Uvod u Teoriju Sklopnih Aparata

Boris Belin

UVOD U TEORIJU TRINIH SKLOPNIH

APARATAitiiiiiimiitiiiiisniiiiiiiiiiiiiiiiiiiritiiimiiiimiiiuiiimimiimifmiimmiiiimiiinmiiiiHumiiuiimmiitiiiiimiiiiiiiiiiiiiiuiiHiiiiiiiiii

KOLSKA KNJIGA-ZAGREB

Urednikdr. ELJKO MATUTINOVI

LektorIVAN HORVAT

CrteiLADISLAV KOVAI M1LJENKO JURJEVI

Odobrio odbor za izdavaku djelatnost Sveuilita u Zagrebu rjeenjem br. 02-1307/3-1977.

Tisak: Grafiki zavod Hrvatske, Zagreb

BORIS BELIN, dipl. in.izvanredni profesor Elektrotehnikog fakulteta u Zagrebu

UVOD U TEORIJU ELEKTRINIH

SKLOPNIH APARATA

k o l s k a k n jig aZAGREB 1978

SADRAJ

i

PREDGOVOR ................................................................................................................................. 7

1. UVOD ......................................................................................................................................... 9

2. TEORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA ............................................................................ 13f 21. Fizikalne osnove ........................................................................................... .......................... 13

22. Proraun kontaktnog otpora ................................................................................................... 1623. Odskakivanje kontakata .......................................................................................................... 2324. Kontaktni materijali .............................................................................................................. 25

241. Ope napomene ...................................................................................................... 25242. Vrste kontaktnih materijala ................................................................................. 27242.1. isti metali .............................................................................................................. 27

242.11. Visoko vodljivi metali .................................................................................... 28242.12. Kemijski otporni metali ................................................................................ 28

k 242.13. TeSko taljivi metali ....................................................................................... 28 242.14. Osrednji metali ........................................................................................... 29

242.2. L e g u r e ......................................................................................................................... 29242.21. Visoko vodljive legure ................................................................................ 29242.22. Kemijski otporne legure ............................................................................ 29

242.3. Sinterovane kombinacije ........................................................................................... 30243. Prijenos materijala meu kontaktima za istosmjernu struju .............................. 32243.1. Mosni prijenos .......................................................................................................... 32243.2. Prijenos zbog kratkog luka ....................................................................................... 33243.3. Prijenos zbog plazmatskog luka ................................................................................ 34

^ 243.4. Uloga pojedinih vrsta prijenosa u procesu sklapanja .......................................... 34

3. TERMIKA NAPREZANJA ..................................................................................................... 3731. Utjecaj kontakata na zagrijanje vodia ................................................................................ 3832. Zagrijavanje i hlaenje dugih homogenih vodia konstantnog presjeka ............................. 4333. Zagrijavanje u intermitiranom pogonu ................................................................................... 4534. Zagrijavanje homogenih vodia u kratkom spoju ............................................................. 4835. Naprezanje kontakata u kratkom spoju i normalnom pogonu .......................................... 4936. Praktina izvedba i termika kontrola provodnih kontakata .......................................... 5137. Zagrijavanje kontakata zbog elektrinog luka ................................................................... 54

4. NAPREZANJE IZOLACIJE ................................................................................................... 5741. Mehanizam proboja i preskoka u izolatorima ................................................................... 5742. Preskok u zraku ............................................................................................................................ 5943. Klizni preskok u zraku ................................................................................................................. 6644. Proboj u tekuim i krutim izolatorima ................................................................................ 6845. Koordinacija izolacije i osvrt na propise ................................................................................ 69

5. ELEKTRODINAMICKA NAPREZANJA ............................................................................... 7751. Radijalne sile krunog zavoja .................................................................................................. 80

t 52. Privlaenje izmeu ravnog vodia i eljezne stijene ............................................................. 8153. Djelovanje elektrodinamikih sila na no rastavljaa ......................................................... 8254. Odbojne sile meu kontaktima ................................................................................................... 85

6. ELEKTRINI LUK I PRELAZNE POJAVE U PROCESIMA SKLAPANJA . . . . 9361. Impedancije i zakoni ravnotee u strujnom krugu ............................................................. 9362. Osnove teorije elektrinog luka ................................................................................................. 99

621. Vrste izbijanja koje prethode luku ...............................................................................100622. Procesi ionizacije i voenja struje u plinovima ................................................. 100

623. Procesi emisije iz metalnih elektroda .......................................................... 118624. Strujno-naponske karakteristike stacionarnog luka ..................................................... 125625. Dinamika teorija luka ...............................................................................................134

63. Uklapanje i kratko spajanje u krugovima istosmjerne struje ..........................................144631. Nabijanje i izbijanje kondenzatora .................................................................... 144632. Uklapanje i kratko spajanje prigunice ...........................................................146633. Kondenzator i prigunica u paralelnim granama ................................................147634. Krugovi s meuinduktivitetom ............................................................................... 148

64. Uklapanje i kratko spajanje u krugovima izmjenine struje ..............................................150641. Promjena struje u induktivnom krugu .............................................................. 150642. Uklapanje na kratki spoj ........................................................................................... 152

65. Procesi prekidanja struje ..............................................................................................................156651. Utjecaj otpora a p a r a ta ...............................................................................................157652. Prekidanje izmjenine struje: karakteristini pogonski sluajevi .............................. 159652.1. Sabirniki kratki spoj. Povratni napon, prekidna mo ..........................................159652.2. sklapanje neoptereenih dalekovoda .............................................................. 166652.3. sklapanje neoptereenih transformatora ...........................................................167652.4. sklapanje neoptereenih kabela ............................................................................... 170

652.41. Tro pol no isklapanje ................................................................................... 171652.42. Uzastopno jednopolno sklapanje .................................................................... 174

652.5. Sklapanje kondenzatorskih baterija ............................................................................178652.51. Uklapanje .................................................................................................. 178652.52. sklapanje ...................................................................................................... 180

652.6. Bliski kratki spoj i kritina udaljenost ...............................................................180652.7. Sklapanje dvaju sistema van sinhronizma. Opozicija faza ............................................188652.8. Prenaponi pri uklapanju dalekovoda ............................................................................192

652.81. Jednopolno predoivanje ............................................................................... 193652.82. Ogranienje uklopnih prenapona .............................................................. 200652.83. Tropolno uklapanje ....................................................................................... 203

652.9. Prekidanje evolutivnih kvarova ................................................................................... 204653. Prekidanje istosmjerne struje: kriterij nestabilnosti luka ......................................... 205

66. Snaga i energija luka pri uklapanju i prekidanju ................................................................ 213661. Energija uklapanja ......................................................................................................213662. Energija prekidanja .................................................................................................. 214

67. Naelne razlike izmeu prekidanja istosmjerne i izmjenine struje ..................................216

7. TEHNIKA UKLAPANJA I PREKIDANJA STRUJE ................................................... 22571. O principima bezlunog i beskontaktnog sklapanja ................................................................ 22572. Luni aparati .................................................................................................................................229

721. Fizikalne pojave u rezidualnom stupcu ...............................................................232722. Zajednika obiljeja aparata sa zavisnom karakteristikom gaenja ........................ 241723. Tekuinski aparati ......................................................................................................245723.1. Uljni prekidai ..........................................................................................................246723.2. Malouijni prekidai ......................................................................................................249723.3. Hidromatski prekidai .................................................................................................. 255724. Aparati sa stlacnim plinom .......................................................................................256724.1. Pneumatski prekidai .................................................................................................. 256724.2. Autopneumatske sklopke .............................................................................................. 271724.3. Prekidai sa sumpornim heksafluoridom SF6 ................................................................ 272725. Lune komore bez posebnog medija za gaenje ..................................................... 277725.1. Prekidai s magnetskim gaenjem u uskim rasporima ( radijalno hlaenje luka na

izolacionim ploama) .................................................................................................. 277725.2. Prekidai deion s kratkim lukovima (aksijalno hlaenje luka na metalnim ploama) . 280725.3. Vakuumski prekidai .................................................................................................. 281726. Ispitivanja prekidne moi ...........................................................................................282726.1. Direktna ispitivanja ......................................................................................................283726.2. Sintetska ispitivanja ...................................................................................................... 286

Kazalo pojmova ................................................................................................................................ 295Indeks oznaka ................................................................................................................................. 299

P R E D G O V O R

Neprestano dotjerivanje, modernizacija i traenje novih, boljih tehnolokih rjeenja postavlja na inenjere, bez obzira na podruje rada, stalne probleme i sve vee zahtjeve. Snage i energije koje treba proizvesti i primijeniti rastu brzinom koja zastrauje. Veliine strojeva i aparata koji se danas grade donedavno nismo mogli ni zamisliti, a koliine potrebne energije rastu iz godine u godinu.

Sklopni aparati imaju posebno mjesto u tom itavom razvoju. Ne samo da njihov broj raste s porastom potronje energije, nego i zahtjevi kojima oni moraju udovoljiti postaju sve sloeniji. Koncentracije energije kojom treba upravljati sve su vee, a raspoloivi prostor je sve manji. Uz to su i zahtjevi za sigurnost i trajnost mnogo stroi no to su nekada bili.

Naravno da je u takvoj situaciji bilo nemogue planirati normalan razvoj energetike o kojoj ovisi itava privreda a da se ne planira ne samo proizvodnja elektrinih aparata, ve i daljnji razvoj tehnikih rjeenja. Autor ove knjige profesor Boris Bclin imao je to na umu od samog poetka svoje inenjerske djelatnosti. U rjeavanje tih problema uloio je sav svoj veliki talent, entuzijazam i mnogogodinji neumorni rad u Radi Konaru, na Elektrotehnikom fakultetu u Zagrebu i u brojnim strunim organizacijama.

Shvaajui vanost i potrebu izdavanja strune literature za one koji rade i one koji e raditi na podruju sklopnih aparata, prof. Boris Bclin koji je predavao na Elektrotehnikom fakultetu u Zagrebu predmet elektrini aparati sve do svoje prerane smrti 1974. godine, zamislio je da se postepeno objavi niz knjiga, koje bi napisali nai istaknuti strunjaci na ovom podruju, a koje bi sustavno obuhvatile teoriju, konstrukciju i primjenu aparata visokog i niskog napona.

Ova knjiga prva je u tako zamiljenoj seriji. Ona obuhvaa upravo one fizikalne pojave i tehnike principe na kojima se zasniva dananja gradnja i primjena sklopnih aparata, ali i njihov daljnji razvoj.

Autor je osim maloga dijela teksta i konane redakcije, pripremio gotovo sav materijal za ovu knjigu. Samo onaj tko zna kako je mukotrpan i sloen posao konana redakcija razumjet e koliko je nesebina i prijateljska gesta Vladimira Jurjevia i Draena Hohsingera, najbliih suradnika pokojnog autora, kad su se prihvatili i da dopune tekst i izvre konanu redakciju, u emu im je mnogo pomogla i Tanja Belin-Slade, autorova kerka.

Pred nama je djelo kojim bi se ponosile i tehniki razvijenije sredine no to je naa. Vjerujemo da e se ovim djelom moi posluiti mnogi inenjeri i tehniari koji grade ili se koriste sklopnim aparatima, no isto tako vjerujemo da e ono pobuditi interes i postati inspiracija buduim inenjerima i tehniarima pri izboru svog usmjerenja.

Pozdravljamo ovu knjigu s nadom i eljom da prekorai granice sredine u kojoj je nastala i da svuda naie na prijem kakav je zasluila.

Zagreb, 30. IX 1977. Dr. in. Radenko Wolfredovni profesor Elektrotehnikog fakulteta

u Zagrebu, lan suradnik Jugoslavenske akademijeznanosti i umjetnosti

P R E D G O V O R R E D A K T O R A

Osjeajui veliko potovanje i pietet prema autoru ove knjige preuzeli smo obavezu, smatrajui je svojom dunou, da pripremimo njegovu knjigu za tisak i tako pridonesemo njezinu izdavanju.

