UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Marko Horvat TOPLOTNE RAZMERE KONTAKTNEGA SISTEMA APARATOV PRI NORMALNEM IN OKVARNEM DELOVANJU Diplomsko delo Maribor, september 017
TOPLOTNE RAZMERE KONTAKTNEGA SISTEMA APARATOV PRI NORMALNEM IN OKVARNEM DELOVANJU Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektor: Marko Horvat VS Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika red. prof. dr. Jože Pihler doc. dr. Janez Ribič Danijel Škafar, dipl. slovenist (UN) II
III
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Jožetu Pihlerju in somentorju doc. dr. Janezu Ribiču za pomoč, svetovanje in potrpežljivost pri izdelavi diplomskega dela. Iskrena zahvala gre moji družini, ki mi je omogočila študij. IV
TOPLOTNE RAZMERE KONTAKTNEGA SISTEMA APARATOV PRI NORMALNEM IN OKVARNEM DELOVANJU Ključne besede: električni kontakt, prehod toplote, meritev temperature, stikalni aparati UDK: 61.317.31(043.) Povzetek: Cilj diplomske naloge je bila primerjava vrednosti analitičnega izračuna segrevanja na merjencu in preizkusa segrevanja v laboratoriju pri določenih vrednostih toka s predpostavko, da bi naj vrednosti bile približno enake. Po preizkusu segrevanja je bil narejen izračun vseh potrebnih koeficientov za določitev temperatur. Naloga je bila zaključena s primerjavo rezultatov. Meritve segrevanja so bile izvedene na Mariborskem otoku na infrastrukturnem centru za energetske meritve(icem) V
THER MAL CONDITIONS OF THE SWITCHING DEVICES CONTACT SYSTEM IN NORMAL AND FAILURE OPERATION Keywords : electrical contact, heat transfer, temperature measurement, switching devices UDK: 61.317.31(043.) Abstract: The purpose of diploma thesis was comparison of analytical calculation values to those from heating test with different current values in laboratory with the assumption that values should be approximately the same. After the heating test the calculation of coefficients was made. Thesis was concluded with comparison of results. The measurements of heating were made on Mariborski otok at the Infrastructural Center for Energy Measurements (ICEM). VI
Kazalo 1. Uvod... 1. Kontaktni sistem pri aparatih....1. Kontaktni materiali... 3.. Kontaktna upornost... 8.3. Zahteve za kontakte... 9.4. Razdelitev kontaktov po tokovni obremenitvi... 10.5. Razdelitev po načinu preklapljanja... 11.6. Kontaktna površina... 1 3. Prenos toplote... 14 3.1. Prevod toplote (kondukcija)... 15 3.. Prestop toplote (konvekcija)... 16 3.3. Sevanje toplote (radiacija)... 17 4. Analitični izračun... 18 4.1. Izračun kontaktne upornosti... 18 4.. Določitev kontaktnega pritiska... 1 4.3. Temperatura električno segrete a-točke (točka prevajanja)... 3 4.4. Napetostno-temperaturna odvisnost... 3 4.5. Napetostno-temperaturno razmerje s temperaturno odvisno električno upornostjo in termično prevodnostjo... 5 4.6. Wiedemann-Francov zakon... 6 4.7. Taljenje kontaktov... 7 4.8. Izračun temperature kontakta... 8 4.9. Izračun koeficienta toplotne prestopnosti... 3 4.10. Izračun maksimalne temperature... 33 VII
5. Meritve prehoda toplote v laboratoriju ICEM... 35 5.1. Namen meritev... 35 5.. Besedilo... 35 5.3. Postavitev termočlenov... 36 5.4. Opis postopka... 38 5.5. Merjenje kontaktne upornosti... 39 6. Rezultati meritev in primerjava rezultatov... 40 7. Sklep... 44 8. Literatura... 45 VIII
Kazalo slik Slika.1: Prevajanje toka na stiku kontaktov.... 8 Slika.: Prikaz zožitve površine in realne kontaktne površine.... 1 Slika 3.1: Prevajanje toplote.... 15 Slika 4.1: Železna palica.... 4 Slika 5.1: Vezava preskusnega tokokroga za preizkus segrevanja.... 35 Slika 5.: Merjenec med preizkusom.... 36 Slika 5.3: Shema priključitve termočlenov.... 36 Slika 5.4: Merjenec z nameščenimi termočleni.... 37 Slika 5.5: Naprava za zajemanje podatkov s termočlenov.... 37 Slika 5.6: Merjenje kontaktne upornosti... 39 Slika 6.1 : Graf segrevanja pri 98 A.... 41 Slika 6.: Graf segrevanja pri 03 A.... 4 Slika 6.3 : Graf segrevanja pri 403 A.... 43 IX
Seznam preglednic Preglednica.1: Kriteriji za izbor kontaktnega materiala... 3 Preglednica.: Pregled uporabe kontaktnih materialov.... 7 Preglednica.3: Kontaktna površina v odvisnosti od sile.... 13 Preglednica 4.1: Vrednosti ρ in H za materiale, ki so uporabljeni v kontaktnih sistemih.. 0 Preglednica 4.: Koeficient ku pri kombinacijah materialov.... Preglednica 5.1: Seznam merilnih mest za merjenje temperature... 38 Preglednica 6.1: Največje izmerjene temperature pri različnih vrednostih tokov.... 40 Preglednica 6.: Izmerjene vrednosti kontaktne upornosti merjenca v hladnem stanju in po vsaki meritvi.... 40 Preglednica 6.3: Primerjava izmerjenih in izračunanih temperatur... 43 X
UPORABLJENI SIMBOLI U napetost (V) I tok (A) Rk kontaktna upornost (Ω) Fk kontaktni pritisk (N) Fc sila obremenitve kontakta (N) H trdota materiala (N/m ) Aa kontaktna površina (m ) a polmer dotične površine (m ) Ρ specifična upornost (Ωm) Tok temperatura okolice (K) Tm temperatura merjenca (K) L dolžina stene (m) toplotna prevodnost snovi (W/mK) Pr - Prandtlovo število u kinematična viskoznost(m /s) cv specifična toplota vodnika (J/Km 3 ) α faktor prehoda toplote(w/m K) p obseg preseka vodnika (m) A ploščina površine stene (m ) Ts temperatura površine stene (angl. surface) Tf temperatura tekočine (angl. fluid) debelina mejnega sloja (m) S presek vodnika (m ) ϑ0 temperatura okolice (K) ρ specifična upornost vodnika(ωm) σ specifična slojna upornost(ωm ) XI
UPORABLJENE KRATICE ICEM Infrastrukturni center za energetske meritve Al aluminij Ag živo srebro Au zlato Mg magnezij Fe železo Cu baker Pt platina Ni nikelj XII
1. Uvod V diplomski nalogi bom ugotavljal, kako prehaja toplota pri različnih kontaktnih spojih in pri različnih vrednostih tokov. To je pomembno za pravilno termično dimenzioniranje kontaktov, da preprečimo preveliko segrevanje kontaktov ob okvari in normalnem obratovanju. Termična prevodnost kontaktov je odvisna od različnih faktorjev. Na njo ima največji vpliv kontaktni pritisk. Z nalogo sem hotel ugotoviti kako natančen je analitični izračun temperature kontakta in kako kontaktni pritisk vpliva na segrevanje kontakta. Predpostavljam, da je z določeno natančnostjo možno izvesti analitične izračune prehoda toplote. V drugem poglavju je podan splošen opis kontaktnih sistemov in materialov, iz katerih so izdelani. Predstavljeni so materiali in njihove lastnosti ter mesta uporabe kontaktov iz določenega materiala. V tretjem poglavju je predstavljen prehod toplote. Opisani so vsi načini prehajanje toplote med materiali. V četrtem poglavju so opisane enačbe, ki bodo uporabljene za analitični izračun temperature kontakta. Na koncu poglavja je opravljen izračun maksimalne temperature kontakta. V petem poglavju je opis postopka opravljanja meritev v laboratoriju ICEM. Opisan je način opravljanja meritev temperature in kontaktne upornosti. V zadnjem poglavju so predstavljeni rezultati meritev v laboratoriju. Narejena je primerjava rezultatov s tistimi iz analitičnega izračuna. 1
. Kontaktni sistem pri aparatih Električni stikalni aparati so naprave za vzpostavljanje, vzdrževanje in prekinjanje električnih tokokrogov. Stikalni aparati v bistvu upravljajo naprave za proizvodnjo, transformacijo, prenos in potrošnjo električne energije preko vršenja funkcije vklapljanja in izklapljanja električnih tokokrogov. Njihova razvrstitev se lahko izvede po naslednjih kriterijih: Delitev po funkciji in namenu: ločilniki, ločilna stikala, odklopniki, kontaktorji, varovalke, odvodniki prenapetosti, releji, pribor (podporniki, skoznjiki, dušilke,...), stikalne naprave. Delitev na osnovi nazivne napetosti: nizkonapetostni aparati do 1 kv, srednjenapetostni aparati od 1 kv do 35 kv, visokonapetostni aparati nad 35 kv. Delitev glede na vrsto toka: enosmerni, izmenični.
