Исследование теплофизических процессов в замкнутых контактах низковольтных коммутационных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЗАМКНУТЫХ КОНТАКТАХ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ

Е.И. ГРАЧЕВА, А.С. ЛАЗАРЕВИЧ Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрены процессы, влияющие на нагрев контактов низковольтных коммутационных аппаратов, а именно джоулево тепловыделение и эффекты Томсона, Пельтье и Колера, обусловленные связью между электрическими и тепловыми явлениями в контактах, и рассчитана удельная мощность источников тепла для каждого из этих теплофизических процессов в зависимости от величины протекающего тока.

Нагрев электрического контакта коммутационного аппарата при прохождении через него тока есть результат действия ряда теплофизических процессов. Важнейшим является наличие внутренних источников тепла, происхождение которых связано с джоулевым тепловыделением в области стягивания. Удельная мощность 9 этих источников определяется по выражению [1]

9 = Ї 2Р = ■% Р, (1)

£ 2

где ] - плотность электрического тока, А/мм2 ; р - удельное электрическое сопротивление, Ом мм; 1р - рабочий ток, А; £ - сечение, через которое протекает ток, мм2.

Определим по выражению (1) величину 9 для магнитных пускателей и автоматических выключателей (табл. 1).

Таблица 1

Тепловая энергия, обусловленная джоулевым тепловыделением

Коммутационный аппарат /и, А 1р, А 8, мм2 р, Ом мм а, Дж/мм

56,7 0,546

Магнитный 59,85 0,608

пускатель 63 63 100 1,7 0,674

ПМЛ 66,15 0,743

69,3 0,816

18 0,344

Автоматический 19 0,383

выключатель 20 20 40 1,7 0,425

АЕ2046 21 0,468

22 0,514

Наряду с джоулевым источником тепла на нагрев замкнутых контактов влияют эффекты Томсона, Пельтье, Колера, обусловленные связью между электрическими и тепловыми явлениями в контактах.

© Е.И. Грачева, А.С. Лазаревич

Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

Эффект Томсона возникает в случае неравномерно нагретого проводника и заключается в передаче тепла от более нагретых частей к менее нагретым, которое осуществляется носителями тока. Удельная мощность внутренних источников тепла низковольтных коммутационных аппаратов определяется по выражению [1]

ат Д01

,т = —, (2)

где стт - коэффициент Томсона, мкВ/град; А0 - разность температур на аноде и катоде, К; S -площадь контакта, мм2; I - длина контакта, мм; I - рабочий ток, А.

Величина коэффициента Томсона Стт зависит от температуры, для большинства материалов эта зависимость линейная.

Определим по выражению (2) величину qт для магнитных пускателей и автоматических выключателей (табл. 2).

Таблица 2

Тепловая энергия, выделяющаяся в контактах магнитного пускателя и автоматического выключателя, обусловленная эффектом Томсона

Коммутационный аппарат 1н, А 2 мм 1, мм А0, К 0, К От, мкВ/К ч, Дж/мм

56,7 405 1 0,0095

Магнитный 59,85 451,25 1,6 0,0159

пускатель 63 63 100 6 1 500 2,3 0,0241

ПМЛ 66,15 551,25 2,9 0,0319

69,3 605 3,5 0,0404

18 405 1 0,0112

Автоматический 19 451,25 1,6 0,019

выключатель 20 20 40 4 1 500 2,3 0,0287

АЕ2046 21 551,25 2,9 0,0380

22 605 3,5 0,0481

Кроме эффекта Томсона определенную роль в процессе нагрева контактов низковольтных коммутационных аппаратов может играть эффект Пельтье, сущность которого состоит в том, что при протекании тока через контакт, образованный двумя различными материалами, происходит добавочное нагревание контакта помимо выделения джоулева тепла. Это объясняется возникновением контактной разности потенциалов на границе двух различных материалов, которая уменьшает среднюю энергию электронов проводимости при переходе через контакт. Мощность тепловых источников Пельтье определяется по выражению [1]

Чп = иП1, (3)

где I - протекающий ток.

ип = ^0 - коэффициент Пельтье,

где к1, - коэффициент термо-эдс; 0 - температура нагрева проводника.