Autor je ostavio potpuno dovren rukopis gotovo svih poglavlja. U elji da knjiga izae s kompletnim sadrajem, kako ga je zamislio autor, napisali smo ova poglavlja: 652.4. Iskfapanje neoptereenih kabela, 652.5. Sklapanje kondenzatorskih baterija (V. Jurjevi), 652.7. Sklapanje dvaju sistema izvan sinhronizma. Opozicija faza, 652.8. Prenaponi pri uklapanju dalekovoda, 652.9. Prekidanje evolutivnih kvarova (D. Hohsinger), kojih nije bilo u rukopisu.

Tekst autora nismo nigdje mijenjali, osim u nekoliko strunih termina i podataka koje smo uskladili s najnovijim standardima, ili su openito drugaije prihvaeni u najnovijoj strunoj literaturi i praksi.

Na nekoliko mjesta u knjizi nalaze se stare jedinice tehnikog sustava (npr. kp, kp/cm2), koje nismo mijenjali zato to smo rukopis recenzirali prije izlaska Zakona o primjeni Meunarodnog sustava mjernih jedinica (Sl-sustava). Inae je u knjizi uglavnom primijenjen Sl-sustav, a preraunavanje nekih jedinica iz tehnikog u Sl-sustav lako e obavili i sam itatelj.

U Zagrebu, listopada 1977. D. Hohsinger V. Jurjevi

1. UVOD

Elektrini sklopni aparati su ureaji za uspostavljanje, odravanje i prekidanje kontinuiteta ili diskontinuiteta strujnih krugova. Vrei tu funkciju, koja obuhvaa uklapanje i isklapanje, pokretanje i regulaciju, zatitu i kontrolu, sklopni aparati upravljaju radom ureaja za proizvodnju, transformaciju, konverziju, prijenos i potronju elektrine energije. Njihovo se djelovanje* oznaeno zajednikim izrazom sklapanje, svodi u krajnjoj liniji na promjenu vlastite impedancije i dielektrine vrstoe, to se postie otvaranjem i zatvaranjem kontakata u sklopkama i re- lejima, pregaranjem rastalnica u osiguraima, probojem i gaenjem iskrita i reagiranjem nelinearnih otpora u odvodnicima prenapona, stepenastim ukljuivanjem otpornika i prigunica u regulatorima, kontinualnim uronjavanjem elektroda ili promjenom vodostaja u tekuinskim pokretaima, promjenom magnetskog zasienja u transduktorima, vcntilnim djelovanjem poluvodikih elemenata u statikim aparatima.

Tako definirano podruje sklopnih aparata sadri veoma raznovrsne proizvode. Njihova se klasifikacija moe provesti prema razliitim kriterijima. Jedan od primjera osnovne podjele prema funkciji i namjeni sadri ove najvanije grupe:

1. rastavljai,2. sklopke,3. prekidai,4. pokretai,5. regulatori.

6. osigurai,7. odvodnici prenapona,8. releji,9. pribor,

10. sklopni blokovi. 1 2

1. Rastavljai imaju osnovni zadatak da u otvorenom poloaju stvaraju tzv. rastavni razmak koji -zajamuje sigurnost osoblja i postrojenja. Slue za otvaranje i zatvaranje strujnih krugova u praznom hodu. Mogu uklapati i prekidati zanemarivo male struje (npr. struje naponskih mjernih transformatora, kapacitivne struje neoptereenih kratkih kabela i si.), a i vee struje, ako pri tome ne nastaje znatna promjena napona meu njihovim kontaktima. Rastavljai mogu trajno voditi struju normalnog pogona, a trenutno podnose i struje kratkog spoja.

2. Sklopke slue za uklapanje, trajno voenje i prekidanje struja normalnog pogona i moguih preoptereenja, a trenutno mogu voditi i struje kratkog spoja. Neke izvedbe mogu uklapati (ali ne mogu prekidati) i struje kratkog spoja. Sklopke koje u otvorenom poloaju ostvaruju jo i propisan rastavni razmak nazivaju se rastavnim sklopkama.

S obzirom na sposobnost voenja, uklapanja i prekidanja struje u tu se grupu mogu jo ubrojiti i sklopnici i motorske sklopke, iako se oni esto smatraju posebnim grupama.

UVOD10

Sklopnici su aparati koji imaju samo jedan poloaj mirovanja, a ne pokreu se ljudskom snagom. Poloaj mirovanja (npr. otvoreni) je poloaj u koji se automatski vraaju pomini kontakti kad se pogonski mehanizam sklopnika (obino elektromagnet) ne napaja energijom. Sklopnici mogu uklapati, voditi i prekidati struje normalnog pogona i pogonskih preoptereenja. a openito su predvieni za veliku uestalost rada (do 3 000 sklapanja na sat).

Motorske sklopke slue za upravljanje elektromotorima, te su im karakteristike prilagoene strujama zaieta, koje se kreu priblino do 12-strukog iznosa nazivne struje.

3. Prekidai imaju, za razliku od sklopki, jo i sposobnost, uklapanja, kratkotrajnog voenja i prekidanja struje kratkog spoja. Ako u otvorenom poloaju ostvaruju propisan rastavni razmak, nazivaju se rastavnim prekidaima.

4. Pokretai slue za pokretanje motora ili putanje u pogon drugih potroaa te omoguuju da pri tome odreene pogonske veliine (struja, moment vrtnje) ostanu u propisanim granicama.

5. Regulatori omoguuju da se neka pogonska veliina (struja, napon, brzina, snaga, temperatura itd.) odrava na priblino konstantnoj vrijednosti, ili da se mijenja po odreenom zakonu.

6. Osigurai su aparati koji taljenjem specijalno dimenzioniranih elemenata (rastalnica) automatski prekidaju strujni krug kada struja prekorai zadanu vrijednost u odreenom trajanju.

7. Odvodnici prenapona slue za zatitu elektrinih postrojenja od prenapona, a prikljuuju se redovito izmeu elektrinih vodova i zemlje. Oni ograniuju visinu udarnih prenapona, ali i amplitudu i trajanje popratne struje (koju mrea alje kroz odvodnik nakon prestanka odvodne struje) da bi se sprijeilo automatsko sklapanje prekidaa ili taljenje osiguraa.

8. Releji su aparati koji mjere neku pogonsku veliinu (napon, struju, tlak, temperaturu itd.) te pri odreenoj njezinoj vrijednosti automatski otvaraju ili zatvaraju svoje kontakte. Time redovito prenose upravljaki impuls nekom drugom sklopnom aparatu, npr. elektromagnetu sklopnika.

Slinu funkciju vre okidai, koji nisu posebni aparati, ve sastavni dijelovi automatskih sklopki i prekidaa. Oni pod utjecajem kontrolirane pogonske veliine (napona, struje) mehaniki oslobaaju zaporne organe spomenutih aparata i time izazivaju njihovo otvaranje ili zatvaranje.

9. Pribor obuhvaa raznovrsne potporne i provodne izolatore, kabelske uvo- nice, otpornike, prigunice, kondenzatore, mjerne i signalne ureaje, stezaljke, ventile itd. koji se ugrauju u aparate i njihove sklopove.

10. Sklopni blokovi su kompleksni ureaji sastavljeni od razliitih sklopnih aparata i pribora, zajedno s odgovarajuim kuitima, postoljima i unutranjim spojevima (npr. komandni pultovi, razvodni ormari i si.).

Prikazana podjela prema namjeni samo je jedna od mogunosti da se poblie definira podruje sklopnih aparata i da se mnogobrojne vrste i izvedbe grupiraju po odreenim bitnim svojstvima. Zato je ni u kojem sluaju ne treba smatrati nekom openito prihvaenom shemom ili standardnom klasifikacijom.

Umjesto prema namjeni, esto se osnovna podjela aparata vri prema nazivnom naponu U, na primjer:

UVOD 11

niskonaponski aparati .

visokonaponski aparati

Potreba za primjenom sve viih napona u prijenosnim sistemima dovela je do toga da su umjesto jedne grupe visokonaponskih aparata danas esto spominju tri:

za srednje napone .............................................................. od 3 do 35 kV, za visoke n a p o n e ..................................................................vie od 35 do 400 kV, za vrlo visoke n a p o n e ........................................................ vie od 400 kV.

Mogua je i klasifikaeija prema vrsti struje (za istosmjernu i izmjeninu struju), prema mjestu primjene (za kune instalacije, za razvodne mree, za industriju, za vuu, za rudnike, za brodarstvo), prema vrsti mehanike zatite (otvoreni, zatvoreni, eksploziono zatieni aparati) itd.

Svi aparati s pokretnim organima mogu se podijeliti na automatske i nea- utomatske, ve prema tome ovisi li im djelovanje o reimu strujnoga kruga ili samo o volji posluge. Sklopke i prekidai mogu se podijeliti prema nainu gaenja luka (zrani, uljni, pneumatski, vakuumski itd.), prema brzini prekidanja (obini i brzi), prema konstruktivnoj izvedbi (polune, valjkaste, paketne, grebenaste sklopke itd.). Releji se dijele prema vrsti mjernih mehanizama (elektromagnetski, indukcijski, bimetalni), prema pogonskoj veliini na koju reagiraju (nadstrujni, pod- naponski, diferencijalni, tlani) itd.

Ve se iz tog kratkog pregleda nazire znaaj elektrinih aparata za tehniku praksu. S uvoenjem automatizacije njihova se primjena neprestano proiruje. Sve stroi uvjeti s obzirom na sigurnost i ekonominost tehnikih postrojenja postavlja istodobno sve vee zahtjeve na kvalitetu'elektrinih aparata: njihovu pouzdanost i trajnost, dimenzije i cijenu. Zato je razumljivo da se i na lom podruju tehnike sve vie panje poklanja prouavanju novih fizikalnih principa, pronalaenju optimalnih konstruktivnih rjeenja i primjeni suvremenih tehnolokih postupaka i materijala.

2. TEORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA

21. FIZIKALNE OSNOVE

Fizikalne pojave u elektrinim kontaktima poele su se dublje prouavati tek u novije vrijeme. Na tom su podruju naroito vani radovi fiziara R. Holma [2],

Ispitivanje mikrostrukture materijala na mjestu dodira pokazuje da se kontakti nikad ne dodiruju na itavoj dosjednoj povrini, nego, zbog neravnosti materijala, samo u nekoliko istaknutih toaka. Ti se izdanci ve pri malim pritiscima napreu preko granice elasticiteta te se plastino deformiraju. Na taj nain raste s pritiskom i kontaktna ploha pojedinog izdanka i broj izdanaka koji se dodiruju. Razumljivo je, dakle, da se s poveanjem pritiska smanjuje otpor kontakta.

Dugo se vremena smatralo da je sav kontaktni otpor koncentriran u graninim plohama na mjestu prijelaza struje, na to upuuje i uobiajeni naziv prijelazni otpor. Takvo se tumaenje moe fizikalno opravdati samo kad su dodirne plohe prevuene slojem loe vodljiva materijala odreene debljine, jer nosilac otpora mora imati makar i malenu dimenziju u smjeru irenja struje. Tonija su mjerenja, meutim, pokazala da se kontaktni otpor pojavljuje i meu dijelovima s metalno istim dodirnim povrinama.

SI. 201. Poveanje otpora na sastavu homogenih vodia

# Uzmimo za pokus dva cilindra A i B, kako je prikazano na slici 201, s istim i praktiki ravnim eonim plohama S te ih u vakuumu sastavimo pod odreenim pritiskom. Mjerenje pada napona zbog prolaza struje / pokazuje da je otpor takve kombinacije vei nego to je otpor homogenog cilindra jednake duliine.

Fizikalno tumaenje te pojave vidimo na slici 202. Budui da se kontaktne plohe dodiruju samo na nekoliko mjesta, strujnice skreu prema tim uskim prolazima. Zbog toga se struja mjestimino koncentrira na mnogo manji presjek vodia, to se oituje kao poveanje otpora. (Jednake posljedice izaziva potiskivanje strujniea pri skin-efektu.)

2. TEORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA

21. FIZIKALNE OSNOVE

Fizikalne pojave u elektrinim kontaktima poele su se dublje prouavati tek u novije vrijeme. Na tom su podruju naroito vani radovi fiziara R. Holma [2].

Ispitivanje mikrostrukture materijala na mjestu dodira pokazuje da se kontakti nikad ne dodiruju na itavoj dosjednoj povrini, nego. zbog neravnosti materijala, samo u nekoliko istaknutih toaka. Ti se izdanci ve pri malim pritiscima napreu preko granice elasticiteta te se plastino deformiraju. Na taj nain raste s pritiskom i kontaktna ploha pojedinog izdanka i broj izdanaka koji se dodiruju. Razumljivo je, dakle, da se s poveanjem pritiska smanjuje otpor kontakta.

Dugo se vremena smatralo da je sav kontaktni otpor koncentriran u graninim plohama na mjestu prijelaza struje, na to upuuje i uobiajeni naziv prijelazni otpor. Takvo se tumaenje moe fizikalno opravdati samo kad su dodirne plohe prevuene slojem loe vodljiva materijala odreene debljine, jer nosilac otpora mora imati makar i malenu dimenziju u smjeru irenja struje. Tonija su mjerenja, meutim, pokazala da se kontaktni otpor pojavljuje i meu dijelovima s metalno istim dodirnim povrinama.

SI. 201. Poveanje otpora na sastavu homogenih vodia

, Uzmimo za pokus dva cilindra A i B, kako je prikazano na slici 201, s istim i praktiki ravnim eonim plohama S te ih u vakuumu sastavimo pod odreenim pritiskom. Mjerenje pada napona zbog prolaza struje / pokazuje da je otpor takve kombinacije vei nego to je otpor homogenog cilindra jednake duliine.

Fizikalno tumaenje te pojave vidimo na slici 202. Budui da se kontaktne plohe dodiruju samo na nekoliko mjesta, strujnice skreu prema tim uskim prolazima. Zbog toga se struja mjestimino koncentrira na mnogo manji presjek vodia, to se oituje kao poveanje otpora. (Jednake posljedice izaziva potiskivanje strujnica pri skin-efektu.)

14 TEORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA

Pretpostavimo radi jednostavnosti da se cilindrini kontakti A i B galvanski dodiruju samo na malom dijelu u sredini prividne kontaktne plohe. Ucrtane strujnice i ekvipotencijalne plohe pokazuju da se otpor poveava u odreenom volumenu kontaktnog materijala s obje strane dodirne plohe.

Si. 202. Koncentracija strujnica i mikrostruktura dodirne plohe

Opisano poveanje otpora zbog provlaenja strujnica kroz nekoliko uskih dodirnih mjesta samo je jedan dio kontaktnog otpora, koji moemo nazvati provlanim otporom R p^ Analogno emo neposrednu okolinu dodirnih mjesta, u kojoj se zapaa deformacija strujnica, zvati provlanim podrujem.

Drugi dio kontaktnog otpora uzrokuju strani slojevi koji se stvaraju na kontaktnim plohama. Poznato je da se metalni dijelovi koji su izloeni kemijskom utjecaju atmosfere s vremenom prevlae slabo vodljivim slojevima (oksidima, sulfidima itd.), koji to vie oteavaju prolaz struje to su deblji. Treba, meutim, spomenuti da se i na svjee oienim metalnim povrinama u zraku uvijek nalaze vrlo tanki jednomolekularni slojevi kisika ili vodika koji su debeli oko 2,5 A = 2,5 IO-10 m. Njihova je veza s kontaktnom plohom jaa od meusobne veze metalnih atoma, stoga se mogu odstraniti samo dugotrajnim arenjem u vakuumu. Jednomolekularni slojevi nastaju i od sredstava za podmazivanje. Trajno zatvoreni kontakti toliko istisnu mazivo da im na povrini ostane samo nevidljivi sloj, koji ih ipak titi od trenja i troenja. Strani slojevi postaju vidljivi tek ako su debeli oko 100 A = 1 0 8 m. Dio kontaktnog otpora koji potjee od stranih slojeva nazivamo s/p/mm otporom R s.

Dakle, ukupan se kontaktni otpor sastoji od jedne provlane komponente i jedne slojne prema formuli

Rk = R p + Rs. (2001)

Mehanizam prolaza struje kroz strane slojeve veoma je sloen i zavisi od toga radi li se o jednomolekularnim ili debljim slojevima (mikroslojevima ili makroslojevima).

Kontakte s jednomolekularnim slojevima nazivamo kvazimetalnimaje r se utjecaj takvih slojeva u tehnici jake struje moe praktiki zanemariti. injenicu da struja kroz takve slojeve prolazi gotovo bez ikakve smetnje nazivamo tunelskim efektom. Taj se efekt osniva na zakonima valne mehanike, prema kojima se elektroni vodia s velikom vjerojatnou probijaju izmeu molekula vrlo tankih slojeva.

Vjerojatnost nesmetana prolaza elektrona kroz strane slojeve opada vrlo naglo s porastom njihove debljine, te ve trei sloj molekula poveava slojni otpor oko 100 puta. Zato je za ispravan rad elektrinih aparata nuno da im kontakti u pogonu postignu kvazimetalni dodir. To se redovito postie me-

FIZIKAI.NF. OSNOVE 15

hanikim razdvajanjem makroslojeva. Ono u podiznih kontakata nastaje zbog pritiska koji uzrokuje plastine deformacije metala i kidanje stranih slojeva. Njihove se pukotine ispune metalom i time omoguuju kvazimetalni dodir. Pri kliznim se kontaktima takav dodir postie mjestiminim skidanjem povrinskih slojeva zbog trenja. Za podizne kontakte izlazi iz tog tumaenja da tokasti kontakti imaju prednost pred plonima, jer e ista kontaktna sila na njihovoj manjoj dodirnoj plohi proizvesti vei specifini pritisak, a time i veu plastinu deformaciju. Iskustvo pokazuje da je za postizanje jednake stvarne dodirne plohe pomou plastine deformacije za praktiki ravne plone kontakte potrebna 3 10 puta vea sila nego za tokaste. Burstyn [4] je upozorio da kod tanjih slojeva i same elektrostatske privlane sile meu kontaktima mogu prouzroiti dovoljan pritisak za njihovo mehaniko razaranje. On za ilustraciju navodi podatak da ve pri naponu od 50 V meu kontaktima nastaje specilini pritisak od 60 kp/mm2 ako je svaki kontakt prekriven slojem debljine 30 A i relativne dielektrine konstante er = 2.

Taj se podatak moe provjeriti jednostavnim raunom. Metalne kontaktne plohe predouju ploasti kondenzator u kojem vlada elektrino polje E. Svaka elektroda proizvodi polovicu tog polja Ej2 te privlai naboj druge elektrode Q silom

E EE = Q = DS

2 2cST

Pri tome je

D = i: E dielektrini pomak,s apsolutna dielektrina konstanta slojeva,S povrina ploe,cl razmak ploa,U napon kondenzatora.

Kako je k = r 0, gdje je. - As

0 = 8,854 -10 12 ---- (za vakuum),Vm

izlazi sila po jedinici plohe

L = !zfo (R)2S 2 ' \ d / '

U navedenom primjeru je

r - 2, (/ = 50 V, ii - 2 30 A = 60 IO-10 m,te se dobiva

E~

N= 6,2 108^ = 63 n r

kpmm2 '

Ako se zbog loe konstruktivne izvedbe kontaktnog sistema ne uspostavi kvazimetalni dodir mehanikim putem, doi e nakon zatvaranja kontakata do elektrinog razaranja makroslojeva na principu neke vrste termikog proboja

TEORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA1 6

( makroslojni proboj). Kako su ti slojevi praktiki izolatori, prolazi kroz njih pod utjecajem elektrinog polja isprva vrlo slaba struja. Na nekom mjestu najmanjeg otpora bit e gustoa struje najvea. Ona uzrokuje lokalno zagrijavanje koje na tome mjestu poveava vodljivost sloja, a time i gustou struje. To se uzajamno djelovanje neprestano pojaava, dok se pri nekoj odreenoj jakosti elektrinog polja (IO8 IO9 V/m) na kritinom mjestu ne stvori nevidljivi most od rastaljenoga kontaktnog metala. Taj se most proiruje u radijalnom smjeru dok se napon meu kontaktima ne smanji na konanu vrijednost oko 0,5 V. Temperatura kritinog mjesta snizuje se pri tome neto ispod talita metala. Jasno je da i povremeno nastajanje tako visokih temperatura tetno djeluje na kontakte.

Mehanizam voenja struje kroz strane slojeve jo nije dovoljno istraen. Spomenimo da ima i takvih tumaenja [4] koja ga svode na pojave elektrolize.

Da bi se bolje uoilo praktino znaenje opisanih fizikalnih principa, pokazat emo u nastavku kako se oni mogu izraziti kvantitativno.

22. PRORAUN KONTAKTNOG OTPORA

Vratimo se prvo pitanju provlanog otpora Rp, koji emo podvrgnuti raunskoj analizi na primjeru slike 203. Ona predouje dva cilindrina kontakta promjera 2b i specifinog otpora q. Kad bi se kontakti dodirivali cijelom eonom plohom, strujnice bi prolazile jednoliko gusto i okomito na dodirnu plohu. Ako vodie odvojimo vrlo uskim rasporom te meu njih simetrino usadimo kuglicu promjera 2 a i zanemarivo malog specifinog otpora, skrenut e strujnice radijalno prema kuglici. Time nastaje provlano podruje, koje smo na slici 203. she-

R, R2

SI. 203. Proraun provlanog otpora

matski ograniili kuglastom plohom promjera 2b. Radi jednostavnijeg rauna pretpostavimo takav smjer strujnica da obje sferne povrine budu nivo-plohe. Ujedno emo zanemariti onaj dio promjene otpora koji potjee od deformacije strujnica izvan oznaenoga provlanog podruja. Prema tome emo provlanim otporom Rp smatrati poveanje otpora unutar kugle radija b. Ako otpor svake njezine polukugle u sluaju homogenog aksijalnog strujanja oznaimo sa R 1, a u sluaju radijalnog strujanja sa R2, tada je

R , = 2 (R2 - R,). (2002)

PRORAUN KONTAKTNOG OTPORA 1 7

Infinitezimalni dio otpora radijalnog strujanja, sadran u ljusci polukugle radija x i debljine dx, odreuje relacija

Prema tome je

dR 2 = q dx

2x2 n

r 2 2nJa

dxx

Q / 12 n V a

(2003)

Infinitezimalni dio otpora aksijalnog strujanja sadran je u platu radija x, debljine dx i visine \ / b 2 x 2. Njegov je iznos

cilindrinom prema tome

d Ri = Q-} / ^ x 22 n x dx

Kako su svi elementarni otpori dR x meusobno paralelno spojeni, treba zbrojiti vodljivosti 1 /di?t :

b b b1 ' 1 2n x dx 27t 2 n b

- ] /b2 - X2Ri J Ri e . ] /b 2 - x 2 e Q

x = 0 0 0

Prema tome je

R, = .2n b

(2004)

Na osnovi relacije (2002) slijedi

ali kako je b > a, dobivamo konano

R P = u a (2005)

Pretpostavimo li umjesto kuglice radija a kao dodirno mjesto ravnu krunu plohu jednakog polumjera, dobivamo prema Holmu [2, str. 17] neto poveani provlani otpor

R = p 2a'

(2006)

Ako je svaki kontakt od drugog materijala, specifinog otpora (h i q2, treba u relacije (2005) i (2006) uvrstiti njihovu srednju vrijednost

Q =Q\ + f?2

~2(2007)

2 Uvod u ceoriju elektrinih sklopnih aparata

1 8 TEORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA

Formula (2006) bila je s tonou od 1,5% eksperimentalno provjerena mjernim ureajem prema slici 204. Kao kontakti sluila su dva ukrtena cilindrina tapa meusobno pritisnuta odreenom silom. Meu njima se plastinom deformacijom stvara kruna dodirna ploha.