.1. Kontaktni materiali Za izbor materiala moramo upoštevati veliko različnih kriterijev. Osnovni kriterij so pogoji, ki jim bo material izpostavljen. Iz teh kriterijev in pogojev pa izhajajo tehnične zahteve glede kakovosti materiala in njegovih fizikalnih lastnosti. Ti kriteriji so prestavljeni v Preglednici.1. Preglednica.1: Kriteriji za izbor kontaktnega materiala [1] Pogoji delovanja Tehnične zahteve Fizikalne lastnosti Vrsta kontakta: iz enega kosa. Funkcija kontaktov: vodenje toka, vklapljanje, izklapljanje. Vrsta obremenitve: jakost toka in višina napetosti Okolica: zrak, olje, SF 6. Uporaba: odklopniki, ločilna stikala, ločilniki. Električne: mala kontaktna upornost. Termična: težko zavarjenje kontaktov, mala možnost nalaganja materiala. Mehanske: velika žilavost, mala obraba in malo odskakovanje. Kemijske: kemijska obstojnost. Tehnološke: dobra možnost obdelave, nizka cena. specifična električna upornost toplotna vodljivost, specifična toplota, temperatura zmeščanja, tališče,vrelišče trdota, elastičnost obnavljanje materiala Vsem zahtevam v celoti ne ustreza noben material (mala kontaktna upornost in velika odpornost proti zavarjenju za prvo se zahteva mala trdota materiala in velika čistoča kontaktne površine, za drugo pa ravno obratno). Malo kontaktno upornost bodo imeli materiali z manjšo trdoto, veliko električno prevodnostjo in kontaktno površino brez tujih slojev. 3
Kontaktni materiali so razdeljeni v tri skupine: čiste kovine, legure, sintrane kombinacije. Najbolj pogosto uporabljena materiala v električnih kontaktih sta baker in aluminij. Njihova uporaba je predstavljena v preglednici.. Baker Baker je mehak, koven in prožen material z visoko električno in termično prevodnostjo. Z valjanjem in vlečenjem je možno izdelati mnogo električnih proizvodov. Njegova glavna slabost je majhna odpornost proti oksidaciji, koroziji in temnenju. Visoko-prevodni baker, ki se uporablja v električnih proizvodih, mora biti izdelan z uporabo metod, kot so elektrolitsko prečiščenje, ki odstrani primesi, kot so Ag, Au, As, Sb in ostale nečistoče. V normalnih razmerah je baker dobro odporen proti koroziji. Mehanske lastnosti bakra morajo biti izboljšane za uporabo v električnih aplikacijah, vendar se pri tem pogosto zmanjša električna prevodnost. Krepitev lahko dosežemo s hladnim oblikovanjem ali legiranjem bakra z drugimi elementi. Spodaj je predstavljenih nekaj bakrovih zlitin: Cu-Ag količina dodanega srebra je 0.030 0.1%, kar se odraža v manjšem lezenju materiala in odpornosti proti mehčanju pri povišani temperaturi brez zmanjšanja električne prevodnosti. Ta zlitina je pogosto uporabljena na tokovnih zbiralnikih električnih strojev. Cu-Be ki vsebuje 0.5 % Be kot glavnega legurnega elementa, pogosto pa sta dodana tudi Ni in Co za dosego želenih lastnosti. Zlitina je nemagnetna in ima odlične mehanske (elastične) sposobnosti ter dobro električno in termično prevodnost. Povečana je tudi odpornost proti obrabi in koroziji. Bron koncentracija kositra je od 5 do 15%. Bron ima dobre mehanske lastnosti vendar slabše električne lastnosti. Električna upornost brona je lahko od do 0 krat večja od bakra. Bron uporabljen v električnih aplikacijah vsebuje manj kositra in ostalih materialov. Medenina to so zlitine, ki vsebujejo 15 40% cinka. Dodajanje drugih materialov kot so Mn, Ni in Al izboljša mehansko trdnost zaradi njihovih nizkih prevodnosti. 4
Aluminij Uporaba aluminija narašča zaradi ekonomskih in tehničnih razlogov. Zaradi majhne teže ter relativno dobre električne in toplotne prevodnosti, velike dostopnosti in zmerne cene je aluminij uporabljen kot možna alternativa bakru v električnih sistemih. Z nadomeščanjem bakra z aluminijem je potrebno upoštevati razlike v upornosti, mehanski trdnosti in gostoti. Za enako upornost in dolžino, mora imeti aluminijasti prevodnik 60 % večji prerez kot bakreni, kjer je teža aluminijastega 48 % bakrenega. Prevodnost aluminija je 0 % manjša od bakra. Čisti aluminij nima primernih mehanskih lastnosti. Ta pomanjkljivost je odpravljena z zlitinami z drugimi materiali, kar se odraža v boljši natezni moči in manj tečenju materiala (večja preoblikovalna trdnost). Najbolj pogosti zlitini v električnih aplikacijah sta Al-Mg ali Al-Mg-Si, ki vsebujeta tudi Fe in Co. Srebro Za razliko od bakra in aluminija je srebro večinoma uporabljeno kot prevleka na bakrenih ali aluminijastih delih. Je najbolj uporabljen v kontaktih s tokom od 1 do 600 A in kontaktnimi silami večjimi od 15 g. Ker dobo prenaša deformacije, ga je možno izdelati v več obliko, kot so trdna, cevasta ali sestavljene zakovice, vendar je najbolj pogosto uporabljen kot prevleka ali premaz kontaktnih delov priključkov. Zlato Ima odlično odpornost proti temnenju in oksidaciji, vendar je material mehak in dovzeten za mehansko obrabo, kovinski prenos in zavaritev. Večinoma je uporabljen na mestih, kjer obratovalni tok ne preseže 0,5 A. Dodajanje bakra, srebra, platine izboljša trdoto, vendar je uporaba omejena na mesta z majhnimi toki. Nikelj Zaradi visoke odpornosti proti oksidaciji in koroziji je nikelj ustrezen za širok nabor uporabe, kjer je potrebna vključuje korozijska odpornost in/ali toplotna odpornost. 5
Galvaniziranje in oblaganje Sta najbolj uporabljeni metodi za prekrivanje večjih kontaktnih površin. Najbolj pogosto uporabljeni materiali za prevleke električnih povezav so srebro, kositer in nikelj. Osnovni materiali, uporabljeni kot nosilci toka v povezavah, kot so baker in njegove zlitine, so lahko prekriti s katerim koli materialom za prevlečenje. Zlato, rodij, paladij in platina se lahko nanesejo na večino jekel ali na aluminij in njegove zlitine. Kositer se uporablja za prevlečenje namesto zlata v operacijah z majhnimi toki. Nikelj je najbolj praktičen material za prevlečenje, ker je poceni in izboljša metalurške in kontaktne sposobnosti električnih povezav. [] Oblaganje osnovnih materialov (kot so baker in njegove zlitine, jeklo in aluminij) z plemenitimi kovinami, kot so zlato, srebro in platina da se dosežejo optimalno kombinacijo funkcionalnih lastnosti, je dobro uveljavljena praksa. Oblaganje dovoljuje lastnosti, kot so termična in električna prevodnost, visoka trdnost, korozijska odpornost in majhna teža. Obložene kovine se uporabljajo v kontaktih, termostatih, rezilih, vzmeteh itd. 6
