одноразовые или реверсивные многоразовые. Наклеиваться могут на любую поверхность, в том числе на вогнутую и выпуклую, как обычный стикер. Термоиндикаторные композиции, изменяющие окраску на воздухе при изменении температуры поверхности, наносятся кистью. Обратимые термоиндикаторные композиции изменяют цвет с повышением и понижением температуры; необратимые — изменяют цвет с повышением температуры, а при охлаждении цвет не изменяется.
Систематический контроль температуры нагрева (или электрического сопротивления) в сочетании с предложенными выше способами выполнения неразборных и разборных соединений обеспечивает требуемую надежность, пожаробезопасность и экономичность электрических контактных соединений, а это, в свою очередь, расширяет возможности применения алюминия в электротехнике и электроэнергетике, заменяя дефицитную и дорогую медную ошиновку на алюминиевую, медные провода на алюминиевые.
Список использованной литературы:
- Стройман И.М. Холодная сварка металлов. Л., Машиностроение, 1985, 224с.
- Холодная сварка шпильки с пластиной. И. М. Стройман, Ю. К. Морозов. — автоматическая сварка,1981,№ 8,с.54-57
- Холодная тавровая сварка алюминия и меди. И. М. Стройман, Ю. К. Морозов. — Электротехника,1982,№ 5,с.44-46
- Хольм Р. Электрические контакты, М, изд-во иностр. лит., 1961, 461 с.
- Дзекцер Н. Н., Висленев Ю. С. Многоамперные контактные соединения. Л., Энергоатомиздат, 1987, 128 с.