SSI. 204. Mjereoje provlaOg otpora prema formuli (2006)

Veliina dodirnog mjesta dobivenog plastinom deformacijom ovisi o kontaktnom pritisku F i tvrdoi materijala H. Iz relacije za tvrdou kontakta, s oznakama prema slici 205,

izlazi

l i =F

a2 n

(2008)

SI. 205. Odreivanje tvrdoe kontaktnog materijala

Ako uvrstimo tu vrijednost u jednadbu (2006), dobivamo konano

(2009)

Pri tome jea (m) polumjer dodirne plohe,H (N /m 2) tvrdoa kontakta,F (N) kontaktni pritisak, q (im) specifini otpor.

PRORAUN KONTAKTNOG OTPORA 1 9

Ako su kontakti A i B od razliita materijala, treba za g opet uvrstiti srednju vrijednost prema (2007), a za H tvrdou mekeg materijala.

S poveanjem pritiska dolazi u poetku do elastine deformacije kontakta. Pri tome tlak nije jednak u svim tokama dodirne plohe. Najvea mu je vrijednost [2, str. 34] u sreditu plohe:

F

Kada pmax dosegne odreenu granicu, tlak vie ne moe rasti jer dolazi do plastine deformacije. Srednji se tlak

mijenja s porastom deformacije prema dijagramu na slici 205. Na apscisi je oznaena tzv. specifina dubina deformacije

gdje je d apsolutno udubljenje, a r radij eline kuglice. Isprekidana crta u desnom dijelu slike pokazuje trajnu deformaciju, a puna najveu dubinu u toku mjerenja. Iz dijagrama se vidi da za iznose D > 0,02 krivulja p zadrava priblino konstantnu vrijednost. Zato Holm [2, str. 412] definira tvrdou kontakta relacijom

je za praksu jednostavnije od mjerenja dubine d.Zbog nejednake gustoe struje u provlanom podruju bit e ugrijavanje, a

time i porast specifinog otpora, najvei u dodirnoj toki. Zato treba za iznos specifinog otpora u jednadbi (2009) uvrstiti neku prosjenu vrijednost

F(2010)

r

FH = p = j za D > 0,02.

a n(2011)

Tako definirana tvrdoa samo je neznatno vea od Brinellove tvrdoe

koja umjesto krune plohe a2TI uzima u obzir sfernu povrinu udubine. Tvrdoa HB predoena je u dijagramu neto niom isprekidanom crtom.

Kako je d ^ a2/2r, slijedi

To znai da se D moe odrediti mjerenjem promjera 2a trajne deformacije, to


gdje je q0 specifini otpor hladnoga kontakta, a njegov temperaturni koeficijent otpora, a A.'lm nadtemperatura najtoplijeg mjesta. U jednadbi (2012) rauna se, dakle, s nekim srednjim ugrijavanjem kontakta za iznos

Vrijednost A.9m nije mogue izravno mjeriti, ali se moe izraunati iz pada napona Up = IRP na dodirnom mjestu prema relaciji

U2-^ * 3 (20l3)%?.Q0

gdje je a koeficijent voenja topline. Tu je relaciju izveo Holm [2, str. 69] iz analogije izmeu strujanja elektriciteta i strujanja topline.

otpor kvtffh&iRtifto' * koji se osniva na tunelskom efektu, moemo prema Holmu odrediti relacijom

R , = ~ , (2014)na

Pri tome je a (>m2) tzv. specifini slojni otpor. On zavisi samo od izlazne radnje metala i debljine molekularnih slojeva, ali ne ovisi o temperaturi.

Pri ugrijavanju se, naime, smanjuje Rs i poveava a, tako da o = n a 2 Rs ostaje priblino konstantno. Adekvatniji naziv veliine rr(i2m2 = m2/S) bio bi specifina dodirna povrina po jedinici slojne vodljivosti. Konstantna a je za sve metale reda veliine 10~,2 Qm2. Komponenta Rs moe sc praktiki odrediti mjerenjem kontaktnog otpora pri vrlo niskim temperaturama, jer u tom sluaju (zbog supravodljivosti metala) provlana komponenta gotovo iezava.

Kombinacijom jednadbi (2008) i (2014) moe se formula za slojni otpor pisati u obliku

HRs = o -

F (2015)

Zbrojimo li prema relaciji (2001) navedene izraze za za ukupan kontaktni otpor formulu

Rp i Rs, dobivamo

R k = / + = y 2 a na 2/n i ! H

/ F + F(2016)

Vidimo da je provlana komponenta razmjerna sa 1 /a (odnosno 1/j/T), a slojna sa 1/a2 (odnosno 1 /F). Zato e kod aparata slabe struje, koji imaju male kontaktne pritiske i male dodirne plohe, prevladati slojni otpor, a pri velikim pritiscima provlani. Obje e komponente biti meusobno jednake ako je

2 o 4 / er \ 2 , . ^ n g2a = ---- , odnosno F = H , to daje Rp = Rs = ------.

n q n \ q I 4 a

Za bakar (^ = 1,8 10 8 i2m, H ^ 7,5 106 N/m 2, a % 10 12 i2m2) dobiva se u tom sluaju a % 10_ 4 m, F ^ 3N , RK ^ 5 10- 4 i2.

PRORAUN KONTAKTNOG OTPORA 21

Vrijednosti specifinog otpora i Brinellove tvrdoe za nekoliko vrsta kontaktnih materijala sadri tablica 206.

Tahl. 206. Orijentacijske. vrijednosti q i H

Materijal e(um) 11 (N/m2)

Srebro 0,0165 T 6.5 }Bakar 0,0175 7,5Mjed 0,07 > 10 12 > IO8Volfram 0,055 20 IElektrografit 6...80 ) 1 ... 3 J

Kao to je ve reeno, formula (2016) vrijedi za kvazimetalne kontakte. Uz to treba napomenuti da vrijednost provlane komponente odgovara teoretskom sluaju kad se konatakti dodiruju samo na jednom mjestu. U praksi postoji redovito vie dodirnih mjesta, kojih broj i dimenzije ovise i o hrapavosti povrine, tj. o finoi obrade. Suprotno pretpostavci u jednadbi (2008) izaziva nejednak specifini pritisak mjestimino samo elastine deformacije, dakle drugaiji odnos izmeu a i V. Od stvarnih dosjednih ploha bit e samo jedan dio u

s>

SI. 207. Raznovrsne zone na kontaktnoj povrini Sp prividna kontaktna pioha,

Sj stvarna (mehaniki optereena) dodirna ploha: crno izolacijski dio (makroslojevi), tokano vodljivi dio (isti metal i mikroslojevi)

kvazimetalnom dodiru, a ostatak e biti prekriven viemolekularnim makroslojevima, kako se vidi na slici 207. Za priblino odreivanje kontaktnog otpora takvih plonih kontakata navodi Kesselring [3, str. 70] empirijsku formulu

k gK* = , (2017)

gdje je x = 0,1 . . . I .Formula vrijedi pri veim pritiscima ( F > 1 kp).Konstantom k u brojniku uzima se u obzir vrsta materijala i finoa obrade,

a eksponentom x u nazivniku istoa kontaktne povrine. Vrijednosti konstante k za bakrene kontakte mogu se odabrati prema tablici 208 ako se pojedine

Tabl. 208. Konstanta k za bakar

k(Cu) povrina kontakta

45 fino etkana110 grubo etkana150 pjeskarena


veliine mjere ovim jedinicama: Rk u Q, q u icm, F u kp. Dobro oienim kontaktima odgovara eksponent x = 1.

Relacije (2016) i (2017) pokazuju da je kontaktni otpor uz zadani materijal uglavnom funkcija kontaktnog pritiska, a da ne ovisi o veliini prividne dodirne plohe. (Mehanika analogija : trenje je funkcija normalne sile, a neovisno o veliini klizne plohe.) Dakako, i dimenzije kontakta posredno utjeu na Rk, jer o njima ovisi toplinski kapacitet i rashladna povrina, tj. temperatura kontakta vidi jednadbu (2012). .

Tabl. 209. Promjena Rk zbog zamjene bakra drugim materijalom

Materijal Cu Cu CuMs C u-A l C u -F e Al-Al F e -F e

Rk/Rk(C U) 1 1,8 -2 ,5 1,3 7,0 1,5-2,5 35

U tablici 209. navedeni su prema Builovu [5, str. 208] faktori relativnog poveanja kontaktnog otpora ako se umjesto kombinacije bakar-bakar upotrijebe parovi od drugih metala.

Za praksu je vrlo vana pojava starenja kontakata. Tim se nazivom oznauje promjena kontaktnog otpora u toku vremena koju uzrokuje porast debljine makroslojeva. Brzina porasta zavisi od vrste materijala i uvjeta okoline (temperature, vlage, kemijskog sastava atmosfere itd.). Ima metala na kojima oksidi ne prelaze odreenu debljinu jer sami spreavaju daljnju oksidaciju, dok se na drugima debljina sloja s neprestano poveava s brzinom koja je obrnuto proporcionalna debljini sloja:

Odavde slijedi

odnosno

d.s/di = C/.v.

fsd.v = C jd i, y = C / + ^ ,

s |/ kt + .s'o,

gdje je s0 poetna debljina sloja.Pri tome kontaktni otpor raste eksponencijalno s vremenom prema relaciji

Rk = f ( t ) RP = e/i( Rp,

gdje je f ( t ) faktor starenja, Rp provlana komponenta otpora, e = 2 ,718 ...Konstanta a ^ 1, tj. poetna vrijednost faktora /( i ) , zavisi od poetne istoe

kontaktne povrine, dakle od poetne debljine sloja s0.U idealnom je sluaju a = 1. Konstanta /i odreuje brzinu porasta otpora Rk,

a zavisi i od zatite protiv stvaranja slojeva. Ona se smanjuje podmazivanjem kontakta. '

Taj je zakon utvren mjerenjem na podiznim kontaktima s tokastim dodirom koji su bili izloeni utjecaju sobne atmosfere. Pri takvim su uvjetima bakreni kontakti nakon tri mjeseca pokazali 100-struki otpor, a nakon est mjeseci 1 000-slruki. Zato je potrebno da se klizanjem i trenjem kontakata u pogonu osigura automatsko ienje njihove povrine.

ODSKAKIVANJE KONTAKATA 2 3

Otpor bakrenih kontakata raste i s temperaturom eksponencijalno, stoga je vrlo vano da im se temperatura ogranii otprilike na 100 C (v. tablicu 301). U prostorijama s vlanom ili agresivnom atmosferom (kemijska industrija, aku- mulatorskc stanice i si.) treba kontakte zatititi od pristupa zraka, npr. uronjavanjem u ulje. Starenje je u ulju neto sporije nego u normalnom zraku.

Kod srebrnih kontakata faktor starenja obino ne prelazi vrijednost / = 10, kod volframa / = 20.

23. ODSKAKIVANJE KONTAKATA; '

Pri uklapanju aparata nastaju manji ili vei elastini sudari meu kontaktima, koji obino nekoliko puta odskoe prije nego se smire u zatvorenu poloaju. Tu pojavu nazivamo odskakivanjem.

Svaki je trenutni prekid dodira pri odskakivanju popraen pojavom elektrinog luka koji pojaava troenje kontakata, a moe ih i meusobno zavariti. Zato treba nastojati da se pravilnom konstrukcijom odskakivanje potpuno sprijei, ili da se bar vremenski to vie skrati.

Mehanike emo odnose pri sudaru dvaju kontakata razmotriti na temelju slike 210. Pretpostavimo da pomini kontakt mase m, kojemu zaobljena dodirna ploha ima radij r, udara brzinom v u ravan nepomini kontakt, praktiki beskonano velike mase.