Preglednica.: Pregled uporabe kontaktnih materialov. [1] Mesto uporabe Zahteve za kont. mesto Material Oblika Zaščitno stikalo Pomožna stikala Motorska zaščitna stikala Kontaktorji Nizkonapetostni odklopniki Srednjenapetostni odklopniki Ločilniki Ločilna stikala (SN in VN) Varnost proti zlepljenju pri velikih tokih, dobro prenašanje velikih tokov. Zanesljiv kontakt pri dalj časa trajajočem delovanju. Zanesljiv izklop pri velikih tokovih, malo trajno segrevanje. Visoka stikalna zmogljivost, dolga življenjska doba v težkih pogojih, malo segrevanje. Varnost proti zavarjenju pri vklopu kratkih stikov, malo segrevanje pri trajnih tokih, visoka vklopna zmogljivost. Malo odgorevanje materiala,mali tok odsekanja, vklopna in izklopna zmogljivost. Mala kontakt. upornost pri trajnih tokih, zadostna mehanska trdnost, breztokovno posluževanje. Enako kot ločilniki in visoka odpornost proti odgorevanju obločnih kontaktov. Ag, CdO, AgNi Ag, trdo srebro, Ag-Ni, pozlačeni AgCdO, AgZnO, AG AgCdO, Ag, AgNi, AGSnO AgNi, AgC5, AgW, AgWC CuCr 7/5, CuCr 44/56, WCu, MoCu Ag, AgNi, trdo srebro obločni kontakti WCu, Mo glavni kontakti; Cuposrebren, AgNi kovice, profili, zavarjeni del kovice, ploščato, ploščati izsekani materiali, pozl. kovice platirane kovice, profilni deli, varjeni deli lotane ali varjene plošče, profili lotane ali varjene plošče, deli raznih oblik sintrani odlitki, lotani deli kontaktov galvanske prevleke, lotane plošče in obroči, varjeni deli lotani, varjeni ali Al odlitki za obločne kontakte; srebreni, platirani ali varjeni kontakti 7
.. Kontaktna upornost Nobeni dve trdni površini, ki ju pritisnemo skupaj, med sabo ne ustvarita popolnega termičnega kontakta. To je zaradi majhnih vrzeli, ki so posledica neizogibne hrapavosti na površini. Tipična ravnina stika dveh površin je prikazana na Sliki.1 z zelo povečano vertikalno skalo. Slika.1: Prevajanje toka na stiku kontaktov. Prenos toplote sledi dvema potema skozi tako površino. Prevajanje med stikoma dveh površin je zelo učinkovito, toda prevajanje skozi zračne vrzeli, ki imajo majhno toplotno prevodnost, je lahko slabo. Tudi termično sevanje skozi vrzel je zelo neučinkovito. Te vrzeli ustvarijo upornost proti prenosu toplote, kar se odraža v dodatnih spremembah temperature čez površino. [7] 8
.3. Zahteve za kontakte V splošnem so kontakti stična mesta dveh enakih ali različnih materialov. Njihova naloga je, da sklenejo ali prekinejo električni tokokrog. Za opravljanje te naloge morajo izpolnjevati nekatere zahteve [4]: 1. Kontaktna upornost (upornost na stiku med kovinama) naj bi bila čim manjša in stalna. Pri tem je mišljeno, da je površina odporna proti oksidaciji, proti nastajanju sulfidov in nasploh odporna proti nastajanju kakršnih koli slabo prevodnih prevlek.. Materiali morajo imeti čim večjo toplotno prevodnost, da so toplotne izgube na kontaktnem materialu čim manjše. Material mora imeti čim manjšo toplotno upornost. Na to lahko vplivamo z ustreznim oblikovanjem kontaktnih površin. Največjo električno in toplotno prevodnost imata srebro in baker. Pri njunih zlitinah sta dva parametra slabša. V tem primeru uporabljamo kombinacije tistih kovin, ki se ne zlivajo, ampak kristalizirajo ločeno. 3. Material mora biti odporen proti obrabi. To je odvisno predvsem od trdote materiala in načina pomikanja kontaktov. Pri mehansko zelo obremenjenih kontaktih, kot npr. pri drsnih, uporabljamo trde neplemenite materiale. 4. Do obrabe materiala lahko pride tudi zaradi odgorevanja oziroma izparevanja materiala. Med iskrenjem in gorenjem električnega obloka prihaja na kontaktih do prenašanja materiala. Zaradi hrapavosti kontaktne površine se dotikalna površina pri odpiranju kontakta zmanjšuje. Povečuje se obremenitev te površine, zaradi česar temperatura zelo naraste. Material se na tem mestu tali in izpareva, prihaja pa tudi do toplotne emisije elektronov. 9
.4. Razdelitev kontaktov po tokovni obremenitvi Kontakti za majhne tokovne obremenitve Med kontakte za majhne obremenitve uvrščamo precizne kontakte za instrumente, releje ipd., ki vedno delujejo v področju brez električnega obloka in z minimalno obrabo. Pri teh potrebujemo čim manjšo in čim bolj konstantno prehodno upornost oziroma kemično obstojnost površine. Kontakti za srednje velike tokovne obremenitve Kontakti za srednje obremenitve preklapljajo tokove do 0 A pri napetostih do 600 V. Pri teh vrednostih že prihaja do intenzivnejšega izrabljanja kontaktnega materiala, zato iščemo kompromisno rešitev med mehansko trdnostjo, časovno nespremenljivostjo in velikostjo prehodne upornosti. Pomembna je tudi toplotna prevodnost, saj se kontakti že občutneje grejejo. Kontaktna obstojnost tu ni najpomembnejša, saj oblok prodira skozi slabše prevodno plast in čisti kontakte. Kontakti za velike tokovne obremenitve Za obremenitve preko 0 A in 600 V uporabljamo drugačne izvedbe kontaktov. Zaradi obremenitev prihaja do močnega segrevanja, hitre obrabe in do problema z varjenjem kontaktov. Stikalne površine morajo biti čim večje, obenem pa so temu primerne tudi večje pritezne sile. Pri konstrukciji moramo paziti, da dosežemo dobro odvajanje toplote. 10