Как следует из [2], решение уравнения теплового баланса можно получить в следующем виде:

0 = 0н

где 0ном - температура перегрева, соответствующая номинальной нагрузке /ном.

Определим по выражению (2) величину qп для магнитных пускателей и автоматических выключателей (табл. 3). Предположим, что контакты медномолибденовые.

Таблица 3

Тепловая энергия, обусловленная эффектом Пельтье

Коммутационный аппарат /, нА < 0, К ип , мкВ ks, мкВ/К Чп , Дж/мм

56,7 405 1782 0,101

59,85 451,25 1985,5 0,118

Магнитный 63 63 500 2200 4,4 0,138

пускатель 66,15 551,25 2425,5 0,160

69,3 605 2662 0,184

18 405 1782 0,032

Автоматический 19 451,25 1985,5 0,037

выключатель 20 20 500 2200 4,4 0,044

21 551,25 2425,5 0,050

22 605 2662 4,4 0,058

Эффект Колера наблюдается в том случае, когда на контактной поверхности имеются тонкие пленки, т.е. контакт носит квазиметаллический характер. При этом на пленке между анодом и катодом возникает туннельная разность потенциалов, создающая на поверхности катода напряженность поля, достаточную для обеспечения автоэлектронной эмиссии. Электроны проводимости, проникающие через пленку посредством туннельного эффекта, без изменения своего энергетического уровня, увеличивают кинетическую энергию при достижении анода с меньшим отрицательным потенциалом, чем катод. Теплота, возникающая при отдаче электронами избытка своей кинетической энергии, создает на анодной стороне контакта поверхностный источник с удельной мощностью П/ :

/и г

п /=—2,

п/

где / - радиус контактной площадки; из экспериментальных данных [1] следует, что для медных контактов (/ном < 75 А) он лежит в пределах / = 0,2 - 0,3 мм ; /- рабочий ток, А; и/ - коэффициент Колера.

1а /

Используя соотношение и/ =--------, получим

У п/

12ст /

П/ = -/, (4)

п ]

где а / - туннельное поверхностное удельное сопротивление пленки, зависящее от толщины пленки,

а/ = р/й,

где р/ - линейное удельное электрическое сопротивление пленки; й -толщина пленки.

Определим по выражению (4) величину qп для магнитных пускателей и автоматических выключателей (табл. 4).

Таблица 4

Тепловая энергия, обусловленная эффектом Колера

Коммутационный аппарат /и, А f, мм Pf, Ом-мм d, 7 мм-10- CTf Ом-мм210-7 nf 2 Дж/мм

56,7 0,567

Магнитный 59,85 0,599

пускатель 63 63 0,3 10 8 80 0,631

ПМЛ 66,15 0,662

69,3 0,694

Автоматичес- 18 19 0,237 0,250

кий выключатель АЕ2046 20 20 21 22 0,28 10 8 80 0,264 0,277 0,290

Таким образом, из вышеприведенных расчетов видно, что наибольшее влияние на нагрев электрических контактов оказывает эффект Колера, или туннельный эффект, особенно в случае сильно загрязненных контактов. Эффект Пельтье имеет место только в случае контактов, образованных двумя разными материалами. Эффект Томпсона играет определенную роль в тепловых процессах мостиковой эрозии, действие этого эффекта на температурное поле области стягивания замкнутых контактов в обычных условиях пренебрежимо мало.

Summary

There are considered processes that influence on heat of low-voltage switch apparatus contacts, exactly, picking out of Joule’s warmth and Thomson’s, Pelletier’s, and Choler’s effects, which are caused by bond between electric and warmth processes in contacts. Also,

there are calculated power of warmth sources for every of physical processes on depend of

current value.

Литература

1. Ким Е.И., Омельченко В.Т. Математические модели процессов в электрических контактах. - Алма-Ата: Наука, 1977.

2. Егоров Е.Г., Испытание и исследование низковольтных коммутационных электрических аппаратов. - Чебоксары: изд-во Чуваш. ун-та, 2000.

3. Буткевич Г.В., Дегтярь В.Г. Задачник по электрическим аппаратам: - М.: Высш. шк., 1987.

4. Омельченко В.Т. Теория процессов на контактах. - Харьков: изд-во Харьк. ун-та, 1979.

5. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. -М.: Энергоиздат, 1981.

Поступила 17.11.2003