SL 210. Sudar kontakta pri uklopu

Do asa dodira troi se energija pera na ubrzanje mase m. Prema tome je radnja pera do asa dodira jednaka kinetikoj energiji kontakta u tom asu :

m v2(2018)

Zbog sudara materijal se deformira u smjeru gibanja za iznos s. Radnja pera za vrijeme deformacije je

Ws = F s . (2019)

Ukupna energija koju pero predaje kontaktu odreena je izrazom


Jedan se dio te energije nepovratno gubi, a ostatak se akumulira u materijalu kontakta kao energija elastine deformacije:

We = y. Wv 0 < x < 1.

(2021)

Energija We nastoji da pomini kontakt odrazom potisne protiv djelovanja sile F, to bi moglo uzrokovati odskakivanje. Da se to ne dogodi, ne smije akumulirana energija We biti vea od radnje F s za svladavanje sile pera na putu deformacije:

/ m v2 \We = x\^ - + F sj ^ F s.

Odavde slijedi deformacija

x m v2 - x ~

(2022)

Prema formuli H. Ilerza za podruje elastinih deformacija moe se reakcija materijala, stlaenog za iznos x, pisati u obliku

Rx = c x 3'2 % 1,8 Gj / r - x 3'2. (2023)

Pri tome je G (N/m 2) modul klizanja za odabrani kontaktni materijal, a r radij pominoga kontakta. (Formula glasi jednako i u sistemu kp-cm-s.)

Ukupna je radnja deformacije odreena svladavanjem reakcije Rx na putu s, to daje

Wd = [ Rxdx = j c x 3/2dx = - c s 5 2 = 0,72 G \ / r s 5:2. (2024)o o 5

Budui da je WF Wd, slijedi iz (2020) i (2024)

F = 0,72 G \ i r s3 2 -m v 2 s

(2025)

Ako uvrstimo ovamo veliinu s iz jednadbe (2022), dobivamo nakon kraeg rauna

/ ^ 2 \ 3/2F512 ^ 0,72 G j/r x

x mvl - x 2

i konano potrebnu silu pera

F > K mv 2 \ 0 6 0 2

K = 0,874 G0-4 x

(1 - x)0 6 *

( 2 0 2 6 )

KONTAKTNI MATERIJALI 2 5

Pojedine se veliine te jednadbe mogu izraziti jedinicama, bilo u sistemu kg-m-s, bilo u sistemu kp-cm-s, u kojem treba za jedinicu mase staviti

1 kpcm/s* 2 * 4

= 981 kg.

Iz relacije (2026) vidimo da obli kontakti manje naginju odskakivanju nego plosnati, i to toliko manje to je radij zakrivljenosti r manji.

kpZa bakrene je kontakte G % 4,5 IO5 j , odnosno G0 A & 183, dok je

crrrv. = 0,2 ... 0,3. Uz te se vrijednosti dobiva aproksimativno

I-cu cu 45 r0-2 m v,2 \0 6

(2027)

kp cm\t ... kp, r ... cm, m . . . ---- v ... .

cm/s2 s /

24. KONTAKTNI MATERIJALI

241. Ope napomeneIzbor najpogodnije vrste kontaktnog materijala zavisi od velikog broja kri

terija. Polazite izbora su pogonski uvjeti kojima e kontakti biti izloeni u toku rada. Iz pogonskih uvjeta izlaze odreeni tehniki zahtjevi s obzirom na kvalitetu kontaktnog materijala. Ti se pak zahtjevi mogu ostvariti samo izborom takva materijala koji ima odgovarajua fizikalna svojstva. U tablici 211. nabrojeno je nekoliko osnovnih podataka za svaku od triju spomenutih grupa kriterija. Pri

Tabl. 211. Kriteriji za izbor kontaktnih materijala

Pogonski uvjeti

f Vrsta kontakta: vrsti sklopni

9 J'unkcija kontakta: voenje struje uklapanje sklapanje

% vrsta optereenja: jakost struje visina napona uestalost rada

tf. okolina: zrak ulje

/ primjena: prekidai sklopke rastavljai

Tehniki zahtjevi

C elektriki:malen kont. otpor

2 termiki: teko zavarivanje

malo nagaranje3. mehaniki:

velika ilavost malo troenje slabo odskakivanje

4 kemijski:kem. postojanost

T- tehnoloki:dobra obradivost dobra lomljivost niska cijena

Fizikalna svojstva

specif. el. vodljivost toplinska vodljivost specifina toplina temp. smekavanja talite vrelitetoplina taljenja toplina isparavanja tvrdoaotpornost prema trenju vrstoaelastina svojstva gustoasvojstva mikroslojcva rekuperacija metala

2 6 TF.ORUA ELEKTRINIH KONTAKATA

tome treba pojedini okomiti stupac promatrati nezavisno od ostalih. To znai da se iz tablice ne moe izravno oitati koje je fizikalno svojstvo potrebno da se udovolji nekom tehnikom zahtjevu ili pogonskom uvjetu.

esto su tehniki zahtjevi takvi da im nijedan metal ne moe potpuno odgovoriti. Tako se npr. ne mogu istodobno postii malen kontaktni otpor i velika otpornost prema zavarivanju, jer je za prvi zahtjev potrebna mala tvrdoa i velika istoa metalne povrine, a za drugi upravo suprotno, tj. to vea tvrdoa metala kojemu je povrina pokrivena stabilnim stranim slojevima.

Pogonski uvjeti elektrinih kontakata ovise o primjeni i konstrukciji aparata u koje se ugrauju. Tako npr. uljni sklopnici za manje snage nisu naroito teko optereeni ni s obzirom na trajno voenje pogonske struje (zbog relativno velike uestalosti rada i zatitnog djelovanja ulja) ni to se tie intenzivnosti elektrinog luka pri uklapanju i prekidanju. Zato ti aparati redovito sadre samo tzv. univerzalne kontakte, koji istodobno slue za voenje struje, uklapanje i prekidanje. Njihov materijal ne mora odgovarati osobito visokim tehnikim zahtjevima ni sa stajalita kontaktnog otpora ni s obzirom na otpornost prema zavarivanju i nagaranju. Nasuprot tome, prekidai koji povremeno rade i u tekim uvjetima kratkog spoja esto e imati dvije grupe kontakata: glavne (provodne) i lune ili pretkontakte (uklopno-isklopnc). Samo se izuzetno ugrauju tri grupe kontakata s posve odvojenim funkcijama: provodni, uklopni i sklopni. Od provodnih se kontakata u prvom redu zahtijeva malen kontaktni otpor, od uklopnih visoka otpornost prema zavarivanju, a od isklopnih otpornost prema nagaranju. Ostvarenje spomenutih zahtjeva vezano je uz odreene kombinacije fizikalnih svojstava.

Malen kontaktni otpor pretpostavlja malu tvrdou materijala, veliku elektrinu vodljivost i metalnu povrinu bez stranih slojeva, ili bar s dovoljno tankim slojevima male mehanike vrstoe. Poeljno je da makroslojevi budu nestabilni pri vioj temperaturi.

Teko zavarivanje postie se kombinacijom takvih svojstava kojaa) snizuju temperaturu kontakata,b) povisuju otpornost prema temperaturi,c) spreavaju izravan metalni dodir.Grupi a) pripadaju malen kontaktni otpor, visoka toplinska vodljivost i

velika specifina toplina; grupi b) visoka temperatura smekavanja i taljenja i velika tvrdoa; grupi c) makroslojevi velike vrstoe koji su stabilni pri visokoj temperaturi.

Malo nagaranje od luka pokazuju materijali visokog talita i vrelita, velike specifine topline i toplinske vodljivosti, velike topline taljenja i isparavanja.

. Poeljno je da metal ima svojstvo rekuperacije, tj. da se dio rastaljena i isparena metala opet staloi na kontakte i time smanji troenje. Tu osobinu imaju metali koji ne oksidiraju ni na visokoj temperaturi i koji ne prskaju zbog plinova apsorbiranih u krutom metalu.

Proces zavarivanja je takav da se ne moe jednoznano odrediti ni as, ni temperatura ni struja zavarivanja. Adhezijske sile pojavit e se meu kontaktima i pri hladnom stanju ako se iste metalne plohe odgovarajuim pritiskom priblie na razmak atoma u kristalnoj reetki. Kako se metalni dodir hladnih kontakata uspostavlja samo kroz uske pukotine u stranim slojevima, to se ovdje adhezijske sile praktiki ne opaaju. Njihovo se djelovanje znatno pojaava ako se zbog toplinskog smekavanja ili taljenja metalne dodirne plohe toliko proire da se na spojnim mjestima pojave vidljivi tragovi. To se u praksi obino smatra poetkom zavarivanja. Dakako, taj e se poetak mnogo prije osjetiti u malih


releja i sklopnika sa slabim isklopnim mehanizmima nego kod velikih prekidaa sa snanim motornim pogonima. Tablica 212. sadri prema Riederu [11] nekoliko podataka o temperaturama (C) i padovima napona (mV) na provodnim kontaktima, koji su karakteristini za njihovo zavarivanje. Kod uklopnih je kontakata zavarivanje posljedica elektrinog luka (koji nastaje prije dodira i u toku odska- kivanja) i velikog otpora kontakata u asu prvog dodira. Ono zavisi i od pogonskih uvjeta i konstrukcije aparata: pogonskog napona (probojnog razmaka), amplitude struje i njezine brzine porasta (frekvencije), brzine uklapanja, kretanja korijena luka (naina gaenja) itd. Luk ne pogoduje zavarivanju samo zbog taljenja metala, ve i zato to isti njegovu povrinu od stranih slojeva, a spareni metal istodobno titi kontakte od pristupa zraka.

Tabl. 212. Otpornost prema zavarivanju

Metal

Sljcpljivanje u zrakuSmekavanje Taljenje

poetak nagli porast

mV C mV C mV C mV C

Cu _ _ 100 160 120 190 430 1083Ag 100 160 240 500 90 150 350 960W 600 1500 (400) 1000 1000 3380Pt 350 960 400 1000 250 540 700 1773

Jednako je sloen i proces nagaranja, te se pojedini materijali ni u tom pogledu ne mogu jednoznano poredati po svojoj otpornosti. Usporedba srebra i ostalih metala pokazuje, na primjer, da je srebro povoljnije pri manjim strujama i manjim kontaktnim razmacima zbog mnogo vee rekuperacije rastaljenog i sparenog metala. Ostali metali imaju prednost pri veim strujama i veim razmacima zbog vieg talita i vrelita i manjeg prskanja. Iskustvo pokazuje [3] da nagaranje ovisi o kvadratu gustoe struje i trajanju luka : V2 1. Ono se moe praktiki zanemariti do odreene kritine vrijednosti, koja je za eljezo 5 IO4, zasrebro 1 - IO5,za bakar 2 IO5 A2 s/cm4. Uz vrijednosti I2 / = IO6 ... IO8 A2 s/cm4 troi se nagaranjem oko 6 ...8 g /k A s za sve metale osim srebra, kojemu je po- troak mnogo vei. U usporedbi s bakrom srebro se troi mnogo manje uz I'2 1 < IO5, a mnogo vie uz r2 r > IO6.

242. Vrste kontaktnih materijalaU pojedinom aparatu nisu kontakti nikad izloeni svim vrstama naprezanja

u najviem stupnju. Zato iz mnotva tehnikih zahtjeva treba izdvojiti one koji su u pojedinom sluaju bitni, a ostali se mogu vie ili manje zanemariti. U tom smislu treba odabrati i kontaktni materijal, koji se moe svrstati u tri glavne skupine: iste metale, legure i sinterovane kombinacije.

242.1. isti metali

U toj skupini razlikujemo etiri grupe materijala: visokovodljive, kemijski otporne, teko taljive i osrednje metale.

2 8 TFORTJA F.I.F.KTRINIH KONTAKATA

242.11. Visokovodljivi metali

Kao najvanije metale te grupe valja spomenutiCu (bakar),Ag (srebro),A1 (aluminij).Bakar se najee upotrebljava kao kontaktni materijal. Glavna mu je mana

to stvara stabilne oksidnc slojeve na povrini, koji postaju sve deblji. Zato nije prikladan za trajno zatvorene kontakte, pogotovo pri niim naponima. Konstruktivnom izvedbom (klizni kontakti) postie se mehaniko skidanje oksida, ali to poveava troenje materijala. Temperatura kontakata ne smije u trajnom pogonu prijei 100 C, jer se tada oksidacija prilino ubrzava. Nagaranje zbog luka je znatno jer oksidacija spreava rekuperaciju metala.