.5. Razdelitev po načinu preklapljanja Delimo jih v dve skupini: stalne, prekinjevalne. Stalni kontakti Tipični primeri stalnih kontaktov so zbiralke, sponke, vijačne sponke itd. Če so kontakti atmosfersko zaščiteni, potem lahko uporabljamo široko paleto materialov. Če te zaščite ni, potem uporabimo materiale, ki so korozijsko odporni in ceneni. To so Cu, Al, bron, medenina ali pa tudi nerjaveča jekla. Prekinjevalni kontakti Za večje obremenitve uporabljamo Ag, W, Mo, Ni in Cu. Pri posebnih izvedbah prekinjevalnih stikal se preklapljanje izvaja v medijih, kjer se doseže višjo prebojno trdnost in odlično korozijsko zaščito. Kot medij se najpogosteje uporabljajo vakuum, olje ali inertni plini kot npr. SF6. Pri manjših tokovnih obremenitvah uporabljamo kovine, ki so korozijsko dobro obstojne kot npr. Au, Ag, Pt in Ni. 11
.6. Kontaktna površina Površine realnih kontaktov niso gladke, ampak so hrapave. Zato se, ko se naredi stik med dvema kovinama, ustvarijo prevodne poti med njima. S povečanjem sile se poveča število teh mest in njihova površina. Te točke, imenovane a-točke, so majhni hladni vari, ki zagotavljajo edino prevodno pot za prenos električnega toka. Posledica tega je porozen kontakt, kjer lahko vstopijo zrak in ostali korozivni plini ter povzročijo reakcijo z izpostavljenimi kovinami in zmanjšajo kontaktno površino. To bo sčasoma vodilo v izginotje električnega kontakta, čeprav se mehanski kontakt med površinama ohrani. [] Slika.: Prikaz zožitve površine in realne kontaktne površine. Realna kontaktna površina Ar je samo delček celotne kontaktne površine Aa, kot je prikazano na Sliki.. 1
Zveza med obremenitvijo Fc, trdoto materiala H in kontaktno površino Aa je podana z naslednjim izrazom: F c HAa, (.1) kjer trdota materiala H predstavlja merilo sposobnosti kovine upiranja deformacijam zaradi točkovne obremenitve, ξ je faktor pritiska in je odvisen od deformacije (je enak 1 v večini primerov). Preglednica.3: Kontaktna površina v odvisnosti od sile. [] Realna kontaktna površina/celotna kontaktna površina (Ar/Aa %) Zlitina/obremenitev 10 N 110 N 1000 N Al (H-19) 0.01 0.1 1 Al (H-0) 0.005 0.5 5 Al + 0.75 % Mg + 0.15 % Fe (H-19) 0.01 0.1 1 Al + 0.75 % Mg + 0.15 % Fe (H-0) 0.0 0. Cu (H-0) 0.008 0.08 0.8 13
3. Prenos toplote Prenos toplote je pomemben v tehnoloških procesih. Teorija prenosa toplote obravnava procese, kjer se zaradi razlik v temperaturi v snovi ali med telesi prenaša energija. Teorija prenosa toplote pojasnjuje načine in napoveduje hitrost prenosa toplota. Toplota se prenaša s področja z višjo temperaturo v področje z nižjo temperaturo. Teorija prenosa toplote obravnava tiste procese, kjer se energija prenaša zaradi razlik v temperaturi v snovi ali med telesi. Medtem ko termodinamika omogoča določitev količine toplote, ki je potrebna za prehod sistema iz enega ravnotežnega stanja v drugega, teorija prenosa toplote pojasnjuje načine in napoveduje hitrost prenosa toplote. Če se toplotne razmere v sistemu ne spreminjajo, je to ustaljen sistem in stacionaren prenos toplote. [5] Hitrost prenosa toplote podajamo s toplotnim tokom (W), ki pove, koliko toplote dq se prenese v časovni enoti: dq. dt (3.1) Gostota tokovnega pretoka q (W/m ) je definirana na enoto površine, pravokotne na smer toka d : d q. da (3.) Prenos toplote pogosto poteka z več mehanizmi. Proces lahko sestoji iz vzporednih in zaporednih prenosov in ga kot takšnega imenujemo prehod toplote. Mehanizmi prehoda toplote so: prevod toplote (kondukcija), prestop toplote (konvekcija), sevanje toplote (radiacija). 14
3.1. Prevod toplote (kondukcija) Prevajanje toplote prikazuje Slika 3.1. Sestavni delci snovi (atomi, molekule, ioni, elektroni) vibrirajo, rotirajo in se gibljejo premočrtno. Pripadajoča kinetična energija raste z rastočo temperaturo. Ko ti delci trkajo med seboj, se kinetična energija prenaša z območja višje v območje z nižje temperaturo. Slika 3.1: Prevajanje toplote. Zveza za enodimenzionalen prevod toplote (Fourier-ov zakon): kjer pomeni: dt q, dx q gostota toplotnega toka, koeficient toplotne prevodnosti, dt dx temperaturni gradient. (3.3) Negativni predznak pove, da se toplota prenaša v smeri padanja temperature. Parameter (W/mK) je toplotna prevodnost snovi, ki je odvisna od vrste snovi, temperature in tlaka. 15
3.. Prestop toplote (konvekcija) Prestop toplote ali konvekcija je kombinacija prevajanja toplote (kondukcije) in prenosa toplote s kroženjem segretega sredstva. Prestop toplote torej združuje prevajanje toplote s fizičnim premikom vročih delcev na hladnejša mesta. Zato do prestopa toplote prihaja pri prevajanju toplote v tekočinah, saj so v trdninah molekule snovi lokalizirane in ne zmorejo kolektivnega gibanja, potrebnega za prestop toplote. Če je gibanje tekočine povzročeno s črpalko, ventilatorjem ipd., govorimo o prisilni konvekciji. Pri naravni konvekciji je tok tekočine ali plina posledica sil vzgona, ki nastanejo zaradi razlike v gostoti fluida. Razlike v gostoti pa nastanejo zaradi razlik v temperaturi in posledično razlik v masi fluida. Prandtl [5] je za konvekcijo ob steni postavil zvezo: T T A s f, (3.4) kjer so: A ploščina površine stene, Ts temperatura površine stene (angl. surface), Tf temperatura tekočine (angl. fluid), toplotna prevodnost tekočine, debelina mejnega sloja. 16
3.3. Sevanje toplote (radiacija) Je posledica nihanje elektrine pri termičnih trkih osnovnih gradnikov snovi, npr. atomov. Prenos toplote s sevanjem se razlikuje od konduktivnega in konvektivnega prenosa toplote po tem, da se lahko vrši tudi skozi prazen prostor. Za razliko od konduktivnega in konventnega prenosa toplote, ki sta linearni funkciji temperature, je pri radiaciji prenesena toplota sorazmerna temperaturi na četrto potenco. Čeprav pri sobni temperaturi seva vsaka snov, je večinoma potrebno sevalni prenos toplote upoštevati šele pri visokih temperaturah. Zveza za tok sevane toplote z optično sive površine je Stefan-Boltzmann-ov zakon: Parametri so: q T A ploščina površine telesa, T temperatura površine telesa, emisivnost površine telesa in 4. T 4 Stefan-Boltzmannova konstanta 5,6697 10 W/m K 4 (3.5) 17