Bakar je prikladan za klizne kontakte u aparatima bez intenzivnog luka i bez prevelike uestalosti rada (rastavljai, valjkaste sklopke).

Srebro ima najviu elektrinu vodljivost, a s obzirom na povrinske slojeve zauzima posebno mjesto. Ono je relativno plemenit metal, te stvara vrlo tanke slojeve (najee sulfide, katkad okside), koji zbog toga vrlo slabo utjeu na kontaktni otpor. Oksidi su k tome nestabilni, pa se ve pri temperaturi od 200 C opet reduciraju na isto srebro. Zato je srebro naroito pogodno za trajno zatvorene kontakte, te se primjenjuje bilo u masivnoj izvedbi (srebrne zakovice) ili za prevlaenje bakrenih kontakata (galvanski ili piatiranjem). Jae naginje zavarivanju nego bakar, a i nagaranje mu je pojaano prskanjem zbog kisika kojeg esto ima u metalu. Velikom povrinom i malim kontaktnim razmakom moe se nagaranje znatno smanjiti (rekuperacija), ali to dolazi u obzir u podruju manjih struja.

Aluminij ima vrlo slabu mehaniku i termiku otpornost, a osim toga stvara jo vie nevodljivih povrinskih slojeva nego bakar. Zato se moe upotrijebiti samo za vrste spojeve (stezaljke), i to samo uz vrlo paljivu montau koja zatiuje kontaktne plohe od dodira sa zrakom.

242.12. Kemijski otporni metali

Toj grupi pripadaju metali kojima pod normalnim okolnostima povrina nije prevuena makroslojevima:

Svi su ti metali skupi, te se preteno upotrebljavaju samo u tehnici slabe struje. Najjeftiniji je paladij, koji se katkada primjenjuje i u jakoj struji za lake optereene kontakte u agresivnoj atmosferi (sumporovodik). Zbog istoe povrine ti metali naginju zavarivanju, a specifini elektrini otpor im je (izuzevi Au) relativno visok. t

242.13. Teko taljivi metali

Glavni su predstavnici teko taljivih metala W (volfram),Mo (molibden).

Rh (rodij), Pd (paladij), Re (rcnij),

Ir (iridij),Pt (platina),Au (zlato).

2 9KONTAKTNI MATERIJALI

Zbog velike tvrdoe i visokog talita i vrelita ti su metali veoma otporni prema zavarivanju i nagaranju. Zbog povrinskih slojeva nisu prikladni za provodne kontakte premda im je vodljivost relativno dobra. Speeijalni sinter-postupak znatno poskupljuje njihovu proizvodnju. Molibden se nagaranjem jae troi nego volfram.

242.14. Osrednji metali

To je grupa materijala osrednjih kontaktnih svojstava, od kojih treba u prvom redu spomenuti

Ni (nikalj).Vodljivost im je izmeu W i Pt. a talite znatno iznad Cu. Upotrebljavaju

se za lake optereene univerzalne kontakte.

242.2. Legure

Mijeanjem dvaju ili vie rastaljenih metala nastaju kristali novih svojstava. Na taj se nain mogu poboljati mehanike osobine i kemijska otpornost. Elektrina vodljivost i talite legura redovito su nii od srednje vrijednosti komponenata koja odgovara omjeru mijeanja. Spomenut emo nekoliko' kontaktnih materijala s podruja visokovodljivih i kemijski otpornih legura.

242.21. Visokovodljive legure

Meu vanije predstavnike te grupe mogu se ubrojiti:Ag-Cu (tvrdo srebro),Ag-Ni (srebro nikalj),Ag-Cd (srebro kadmij),Cu-Ag-Cd (srebrena bronea).Ag-Cu i Ag-Ni s malim postotkom Cu i Ni imaju neznatno manju vodlji

vost od Ag. Uz to imaju veu tvrdou, viu temperaturu smekavanja i veu otpornost prema zavarivanju, ali im povrina nije otporna prema kisiku. Dobro se obrauju. Upotrebljavaju se za univerzalne kontakte sklopnika za manje struje i za provodne kontakte visokonaponskih aparata.

Ag-Cd sadri do 20% Cd. Tim se dodatkom poveava otpornost prema zavarivanju zbog povrinskog sloja CdO koji nastaje u pogonu djelovanjem luka, ili se umjetno stvara posebnim kemijskim postupkom. Legura ima poveanu tvrdou i lako se obrauje, ali je loije vodljiva nego Ag.

Cu-Ag-Cd je legura koja ima do 4% Ag i 1,5% Cd. Mnogo je tvra od Cu i otpornija prema temperaturi, dakle i prema struji kratkog spoja. Zbog male vrstoe oksidnih slojeva ima manji kontaktni otpor nego Cu. Slui za kontakte prekidaa i za kontaktna pera.

>*2^242.22. Kemijski otporne legure

Tipian je predstavnik te grupe slitina Ag-Pd (srebro paladij).

3 0 TF.ORIJA ELEKTRINIH KONTAKATA

Uz dovoljno velik dodatak paladija (30 ... 60 %) postaje ta legura otporna prema sumporovodiku. Sa sadrajem Pd raste specifini otpor, tvrdoa i otpornost prema zavarivanju i nagaranju.

242.3. Sinterovane kombinacije

Ti se materijali, poznati jo pod imenom pseudolegura, dobivaju mijeanjem i sinterovanjem raznih metala u prahu. Sinterovanjem se mogu vezati i oni metali koji se ne daju legirati taljenjem, a mogu se spajati i s nemetalima (npr. s grafitom) i s kemijskim spojevima (oksidima, karbidima). Neke se karakteristike takvih kombinacija (npr. gustoa i specifina toplina) dobivaju aditivno iz svojstava pojedinih sastojaka u omjeru mijeanja. Elektrina vodljivost kombinacije ovosi o nainu izrade, tj. o strukturi materijala. S obzirom na to treba razlikovati jednoskeletnu i dvoskeletnu strukturu.

Jednoskeletna struktura nastaje tako da se u , masu osnovne komponente umijeaju meusobno odvojena zrna dodatne komponente. Na taj nain samo osnovni metal sainjava jedinstven skelet. U dvoskeletnoj strukturi vezana je svaka komponenta za sebe u cjelovit skelet, a oba se skeleta meusobno isprepliu te su elektriki paralelno vezani. Ta se struktura moe postii tako da se porozni sinterovani skelet jedne komponente (W ili Mo) natopi talinom druge komponente nieg talita (Ag ili Cu). U pogledu mehanikih svojstava i nagaranja mjerodavan je vri skelet. .

Materijali visoke elektrine vodljivosti rade se na bazi Ag ili Cu, a otpornost prema zavarivanju, nagaranju i mehanikom troenju poveava se dodacima tee taljivih metala (Ni, Mo, W), metalnih oksida (CdO, S n 0 2), karbida (WC) ili grafita (C). Oni slue za univerzalne kontakte.

Materijali visoke otpornosti prema zavarivanju i nagaranju rade se na bazi teko taljivih sinterovanih skeleta (W, Mo), a specifini otpor i krhkost smanjuju

im se natapanjem u talini Ag ili Cu. Slue za isklopne kontakte.Tehnoloki je postupak pri izradi sinterovanih kontakata sloen i skup. Zato

se od sinterovanih materijala ne izrauju itavi kontakti, ve samo oni dijelovi koji su najvie izloeni zavarivanju i nagaranju. Ti se dijelovi tvrdo zaleme na odgovarajuu metalnu podlogu, kako pokazuju crno oznaene plohe na slici 213.

SI. 213. Primjena sinterovanih materijala na kontaktima prekidaa


Prema sastavu moemo sinterovane materijale podijeliti u etiri grupe:a) bakar s teko taljivim metalima i karbidima

Cu W (bakar volfram),Cu WC (bakar volframov karbid);

b) srebro s metalnim oksidimaAg C d 0 2 (srebro kadmijev oksid),Ag S n 0 2 (srebro kositrov oksid);

c) srebro s teko taljivim metalima i karbidima Ag Ni (srebro nikalj),Ag Fe (srebro eljezo),Ag W (srebro volfram),Ag WC (srebro volframov karbid),Ag Mo (srebro molibden);

d) srebro s nemetalimaAg C (srebro grafit).

Cu W s velikim sadrajem W (oko 80%) slui za prctkontakte u prekidaima. S manjim postotkom W upotrebljava se za univerzalne kontakte u ulju, i to :

oko 60% W za uljne prekidae i teretne preklopke regulacijskih transformatora,

oko 30% W za uljne sklopnike manjih snaga.Cu WC je otpornije od Cu W to* se tie zavarivanja, nagaranja i

mehanikog troenja.Ag CdO s malim sadrajem CdO (oko 10%) je dobro vodljiv materijal,

vrlo otporan prema zavarivanju, ali manje prema nagaranju. U poredbi s legurom Ag Cd ima veu tvrdou i mnogo bolju vodljivost. Slui za kontakte nisko- naponskih aparata za zatitu motora i malih prekidaa. Mnogi pisci [12, str. 152. i 185] pripisuju Cd-oksidu efekt gaenja luka, koji bi se eventualno mogao protumaiti odvoenjem topline zbog disocijacije CdO. To zapaanje nije za sada znanstveno dokazano.

Ag S n 0 2 moe se zbog vieg talita termiki jae opteretiti nego Ag CdO. Upotrebljava se kao kontaktni materijal sklopnika za kondenzatore i pokretae. S obzirom na navodni efekt gaenja luka pod utjecajem S n 0 2 vrijedi slino to i za Ag CdO [11, str. 34].

Ag Ni s 10...40% Ni ima relativno dobru vodljivost uz veliku tvrdou i visoku otpornost prema nagaranju. Manje naginje zavarivanju od istog Ag. Lako se obrauje i lemi. Materijal s 10% Ni upotrebljava se za aparate u komandnim strujnim krugovima, manje niskonaponske motorske sklopke, za aparate s magnetskim gaenjem i rastavljae.

Ag Fe ima slina svojstva kao Ag Ni, ali neto slabiju vodljivost.Ag W je mnogo otporniji prema nagaranju od srebra, ali mu je vodlji

vost slabija, a uz manji sadraj W (oko 30%) naginje zavarivanju. Kontaktni se otpor poveava zbog loe vodljivoga srebrenog volframata (Ag2W 0 4), koji nastaje pri temperaturi vioj od 550 C. Taj se spoj tali na 600 C i prekrije kontakte stabilnim staklenastim slojem, to ometa funkciju univerzalnih konlakata za manje snage.

Ag WC je vrlo tvrd i teko taljiv materijal, izvanredno otporan prema nagaranju i oksidaciji, koji manje naginje zavarivanju nego Ag W. Osim toga, vodljivost mu je relativno dobra (oko 40% vodljivosti volframa). Tee se obrauje

3 2 TEORIJA FI EKTRIN1H KONTAKATA

od Ag W, te se upotrebljava samo kad se istodobno zahtijeva visoka otpornost prema zavarivanju i nagaranju.

Ag Mo upotrebljava se za pretkontakte i univerzalne kontakte nisko- naponskih aparata. Taj materijal nije toliko otporan prema nagaranju kao Ag W. Ako se ugrijava, nastaje srebrni molibdat (Ag2M o 0 4), koji se tali na 580 C i poveava kontaktni otpor.

Ag C s malim sadrajem grafita (do 5%) slui za uklopne kontakte koji su veoma otporni prema zavarivanju. Materijal s veim postotkom C prikladan je za klizne kontakte. Ako se doda grafit, smanjuje se koeficijent trenja i mehaniko troenje, a poveava otpornost prema zavarivanju. Zbog redukcijskog djelovanja grafita na tom materijalu nema stranih slojeva (ak ni na bakrenom protu- kontaktu nema osjetljive oksidacije). Loa mu je osobina malo otpornost prema nagaranju.