4. Analitični izračun 4.1. Izračun kontaktne upornosti Pokazali bomo, kako se izračuna kontaktna upornost kontakta. Vzemimo za primer dva cilindrična kontakta s premerom b in s specifično upornostjo ρ. V primeru idealnega kontakta bi se kontakta dotikala po vsej površini ter bi tokovnice potekale enako in pravokotno na dotično ploskev. Če vodnika ločimo in damo med njiju simetrično kroglico, bodo silnice potekale radialno proti njej. S prehodno upornostjo Rp bomo označili povečanje upornosti znotraj kroga. Tako je enačba za prehodno upornost: R ( R R ). (4.1) p 1 1 Po seštetju vseh prevodnosti dr 1 R1. b 1 elementarnih uporov [1] dobimo: (4.) Z upoštevanjem enačbe 4.1 dobimo: R p 1 ( ) a b. Ker je b >> a je končna enačba prehodne upornosti: R p. a (4.3) (4.4) Kroglico nadomestimo s krožno ravnino s polmerom a. Potem je enačba za prehodno upornost: R p. a (4.5) Trdoto materiala dobimo po naslednji enačbi: H F a a F. (4.6) H 18
Če to vstavimo v enačbo 4.5, znaša prehodna upornost: R p H, (4.7) F kjer pomeni: a [m] polmer dotične površine, H [N/m ] trdota kontaktnega materiala, F [N] kontaktni pritisk, ρ [Ωm] specifična upornost. Vrednosti specifičinih upornosti in kontaktnih pritiskov za določene materiale so podane v Preglednici 4.1. Slojno upornost kvazikovinskih materialov določimo po enačbi: a R s, (4.8) kjer σ [Ωm ] označuje specifično slojno upornost, ki je odvisna od makroelementarnih spojev. Ta konstanta je približno enaka za vse kovine (10-1 Ωm ). Če v enačbo vstavimo enačbo (4.8) dobimo: H Rs. F (4.9) Skupno kontaktno upornost Rk dobimo s seštevanjem Rp in Rs: R H H. (4.10) a a F F k. 19
Vidimo, da je prehodna komponenta upornosti sorazmerna z 1/a oziroma 1/ F, slojne upornosti pa 1/a oziroma 1/ F. V praksi to pomeni, da pri aparatih z majhnimi nazivnimi toki prevladuje slojna komponenta upornosti, ker so tam manjši kontaktni pritiski in manjše stične površine, pri večjih površinah in tokih pa prevladuje prehodna komponenta. Preglednica 4.1: Vrednosti ρ in H za materiale, ki so uporabljeni v kontaktnih sistemih. [1] Material ρ (Ωm) H (N/m ) Srebro 0.0165 10-6 6.5 10 8 Baker 0.0175 10-6 7.5 10 8 Medenina 0.07 10-6 1 10 8 Volfram 0.055 10-6 0 10 8 Elektrografit 6 80 1 3 Kot lahko vidimo iz enačb, kontaktna upornost za določen material ni odvisna od navidezne dotične ploskve, ampak je funkcija kontaktnega pritiska. Na kontaktno upornost Rk lahko vpliva tudi oblika kontaktov, saj je od njih odvisna toplotna kapacitivnost in ohlajevalna površina. V praksi je zelo pomembno še staranje kontaktov, ki ga po navadi povzročajo okoljski vplivi. Kontaktna upornost raste eksponencialno s časom.[1] R f () t R e R, (4.11) βt k p p kjer je: f (t) faktor staranja, Rp prehodna komponenta upornosti, α koeficient, odvisen od čistoče materiala, β hitrost porasta Rk. 0
4.. Določitev kontaktnega pritiska Za določitev kontaktnega pritiska je potrebno najprej določiti največji dopustni tok iu. Določitev največjega dopustnega toka iu je zelo pomembna, ker je to tok, ki ga lahko zaprta kontakta še preneseta brez zavarjenja. Težko je narediti natančen računski model zaradi odvisnosti specifične temperature od temperature. [1] Ker je temperatura dotičnega mesta ϑk sorazmerna Joulskim izgubam jo lahko izračunamo: T k K iu Rk, kjer je K konstanta. (4.1) Če zanemarimo spremenljivost specifične upornosti, lahko enačbo Rk zapišemo kot: R k C, kjer je C konstanta. (4.13) F k Z enačb 4.1 in 4.13 sledi: T C K i. (4.14) k u m Fk Kar pomeni, da je potreben kontaktni pritisk: F KCT k iu. (4.15) m Odbojno silo, ki jo povzroča prehod udarnega toka iu skozi zaprta kontakta, lahko izračunamo po enačbi: F k i. (4.16) d d u Ta sila je sorazmerna kvadratu udarnega toka, kjer je kd koeficient obremenitve s kratkostičnim tokom zaradi dinamičnih sil. F F F ( k k ) i. p k d u d u (4.17) 1
Po Bojlovu določimo ku iz empiričnih enačb. Podan je v Preglednici 4.. Preglednica 4.: Koeficient ku pri kombinacijah materialov. Material ku [N/kA ] Cu-medenina 69 10 - Cu-Cu 60 10 - Cu-Fe 43,5 10 - Al-medenina 39 10 - V standardih se termična odpornost definira s kratkotrajnim termičnim omejitvenim tokom Ith. To je efektivna vrednost konstantnega izmeničnega toka, ki ga zaprti kontakti še lahko prenesejo brez poškodb v času 1 s. Za ta primer je kontaktni pritisk [1]: F k I. (4.18) k k th Kontakta sta v normalnem delovanju obremenjena s trajnim tokom konstantne efektivne vrednosti I in se med obratovanjem segrejeta za ϑk, kar je sorazmerno toplotni moči Rk I, ki se razvije v kontaktni upornosti: k a Rk I. (4.19) Z uporabo enačb 4.1 in 4.19 dobimo kot rezultat potreben kontaktni pritisk: F k I (4.0) k m
4.3. Temperatura električno segrete a-točke (točka prevajanja) Definicija kontaktne upornosti kot ρ/a je veljavna, dokler je tok tako majhen, da je efekt segrevanja zanemarljiv. Pod temi pogoji je padec napetosti po zoženju, ki nastane zaradi toka I, preprosto podana kot ρi/a. Ko se proizvaja velika joulska toplota v področju zoženja, množica tokovnic v a- točki povzroči temperaturni naklon. Učinek tega naklona oteži zvezo med padcem napetosti na površini kontakta, električnim tokom in dimenzijami a-točke. [] Po prehodu električnega toka temperatura v a točki hitro naraste do ravnotežne točke. Poglejmo na primer segrevanje okroglega zoženja z radijem a, ki je med dvema polneskončnima ploščama z električno upornostjo ρ in termično prevodnostjo. Če sta ρ in neodvisna od temperature, je diferencialna enačba, ki opisuje naraščanje temperature v telesih v sferičnih koordinatah podana kot: T 1 T 1 T T { ( ) ( ) } r r r r sin t c j, (4.1) kjer je j tokovna gostota na mestu (r, θ) in c je specifična toplota. 