243. Prijenos materijala meu kontaktima za istosmjernu struju

Spomenimo jo da na sklopnim kontaktima za istosmjernu struju dolazi do prijenosa materijala s jedne elektrode na drugu. Pri tome se na jednoj elektrodi stvaraju udubine (krateri), a na drugoj izboine. Sloeni mehanizam tog procesa jo nije potpuno istraen. Prema Holmu [2, str. 359] treba pri tome razlikovati tri vrste pojava:

a) mosni ili sitni prijenos,b) prijenos zbog kratkog luka,c) prijenos zbog plazmatskog luka ili krupni prijenos.

243.1. Mosni prijenos

Ta se vrsta prijenosa zapaa kada se kontakti otvaraju bez pojave elektrinog luka (vidi poglavlje 54), ili je njegovo trajanje ekstremno kratko (npr. krae od 5 10 7 s). Prijenos se najee odvija u smjeru od anode prema katodi. Zbog malih koliina prenijetog materijala u jednom sklapanju ta se pojava naziva i sitnim prijenosom.

Naziv mosni prijenos govori o fizikalnom tumaenju te vrste transporta. Pri otvaranju kontakata dolazi zbog smanjivanja pritiska do koncentracije struje na sve manju dodirnu plohu. Zbog toga se u posljednjoj fazi meu kontaktima stvori most od rastaljena metala, koji nije homogeno ugrijan. Prijelom mosta nastaje na njegovu najtoplijem presjeku, a to je obino u blizini anode.

Uzroci nesimetrinog ugrijavanja rastaljenog mosta tumae se na vie naina. Jedno se tumaenje oslanja na tzv. Thomsonov efekt, koji nastaje pri prolaenju elektrine struje nejednoliko ugrijanim vodiem. Efekt se oituje tako to se najtoplije mjesto pomie, bilo u smjeru struje (tj. prema katodi), bilo obratno, ve prema tome ima Ii taj metal pozitivan ili negativan Thomsonov koeficijent. To se opaa na homogenom vodiu grijanom strujom, s podjednako hlaenim krajevima. Njegov najtopliji presjek trebao bi da bude u sredini vodia, ali se zbog spomenutog efekta pomie prema jednom kraju. Takvo tumaenje nailazi kod nekih metala (npr. platine) na tekoe jer se smjer prijenosa ne podudara s predznakom Thomsonova koeficijenta. Opisani efekt je vrlo slab, ali dobro objanjava pojave mosnog prijenosa, jer se ovdje javljaju goleme temperaturne razlike izmeu rastaljenog mosta i hladnih elektroda na razmaku od nekoliko mikrona.

KONTAKTNI MATF.RIJAI.I 3 3

Drugo objanjenje za nesimetriju temperature daje Peltierov efekt, prema kojem na dodiru dvaju tcrmoelektriki razliitih metala dolazi pri prolazu struje do stvaranja ili apsorpcije topline. Taj se efekt javlja i na granici krute i tekue mase istog metala. Rastaljeni most meu kontaktima ima prema krutom metalu dvije granice. Ako je Peltierov koeficijent pozitivan, na ulaznoj granici struje most se ohlaujc, a na izlaznoj ugrijava, to opet uzrokuje lom na anodnoj strani.

Od ostalih tumaenja spomenut emo jo tzv. Kohlerov efekt. On se osniva na valnomehanikom tunelskom efektu opisanom u toki 21. Elektroni naboja q0, prolazei bez gubitaka kroz mikroslojeve, dobivaju zbog potencijalne razlike AU izmeu anode i katode energiju /0 At/. Ta energija prelazi na povrinu anode i predgrijava je. Nastala razlika temperature uzrokuje poslije nesimetriju u rastaljenom metalnom mostu.

243.2. Prijenos zbog kratkog luka

Otvaranje kontakata u podruju bez luka dovodi i do takvih pojava koje se vie ne mogu objasniti mehanizmom mosnog prijenosa. Keil [12. str. 83] navodi za ilustraciju primjer sklapanja struje od 5A pod naponom 6V u omskom krugu, kad je jedan kontakt (anoda) od volframa, a drugi (katoda) od zlata. Pokusi dokazuju da se pri tome na povrini zlatnoga kontakta stvori iljak od istog volframa. Budui da W ima mnogo vie talite nego Au (priblino za 2 400 C), oito je da se ovdje ne radi o mosnom prijenosu, jer se takve razlike temperature na rastaljenom mostu ne mogu protumaiti nijednom od spomenutih teorija, a pogotovo ne injenica da metal nieg talita ne pokazuje nikakve promjene.

Takvi se sluajevi prijenosa tumae posebnom vrstom izbijanja u plinovima, koja se naziva kratkim lukom (ili lukom bez plazme), te nema obiljeje stabilnog luka. Kao bitna oznaka kratkog luka smatra se prema Holmu [2. str. 354] uvjet da njegova duljina / (jednaka razmaku kontakata) bude mnogo manja od radija katodne mrlje ak :

l < ak.

U tom e sluaju anodna i katodna mrlja biti priblino jednake veliine

a a = ak.

Raun pokazuje da uz takve uvjete anodna mrlja postaje toplija od katodne. Zato se anodni materijal jae isparuje od katodnog te se kondenzira na suprotnoj elektrodi. Kratki luk uzrokuje, prema tome, i prijenos materijala od anode prema katodi.

W. Merl daje slinu definiciju kratkog luka [12, str. 85], samo to umjesto radija katodne mrlje uvodi slobodni put elektrona a :

l < 1

Ako, naime, razmak elektroda ne prekorauje slobodni put elektrona, nee izmeu kontakata doi do sudaranja elektrona s esticama plina, tj. do ionizacije, dakle, ni do stvaranja plazme. Zato e emitirani elektroni udarali izravno na anodu i

3 Uvod u teoriju elektrinih sklopnih aparata


ugrijati je do temperature isparavanja. S obzirom na malu koliinu prenijetog materijala i taj proces pripada podruju sitnog prijenosa.

O kratkom luku jo emo govoriti u poglavlju 624. u vezi s tzv. graninom karakteristikom (v. si. 608, 20).

243.3. Prijenos zbog plazmatskog luka

Plazmatski luk ima prema Holmu toliku duljinu da anodna mrlja postane mnogo vea od katodne, dakle:

I > ak, aa > ak.

Taj luk sadri plazmu koja razdvaja anodu od katode, a od kratkog se luka razlikuje i po tome to mu se napon snizuje s poveanjem struje [12, str. 86], Analogno napomeni u toki 243.2. moe se plazmatski luk karakterizirati uvjetom da njegova duljina bude vea od slobodnog puta elektrona, dakle:

/ > z

Zbog djelovanja plazmatskog luka katoda se isparuje jae od anode, te nastaje prijenos materijala od katode prema anodi. Ovdje se radi o veim koliinama prenijetog materijala nego u prije opisana dva sluaja. Zato se ta pojava esto naziva i krupnim prijenosom. Proces se naroito pojaava u podruju vrlo jakih struja (nekoliko tisua ampera), kada metalna para povlai sa sobom i kapljice rastaljena materijala.

243.4. Uloga pojedinih vrsta prijenosa u procesu sklapanja

Pri uklapanju se i uz vrlo niski napon meu kontaktima moe pojaviti kratki luk, jer zbog mikroskopskih neravnosti dodirnih ploha dolazi mjestimino do znatnog pojaanja elektrinog polja. Prema Keilu [12, str. 87] e meu fino poliranim kontaktima, kojima je hrapavost oko IO-5 cm, nastati kratki luk ve pri naponu od 10 V, kada se kontakti priblie na nekoliko IO-5 cm razmaka. Zbog toga e se (kako je opisano u toki 243.2) anodni materijal ispariti i kondenzirati na katodi. Rastaljeni se metal skruuje im se kontakti zatvore, ali se lomi pri ponovnom otvaranju, i to tako da na katodi ostane viak materijala. Koliina prenijetog materijala Gu je proporcionalna koliini elektriciteta qk koja proe kratkim lukom do asa zatvaranja, te je Holm odreuje relacijom

Gu = yk qk.

Proces isklapanja moemo naelno podijeliti u tri uzastopna intervala koji se meusobno razlikuju po mehanizmu prijenosa. U poetku se zbog poputanja kontaktnog pritiska rastali metal na dodirnom mjestu, te se mosnim prijenosom stvara na katodi viak materijala Gm. Nakon toga slijedi interval kratkog luka, u kojem se na katodu prenosi nova koliina materijala Gk. Ako se luk i dalje produuje, nastaje interval plazmatskog luka s prijenosom koliine Gp u suprotnom smjeru, tj. od katode prema anodi. Ukupan prijenos materijala na katodu za vrijeme sklapanja moe se prikazati relacijom

G, Gm + Gk Gp Gm +- t k ' gk }p 9/v

KONTAKTNI MATtRIJALI 35

Ovdje su qk i qp koliine naboja koje prelaze kratkim, odnosno plazmatskim lukom do prekida struje, a yk i yp pripadni faktori proporcionalnosti.

Dijagram na slici 214. pokazuje kako se odreuje ukupna koliina prenijetog materijala G, kao funkcija trajanja luka tA. Poetak dijagrama m odgovara mosnom prijenosu, uzlazna grana k pripada intervalu kratkog luka, a silazna p

SI. 214. Prijenos materijala za vrijeme isklapanja

podruju plazmatskog luka. Kad bi struja za itavo vrijeme isklapanja imala konstantnu vrijednost /, bilo bi

Gm = km I 2,= Tk I

GP = y P i VTome odgovaraju nagibi uzlazne i silazne grane

tg ak = 7k I, tg ccp = yp I.

3. TERMIKA NAPREZANJA

Gubici energije uzrokuju zagrijavanje aparata. Najvei dio topline nastaje od Jouleovih gubitaka u vodiima i kontaktnim otporima strujnih krugova zbog:

a) trajnog optereenja do nazivne struje,b) kraih preoptereenja veih od nazivne struje,c) trenutnih optereenja strujom kratkog spoja.

Prekomjerno termiko naprezanje aparata moe imati raznovrsne posljedice: oteenje izolacija (karbonizacija organskih sastojaka, smekavanje lakova

i veziva, lomovi zbog lokalnih rastezanja, zapaljenje ulja, smanjenje probojne vrstoe);

taljenje lemnih spojeva; gubitak elastinih svojstava metalnih dijelova (naputanje pera, smanjenje

kontaktnih pritisaka); oksidacija kontakata (poveanje slojnih otpora); taloenje asfaltu slinih naslaga na kontakte u ulju (poveanje slojnih

otpora i pogoranje hlaenja); pregaranje svitaka itd.

Doputene granice ugrijavanja nazivnom strujom odreene su odgovarajuim standardima, jer od njih zavisi trajnost aparata u pogonu. One se definiraju maksimalnim stacionarnim temperaturama pojedinih dijelova ili pripadnim nadtem- peraturama s obzirom na propisanu temperaturu okoline. Tablica 301, sastavljena na temelju preporuka Meunarodne elektrotehnike komisije (IEC) za visokonaponske prekidae [18] i rastavljae [19], sadri nekoliko orijentacijskih podataka za te vrste aparata.

Standardi ujedno odreuju i stupanj termike otpornosti aparata prema strujama kratkog spoja. Ta se otpornost definira tzv. kratkotrajnom strujom, tj. najveom efektivnom vrijednou izmjenine struje koju aparat podnosi bez tete u trajanju jedne sekunde.

Dugo se smatralo da kao temelj za ispravno termiko dimenzioniranje aparata moe posluiti gustoa struje u A/mm2. No, ustanovilo se da bez dubljeg ulaenja u probleme razdiobe topline na osnovi gubitaka energije, toplinskih kapaciteta, koeficijenata prijelaza topline i drugih kriterija nije mogue unaprijed odrediti zagrijavanje pojedinih dijelova.