4.4. Napetostno-temperaturna odvisnost Običajno obravnava električno segretih kontaktov v toplotnem ravnovesju predpostavlja, da so zunanje površine prevodnikov termično izolirane pred zunanjim okoljem. Pod temi pogoji ugotovimo, da električne in termične tokovnice sledijo istim linijam, zato električni potencial in izotermične površine v prevodniku sovpadajo. To je vodilo Kohlrauscha do izpeljave preproste povezave med padcem napetosti V čez površino kontakta in maksimalno temperaturo Tm kot: 1 1 Tm Tm, V 1 1dT dt T1 T (4.) kjer sta in ρ termična prevodnost in električna upornost prevodnika, indeksa 1 in predstavljata dva prevodnika v kontaktu ter T1 in T temperature kontaktnih teles. Vrednost in ρ se običajno spreminja s temperaturo. 3
Ker so tokovnice najbolj zožene v a-točki, je maksimalna temperatura Tm omejena na to točko ali njeno okolico. Za monokovinski kontakt, kjer je 1 = = in ρ1 = ρ = ρ, je Tm točno v a-točki in se enačba zmanjša na: 1 T m V dt. T1 (4.3) V temperaturnem območju, kjer se in ρ ne spreminjata dosti v povezavi s temperaturo, dobimo znano obliko napetostno-temperaturne odvisnosti za monokovinski kontakte: V (4.4) ( Tm T1). 8 Količina (Tm-T1) na levi strani je definirana kot kontaktna super temperatura, tj. odstopanje temperature a-točke od temperature priključka. Preden izpeljemo boljšo izpeljavo povezave med V in T je pomembno povedati, da desna stran enačbe vključuje lastnosti materiala le skozi in ρ in zato velja za materiale vseh oblik in dimenzij. To pomeni, da povezava V-T velja za vsa termalno izolirana telesa, ki so sposobna prevajanja električnega toka. To je prikazano na naslednjem primeru: [] Slika 4.1: Železna palica. Imamo električno prevodno železno palico (slika 4.1) dolžine L z enotnim sečnim prerezom A, skozi katero spustimo električni tok z enakomerno gostoto j. Temperatura na obeh koncih je To. 4
Če je prevodnik termično izoliran pred okolico, je diferencialna enačba, ki opisuje porazdelitev temperature T(x) v telesu: d T( x) dx j, (4.5) kjer sta in ρ termična prevodnost in električna upornost materiala palice, in x je razdalja vzdolž palice. Če sta za preprostost in ρ predpostavljena kot temperaturno neodvisna, je enačba: T ( x ) T 0 ( ) ( ) j L x. (4.6) V tem primeru je maksimalna temperatura na sredini palice. Ker je padec napetosti po palici podan kot: V jl, (4.7) je razlika med maksimalno temperaturo v palici in temperaturo na obeh koncih podana kot T T V. (4.8) (0) o / 8 4.5. Napetostno-temperaturno razmerje s temperaturno odvisno električno upornostjo in termično prevodnostjo Po navadi lahko izrazimo termično prevodnost in električno upornost kot = 0 (1 βt) in ρ = ρo (1 + αt) preko velikega temperaturnega razpona, kjer indeks 0 predstavlja 0º C, β in α pa sta temperaturna koeficienta temperaturne prevodnosti in električne prevodnosti. Termalna prevodnost materialov se po navadi zmanjšuje z višanjem temperature, s tem pa se povečuje električna upornost. S tem dobimo enačbo []: V 8 0 0( Tm T1) + 3 3 ( )( Tm T1 ) ( Tm T1 ). (4.9) 3 5
4.6. Wiedemann-Francov zakon Zakon pravi, da so spremembe termične prevodnosti in električne upornosti z temperaturo povezane po enačbi []: LT, (4.30) kjer je L Lorenzova konstanta (.45 10-8 V K - ) in T je absolutna temperatura. Ta enačba drži, če se termična prevodnost in električna upornost pojavita iz elektronskega prometa v kovinah. Če ta enačba drži, potem dobimo V-T odvisnost kot: V 4 L( T T ), (4.31) m 1 ki je neodvisna od materialov v kontaktu. To enačbo lahko skrajšamo z uporabo matematičnih definicij in s predpostavko, da je (Tm T1)/ povprečna temperatura Tpov v kontaktu, in dobimo: pov pov ( Tm T1) (4.3) L Sledi, da (Tm T1 ) = (Tm T1) (Tm + Ti) = (Tm T1)pov ρpov/l. Če ta izraz vstavimo v enačbo 4.30, dobimo: V ( T m Ti) 8. pov pov (4.33) Ker je enačba za V neodvisna od specifičnih termičnih in električnih lastnosti materialov kontakta, se nanaša enako dobro na monometalne in bimetalne kontakte. 6
4.7. Taljenje kontaktov Napetostno-temperaturna odvisnost izhaja iz predpostavke ravnotežja med ohmskim segrevanjem v električnem zoženju in termičnem odvajanju s prevajanjem v materialu. V kovinskih kontaktih pomeni povečanje električnega toka hitro povečanje temperature v a- točki zaradi kombinacije dogodkov: povečano termično odvajanje, ki nastaja zaradi večjih tokov, povzroči povišanje temperature, kar poveča električno upornost in še bolj poveča ohmsko upornost, povišana temperatura zmanjša tudi termično prevodnost, kar zmanjša sposobnost, da stičišče odvaja toploto s termičnim prevajanjem. Z dobrimi električnimi prevodniki, kot sta aluminij in baker, je povečanje električne upornosti in zmanjšanje termične prevodnosti z naraščanjem temperature dovolj počasno, da a-točka doseže ravnotežje temperature. V drugih materialih, kot sta Fe in Ni, pa je povečanje upornosti in zmanjšanje termične prevodnosti razmeroma hitro. V električnih kontaktih, izdelanih iz teh materialov obstaja kritična točka, kjer se toplota ne more več odvajati dovolj hitro, da zadosti pogojem za ravnotežje. Na tej kritični napetosti že majhno povišanje temperature povzroči povečanje upornosti in zmanjša termično upornost v a-točki dovolj, da poveča dodatno ujetost toplote. To hitro poveča temperaturo kontakta, kar vodi do dodatnih velikih padcev v termični prevodnosti, in tako dalje. To stanje vodi v efektivno ujetost toplote s posledičnim termičnim pobegom in taljenjem kontakta. [] 7
4.8. Izračun temperature kontakta Imamo vodnik dolžine dx, pri katerem je temperatura v točkah 1 in : 1. d dx x Spremembo temperature prikazuje slika 4.. V času dt vodnik prejme količino toplote po enačbi: S( ). dx x 1 dq1 dt Sdt (4.34) Slika 4.: Gretje kontakta s tokom I. Iz njega pa v tem času izhaja toplota: ( dq1 ) dq dq1 dx Sdt( ). x x x (4.35) Kjer je : S presek vodnika in koeficient vodljivosti toplote. 8
In s površine v okolico prehaja po enačbi (konvekcija): dq p dx( ) dt. (4.36) 3 0 Kjer so: α faktor prehoda toplote, ϑ0 temperatura okolice in p obseg preseka vodnika. Slika 4.3: Gibanje toplote v vodniku. Slika 4.3 prikazuje gibanje toplote v delu vodnika. V elementu se razvije Joulova toplota: dx. S dq4 I dt (4.37) Kjer je: I tok v vodniku in ρ specifična upornost vodnika. Povišanje toplote po vsej prejeti in izhajajoči toploti je: dq dq dq dq dq 1 4 3 I. S dxdt p( 0) dxdt dxdt x S (4.38) 9
Zato pride do povišanja temperature v elementu. Povezava med dq in dϑ je podana z naslednjo enačbo: (4.39) dq cv S d cv S dxdt, t kjer je: cv specifična toplota vodnika. Če predpostavimo, da je 0, lahko dobimo stacionarno enačbo, v kateri ni spremembe t temperature: I (4.40) S p( 0). x S. S pomočjo te enačbe lahko določimo skupno temperaturo v točki x: 0 v k. (4.41) Ker se toplota širi izmenično na obe strani in gre v vsak vodnik polovica, moramo v enačbo za dq1 vstaviti: 1 1 (4.4) dq1 ( x 0) dqk I Rk dt. Če je ϑ = ϑk, dobimo: 1 k S I Rk x x0, (4.43) -ax Z upoštevanjem e dobimo: k k x x0 km ( e ). -ax km x0 km (4.44) 30
Ta izraz vstavimo v enačbo 4.43: 1 I Rk S( a) km I Rk km. S a (4.45) In tako dobimo enačbo za ϑk: I Rk k e S a -ax. (4.46) Na podlagi enačbe: I m, ps (4.47) dobimo vrednost segrevanja zaradi upornosti vodnika: I v. ps (4.48) In s to enačbo imamo vse potrebne podatke za izračun temperature sistema v kateri koli točki: I I R p S S a k x( t ) 0 e -ax. (4.49) Največjo temperaturo kontakta dobimo pri x = 0: I I Rk m 0 v km 0. p S S a (4.50) To enačbo bomo uporabili, da bomo z njo določili najvišjo temperaturo merjenca. 31
4.9. Izračun koeficienta toplotne prestopnosti Enačbe in koeficienti so bili pridobljeni iz literature [7], [8]. Podatki: Tok = 7 ºC temperatura okolice, Tok = 68, ºC temperatura merjenca, L = 0,016 m dolžina stene, = 0,03 W toplotna prevodnost zraka (tabela), mk Pr = 0,707 Prandtlovo število (tabela), u = 15,89 10-6 Izračun: m s kinematična viskoznost (tabela). Tok Tm 68, 7 T 47,6 C 30,79 K 1 1 3,11 10 T 30, 79 3 3 3 3 g ( Tp Tm) L 9,81 3,33 10 (68, 7) 0,016 Gr 0391, 011 Grashofovo št. -6 (15,89 10 ) Ra Gr Pr 0391, 0110, 707 14416, 444 Nu 3 3 0,15 Ra 0,15 14416, 444 3, 651 Nusseltovo število L Nu Nu. L Toplotna prestopnost merjenca: Nu 3,6510,01 5,48. L 0,016 3
4.10. Izračun maksimalne temperature S pomočjo enačbe 4.50 lahko izračunamo maksimalno vrednost temperature merjenca: Podatki: S 0.00066 m a 0, 00055cm 1 7 C 0 p 0, 0578 m 6 0.0175 10 m W 385 m K 10 Ωm 1 W 5.48 Km p 5.48 0.0578 a 1,7 S 385 0.00066 R 0.017510 10 6 1 5 k 1.69610 a1 a 0, 00055 0, 00055 10 A: I I R p S S a k m10a 0 v km 0 6 5 10 0.017510 10 1.69610 7 7, 07 C 0.0578 0.00066 5,14 385 0.00066 1,71 98 A: I I R p S S a k m98a 0 v km 0 6 5 98 0.017510 98 1.69610 7 9,559 C 0.0578 0.00066 5,14 385 0.00066 1,71 33
03 A: I I R p S S a k m03a 0 v km 0 6 5 03 0.017510 03 1.69610 7 37,989 C 0.0578 0.00066 5,14 385 0.00 0 66 1,71 403 A: I I R p S S a k m403a 0 v km 0 6 5 403 0.017510 403 1.69610 7 70, 68 C 0.0578 0.00066 5,14 385 0.00 0 66 1,71 34
5. Meritve prehoda toplote v laboratoriju ICEM 5.1. Namen meritev Meritve so bile opravljene z namenom ugotavljanja segrevanja kontakta pri različnih vrednostih tokov. Osnovna zahteva je, da morajo biti glavni prevodni deli obremenjeni tako dolgo, dokler se temperatura ne ustali. To pomeni, da v času ene ure ne sme biti spremembe za več kot 1 K na nobenem delu naprave [8]. 5.. Besedilo Izvedena je bila meritev segrevanja kontakta v odvisnosti od toka 3. Vezalni načrt. Slika 5.1: Vezava preskusnega tokokroga za preizkus segrevanja. Merjenec je bil nožasti ločilnik podjetja TSN, tip T04-401, s podatki: Un 380 V, In 400 A, f ~ 50 Hz. Nožasti ločilniki se uporabljajo predvsem za notranjo montažo za napetosti do 35 kv. Pomični kontakti ločilnika pa so sestavljeni iz dveh delov (nožev), ki ju na določeni razdalji omejuje distančnik. Na enem koncu je pomični kontakt vpet na nepomični del, v srednjem delu pa je povezan z izolacijsko ročico s skupno pogonsko osjo. Izvedba je lahko enopolna ali tripolna. 35
Merjenec je bil med preizkusom segrevanja zaprt v škatli za zmanjšanje vplivov okolice, ki bi vplivali na meritev. Prikaz merjenca med meritvijo je prikazan na Sliki 5. Slika 5.: Merjenec med preizkusom. 5.3. Postavitev termočlenov Nameščenih je bilo 9 termočlenov (8 na merjencu in 1 za merjenje temperature okolice), katerih postavitev je prikazana na Sliki 5.3. Na Sliki 5.4 je merjenec z nameščenimi termočleni pred začetkom meritev. Slika 5.3: Shema priključitve termočlenov. 36
Slika 5.4: Merjenec z nameščenimi termočleni. Slika 5.5: Naprava za zajemanje podatkov s termočlenov. 37
Preglednica 5.1: Seznam merilnih mest za merjenje temperature Zap. številka Oznaka Merilno mesto 1. T1 Kontaktni nož. T Kontakt (nepomični) 3. T3 Kontaktni nož 4. T4 Kontaktni nož 5. T5 Kontakt 6. T6 Kontaktni nož 7. T7 Priključek 8. T8 Priključek 9. T9 Okolica 5. Seznam instrumentov Ampermeter, termočleni Ni Cr Ni, naprava za merjenje temperature Almemo 5990-, voltmeter, ohmmeter Megger DLRO 00. 5.4. Opis postopka Pred začetkom meritve smo določili preskusne vrednosti tokov, ki jih bomo uporabili v meritvi. Zvezali smo preskusni tokokrog po vezalni Sliki 5.1. in namestili termočlene po Sliki 5.3. Pred opravljanjem meritev segrevanja smo izmerili kontaktno upornost v hladnem stanju. Potem smo lahko priključili in pognali napravo za merjenje in snemanje temperature. Nastavili smo tok na vrednost, ki smo jo določili in med meritvijo skrbeli za ustrezno nastavitev toka. Ko so se razmere ustalile, smo zaključili meritev merjenja temperature in izmerili kontaktno upornost segretega kontakta. 38