Budui da se sve varijante toplinskih naprezanja ne mogu raunski obuhvatiti jednim opim rjeenjem, razmotrit emo nekoliko tipinih sluajeva na idealiziranim elementima. Na taj se nain bolje upoznaju toplinski odnosi, to ujedno omoguuje preraunavanje rezultata dobivenih mjerenjem na reduciranim modelima.

3 8 TERMIKA NAPREZANJA

Tab!. 301. Najvie trajno doputene temperature za visokonaponske aparate prema IEC

Dio aparata Temp.CNadtemp.

C(1)

1-Bakreni kontakti u zraku:11-posrebreni osim onih pod 1 2 ....................................................... 105 65(2)12-posrcbrcni za vanjske rastavljae sa slojem srebra tanjim od 1 mm 90 5013-neposrcbreni ........................................................................................ 75 35

2-Bakreni kontakti u ulju:21-posrebreni............................................................................................. 90 5022-neposrebreni ........................................................................................ 80 40

3-Kontakti s pletenicama ................................. ........................................ 75 354-Stezaljke za prikljuak vanjskih vodia pomou svornika i matica . . 90 505-Metalni dijelovi s pernim svojstvim a....................................................... (3)6-Metalni dijelovi u dodiru s izolacijom slijedee kategorije (4):

90 5062-klasa A ....................................................................................... 100 6063-kIasa B. u zraku ............................................................................... 130 9064-klasa B, u ulju .................................................................................. 100 6065-klasa F, u zraku ............................................................................... 155 11566-klasa F, u ulju .................................................................................. 100 6067-emajl na bazi ulja ............................................................................. 100 6068-emajl sintetski, u zraku .................................................................... 120 8069-emajl sintetski, u ulju ....................................................................... 100 60Napomena: svi metalni ili izolacijski dijelovi u dodiru s uljem . . . 100 60

7-Ulje za uljne prekidae ili rastavljae ................................................. 90 508-Voda za lune komore vodnih prekidaa ............................................ 70 30

301

P R I M J E D B E

1. T e m p e r a t u r a o k o l i n e n e s m i j e b i l i v i a o d 4 0 C . a n j e z i n a s r e d n j a v r i j e d n o s t z a 2 4 s a t a 3 5 eC .2 . P r i u p o t r e b i t a k o v i s o k o g z a g r i j a n j a p a z i t i d a s e n c u g r o z e s u s j e d n e iz o la c i je .3 . T e m p e r a t u r a n e s m i j e b i t i t a k o v i s o k a d a b i s m a n j i l a e l a s t i n o s t m a t e r i j a l a . Z a is t i b a k a r g r a n i c a j e 7 5 C .4 . A k o s e u p o t r i j e b e m a t e r i j a l i k o j i n i s u n a v e d e n i u t a b l i c i , t r e b a u z e l i u o b z i r n j i h o v a s v o j s t v a .

K l a s a Y : p a m u k , s v i l a , p a p i r , d r v o i s l i n i m a t e r i j a l i , n e i m p r e g n i r a n i ;K l a s a A : i s t o , a l i i m p r e g n i r a n i ili u r o n j e n i u u l j e ;K l a s a : a z b e s t , m ik a , s t a k l e n a v l a k n a i s l i n i a n o r g a n s k i m a t e r i j a l i $ o d g o v a r a j u i m v e z iv o m ;

K l a s a F : i s t o , a k o j e i s p i t i v a n j e d o k a z a l o d a i z o l a c i j a p o d n o s i t e m p e r a t u r u k l a s e F , k o j a j e z a 2 5 C v i a o d t e m p e r a t u r e k l a s e B .

31. UTJECAJ KONTAKTA NA ZAGRIJAVANJE VODIA

Slika 302. predouje dva beskonano duga cilindrina vodia A i B kojima protjee istosmjerna struja I. Oni se dodiruju eonim plohama na mjestu x = 0. Kako se u otporu kontakta razvija vie topline nego u ostalim tokama vodia, poprima dodirno mjesto i najviu temperaturu .9 (x = 0). Lijevo i desno od toga mjesta temperatura se asimptotski smanjuje na osnovnu vrijednost .9 (x = + o o ), koju bi vodii imali u svim tokama kad ne bi bilo dodatnog otpora kontakta. Osim prostorno, temperatura se mijenja i vremenski. Ona raste od vrijednosti ,90 u asu ukljuivanja struje t = 0 prema vrijednosti .9 (t = oo ), koju teoretski postie nakon beskonano dugog vremena. Tu prostorno-vremensku promjenu temperature ,9 = f (x , t) predouju krivulje na slici 302.

Da bismo odredili jednadbu promjene temperature, razmotrit emo elementarni isjeak vodia duljine dx koji je prikazan na slici 303.

UTJECAJ KONTAK.TA NA ZAGRIJAVANJE VODICA 3 9

t - 30 min t= 0

X(m)

SI. 302. Zagrijavanje kontakta prolazom struje SI. 303. Kretanje topline u elementu vodia

Temperature u tokama 1 i 2 odreene su relacijama:

.9j = 9

92 = ,9 + da = 9 + dx.dx

Za vrijeme dr ulazi u element na mjestu x koliina topline

J A5(.91 - y 2) , , a.9dq , --------- . ------- di - - J S d f ,

dx ox

a istodobno na mjestu x + dx iz njega izlazi toplina

. , d(dq i ) , /a,9 29 , .dq2 dqi 4----- dx = AS di i + - dx I.

Pri tome je

S(m 2) presjek vodia,W \ ^

I koeficijent voenja topline.

S povrine elementa prelazi na okolinu toplina

(3001)

(3002)

(3003)

gdje je

p { m )

>MK)

d

4 0 TERMIKA NAPREZANJA

U elementu se razvija Jouleova toplina

d q4 =j 2 Q dx

d t,

gdje je/(A ) struja u vodiu,

specifini otpor vodia.Zbog ukupnog porasta topline u promatranom elementu

(3005)

d Q - d / j + d

UTJECAJ KONTAKTA NA ZAGRIJAVANJE VODIA 4 1

d2 .9k a pd x 2 AS *

II (3011)

gdje je

a =/ a p/ AS

(3012)

Ope rjeenje jednadbe (3011) glasi

= C, ea* + C2 e"*, (3013)gdje je c = 2,718 . . .

Na mjestima x = 0 i x = oc moraju temperature koje su u kontaktnom otporu imati vrijednost:

uzrokovali gubici

'^ K (* 0) = >9Km.9* (x = oc) = 0. t

Iz tog uvjeta i relacije (3013) slijedi

Ci = 0 , C2 = .9Km, odnosno

!)k 'AKm e (3014)

U kontaktnom otporu R K na mjestu x = 0 razvija se Jouleova toplina

dQK = I 2 RKdt. (3015)

Ona se iri simetrino na obje strane, tako da u svaki vodi odlazi polovica njezina iznosa, koju prema slici 303. treba oznaiti sa dq t (x = 0). Stoga u jednadbi (3002) treba staviti

dqi (x = 0) = y dQk = y !2 RKdL,

tako da ona (uz ,9 = .9K) poprima oblik

- AS dK

Iz relacije (3014) slijedi

dlh

dx) x=0 2

= - a .9*

= I 2 R.

C X I x = qKmi

to uvrteno u izraz (3016) daje

*\m I 2 R k 2 ASa

Time relacija (3014) prelazi u oblik

'Ak =I 2 R k2 ASa

(3016)

(3017)

(3018)

42 TERMIKA NAPREZANJA

Iz formule (3028), izvedene u slijedeem poglavlju, izlazi vrijednost druge komponente ugrijavanja

I2 Qp S a

Prema tome je, s obzirom na jednadbu (3010), stacionarna temperatura sistema bilo na kojem mjestu x (debelo izvuena krivulja na slici 302) predoena izrazom:

, I 2 g l 2 R,x (t oo) = ^ f-

p S a 2 /, Sa

Uz x = 0 slijedi odavde maksimalna temperatura kontakta:

m + y + Km o +12Q . I 2 * k

+p S a 2 ). Sa

(3019)

(3020)

Izvedbom strujnoga kruga prema slici 302. (tj. eonim dodirom vodia konstantnog presjeka) dobiva se neekonomina konstrukcija, jer presjek vodia u odreenoj udaljenosti od kontakta, s obzirom na mnogo niu temperaturu, nije dovoljno iskoriten. Taj se nedostatak moe otkloniti na razne naine.

Jedan je nain da se povea lokalni presjek S na mjestu dodira prema slici 304. Jednadba (3020) pokazuje da se time, uz jednak kontaktni otpor RK, smanjuje komponenta ugrijavanja Km.

Drugi je nain u tome da se gubici u kontaktnom otporu porazdijele na veu duljinu vodia. To bi se teoretski moglo postii npr. klinastim spojem prema slici 305. Kako pokazuje iskustvo [1], duljina klina / trebala bi biti mnogo puta vea od debljine plosnatog vodia h da bi se povienje temperature Km dovoljno smanjilo. Zato takvo rjeenje ne bi bilo ni konstruktivno ni tehnoloki prikladno.

Trei nain ujedinjuje obje spomenute metode, tj. produbljenje kontaktne plohe uz lokalno poveanje presjeka. To se u praksi izvodi preklopnim spojem vodia prema slici 306. Taj se nain primjenjuje kod aparata s kontaktnim noevima (polune sklopke, rastavljai) i kod prikljunih stezaljki.

ZAGR. I HLAD. d|u GIH HOMOG. VODICA KONSTANTNOG PRESJEKA 43

Uz oznake na slici 306. nastaju u preklopu Jouleovi gubici

Pp * I 2 RK + I 2 Ql2 b h

a u ostalom se dijelu vodia na jednakoj duljini l gubi snaga

P v

(3021)

(3022)

Zanemarimo li razliku rashladnih povrina, moemo jednakost gubitaka Pp = P y smatrati i uvjetom za postizanje jednake temperature. Odavde izlazi uvjet za duljinu preklopa

Rkl 2bh . (3023)

Q

32. ZAGRIJAVANJE I HLAENJE DUGIH HOMOGENIH VODIA KONSTANTNOG PRESJEKA

Termiko naprezanje beskonano dugog homogenog vodia zbog prolaza struje moemo smatrati specijalnim sluajem zagrijavanja prema slici 302, uz uvjet da je dodatni otpor kontakta smanjen na nulu. U tom e sluaju sve toke vodia imati jednaku temperaturu t9, te se u jednadbi (3008) moe stavitir?2 ,9 .~ 2 = 0. Na taj se nain dobiva relacija

d 3 .P, , n, cvS

Njezino je rjeenje

I 2q / ' A.9 = . 9 - S 0 = - ~ ( 1 - e t),

otpSgdje je

A.9(C) nadtemperatura vodia u asu i,cvS . .

t ( s ) = -------------vremenska konstanta ugrijavanja.a p

(3024)

(3025)

44 TERMIKA NAPREZANJA

Vidimo da se proces odvija po poznatom diferencijalnom zakonu s vremenskom konstantom

cS _ cm m a p a p

(3026)

specifina toplina po jedinici volumena,

specifina toplina po jedinici mase,

opseg, tj. rashladna ploha po jedinici duljine, presjek, tj. volumen po jedinici duljine, masa po jedinici duljine.

Ako u relaciji (3024) stavimo 1 = 0, dobivamo kao rjeenje jednadbu hlaenja

' tA3 = & 30 = A3e e " , (3027)

gdje jeA3g(C) poetna nadtemperatura,

cvSt = vremenska konstanta hlaenja,

a pIz relacija (3025) i (3027) izlazi da se zagrijavanje i hlaenje odvijaju s

jednakom vremenskom konstantom. Njihov" tok prikazuje slika 307. Na slici oznaena stacionarna nadtemperatura A.9m izlazi iz relacije (3025) uz t = oo:

I2 Q(3028)

otpb

Ta je veliina identina s lanom !)y u relaciji (3020).

Kad bi vodi bio potpuno toplinski izoliran, ugrijavao

Documents

Uvod u Teoriju Sklopnih Aparata