5.5. Merjenje kontaktne upornosti Slika 5.6: Merjenje kontaktne upornosti Za merjenje kontaktne upornosti je bila uporabljena U-I metoda merjenja. Meritve so bile opravljene takoj po ustalitvi temperatur. Meritev je prikazana na Sliki 5.6. 39
6. Rezultati meritev in primerjava rezultatov Rezultati so podani grafično (Slike 6.1, 6. in 6.3), vrednostno v Preglednicah 6.1, 6. in opisno. Zaradi nihanj temperature so v Preglednici 6.1 podane maksimalne temperature na posameznih delih merjenca. Preglednica 6.1: Največje izmerjene temperature pri različnih vrednostih tokov. Zap.št Oznaka Merilno mesto Temperatura (ºC) 10 A 98 A 03 A 403 A 1. T1 Kontaktni nož / 9,6 37,0 63,6. T Kontakt / 9,3 37,3 68, (nepomični) 3. T3 Kontaktni nož / 9,1 36,7 63,9 4. T4 Kontaktni nož / 30,1 39,1 7,9 5. T5 Kontakt / 30,4 39,9 75,9 6. T6 Kontaktni nož / 30, 38,8 70,6 7. T7 Priključek / 9,5 36,5 6,3 8. T8 Priključek / 30, 41,1 8,8 9. T9 Okolica / 6,5 7,1 9, Preglednica 6.: Izmerjene vrednosti kontaktne upornosti merjenca v hladnem stanju in po vsaki meritvi. Kontaktna upornost (μω) hladni 10 A 98 A 03 A 403 A T 17, 16,8 16,8 15,7 16,8 T5 4, 1,0 19,7 18,8 18,9 Na začetku meritev je bila opravljena meritev kontaktne upornosti v hladnem stanju. Naslednje meritve so bile opravljene po vsakem preizkusu segrevanja. Vrednosti so nekoliko padle, po naraščanju temperature pa se na mestu T niso več dosti spreminjale. Na merilnem mestu T5 je z naraščanjem temperature kontaktna upornost padala in se na koncu ustalila. 40
Grafi segrevanja: Graf za segrevanje pri 10 A ni prikazan, ker ni bilo zaznanih večjih sprememb temperature. Segrevanje 98 A: Slika 6.1 : Graf segrevanja pri 98 A. Na grafu je vidna krivulja naraščanja temperature, ki na začetku narašča zelo hitro, ko pa se bliža točki maksimalne temperature, pa se naraščanje zmanjša. Vidna je razlika med naraščanjem na levi strani merjenca kjer je manjša kontanktna upornost kot na desni strani. Zato je naraščanje temperature na levi strani večje kot na desni strani in tudi merjenec se na tistem delu bolj segreje. 41
03 A: Slika 6.: Graf segrevanja pri 03 A. Podobno kot pri grafu za 98A sta tudi tukaj naraščanje temperature in njena maksimalna vrednost večji na strani z višjo kontaktno upornostjo. Zaradi vklopa klimatske naprave je vmes manjši padec temperature, a se temperatura kmalu ustali. 4
403 A: Slika 6.3 : Graf segrevanja pri 403 A. Kot v prejšnjih preizkusih segrevanja sta tudi pri 403 A segrevanje in maksimalna temperatura večji na delu merjenca z višjo kontaktno upornostjo. Vidno je tudi hitro segrevanje na merilnem mestu T8, ki se tudi segreje bolj kot ostali deli merjenca. Preglednica 6.3: Primerjava izmerjenih in izračunanih temperatur Tok (A) Temperatura ( C) Meritev Izračun 10 / 7,07 98 9,3 9,559 03 37,3 37,989 403 68, 70,68 V preglednici 6.3 je prikazana izračunana in izmerjena temperatura merjenca na merilnem mestu T. Vrednosti izmerjenih in izračunanih temperatur se ne razlikujejo dosti. Pri 98 A je približno 0,5 C razlike, kar se poveča na približno C razlike pri 403 A. 43
7. Sklep Osnovni namen diplomskega dela je bilo določanje segrevanja kontaktov nožastega ločilnika zaradi električnega toka. Odločil sem se, da bom to opravil s pomočjo izračuna in preizkusa segrevanja v laboratoriju ICEM. Merjenec je bil med meritvijo zaprt v leseni omarici, da smo zmanjšali zunanje vplive na rezultate meritev. Tudi v omarici je vsako gibanje zraka v prostoru vplivalo na meritev. Meritve kontaktne upornosti segretega kontakta so morale biti izvedene takoj po meritvi, preden se je merjenec preveč ohladil. Z meritvijo v laboratoriju sem dobil vse podatke za izračun koeficienta toplotne prestopnosti, ki nam pove koliko toplote se odvaja po zraku. S tem podatkom sem lahko opravil nadaljnje izračune. Za nadaljnje izračune sem potreboval podatke merjenca, kontaktno površino in njen obseg. Pri določanju kontaktne površine sem moral paziti, da upoštevam samo del površine kjer se kontakta dotikata. S tem sem lahko določil kontaktno upornost. Kontaktna upornost ima velik vpliv na segrevanje kontakta. Tako sem imel vse podatke za izračun maksimalne temperature merjenca. Po primerjavi rezultatov meritev v laboratoriju in rezultatov izračuna sem ugotovil, da se ne razlikujejo dosti. Pri 400 A je razlike med izračunom in izmerjeno vrednostjo na merilnem mestu T približno ºC. Ugotovil sem, da je uporabljena metoda izračuna temperature kontakta dovolj natančna. 44
8. Literatura [1] Pihler, J. Stikalne naprave elektroenergetskega sistema. Univerza v Mariboru Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor 003 [] Slade, P.G. Electrical Contacts: Principles and Applications. Eastern Hemisphere Distribution, New York 1999 [3] Vončina, D. Tehnologija materialov, Zapiski predavanj, Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, 013 [4] Čepin, M. Stikalni aparati in njihovo delovanje, Zapiski predavanj, Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, 01 [5] Goričanec, D., Črepinšek L. Prenos toplote, Zapiski predavanj, Univerza v Mariboru Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor 008. [6] Voršič, J., Pihler, J. Visokonapetostna tehnika, učbenik. Univerza v Mariboru Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 1977. [7] Bergman, T.L., Lavine, A.S., Incropera, F.P., Dewitt, D.P. Introduction to heat transfer: sixth edition. John Wiley & Sons, Združene države Amerike 007 [8] http://www.engineeringtoolbox.com/dry-air-properties-d_973.html [10.9.017] 45
Priloga A Izjava o avtorstvu in istovetnosti tiskane in elektronske oblike zaključnega dela 46
47