3. Определены критерии позволяющие произвести оценку качества электрического соединения в любой момент времени (при условии, что ΔK_ не равен нулю)

Личный вклад автора состоит в проведении анализа функционирования токопроводящих зажимов контактной сети с последующим формированием задач теоретических и экспериментальных исследований; разработке математической модели охлаждения, систематизации и анализе результатов исследования; определении критериев состояния электрического соединения с учетом полученных результатов; разработке методики определения и прогнозирования состояния электрического соединения в цикле «нагрев – охлаждение».

Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Измерения проводились поверенной аппаратурой и приборами контроля с учетом погрешностей всех видов измерений. Расхождение между данными, полученными практическими исследованиями и результатами расчетов не превышала 5 %.

Практическая ценность.

1. Предложенная математическая модель охлаждения болтовых зажимов дополняет существующую модель нагрева электрического соединения и позволяет проводить исследования в условиях максимально приближенных к эксплуатационным.

2. Разработанная методика определения состояния электрического соединения в цикле «нагрев – охлаждение».

Внедрение

Научные результаты диссертации используются для проведения научно-исследовательской работы и учебного процесса в Электроэнергетическом институте ДВГУПС.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались, обсуждались и были одобрены:

- Всероссийской межвузовской 74-й студенческой научной конференции «Научно-техническому и социально-экономическому развитию Дальнего Востока России – инновации молодых», Хабаровск, 11 марта 2016 г;

- Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и социально-экономическое развитие транспорта и промышленности стран АТР», Хабаровск, ДВГУПС, 2017 года;

- заседаниях и научно-технических семинарах кафедры электроснабжения транспорта, Хабаровск, ДВГУПС, 2016 – 2017 годы.

Публикации. Научные результаты диссертации отражены в 4 печатных работах, в том числе 1 статья опубликована в издании входящему в перечень рецензируемых научных изданий ВАК.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель охлаждения токопроводящих зажимов и критерии оценки качества электрического соединения;

2. Методика определения состояния электрического соединения в цикле «нагрев – охлаждение».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа содержит 101 страницу основного текста, 34 рисунка, 14 таблиц.

1 ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ

С каждым годом повыш аются требования к надё жности электрических соединений системы тягового электроснабжения из за их широкого использования. Около 25 % от общего числа аварий на электротехническом оборудовании железнодорожных станций и подстанций, приходятся на электрические соединения. Предотвратить отказы можно с помощью прогнозирования режимов работы контактных соединений, а так же прогнозируя возможные аварийные случаи.

Применение новейшей вычислительной техники может помочь оценить характеристики и состояние электрических соединений в эксплуатации, а также систем, узлов, определяемых при проектировании и в дальнейшем эксплуатации. Эти задачи актуальны и для многоамперных электрических контактных соединений, эксплуатируемых на электрических станциях и подстанциях. Характеристики элементов должны соответствовать стандартам. Произведя расчеты, можно создать модель гамма - процентного ресурса – наработку, в пределах которой электрическое соединение не достигнет предела прочности с заданной вероятностью.

Определение и прогнозирование свойств (надёжности и качества) электрических соединений является трудно решаемой проблемой из – за их особенностей:

1. Такие системы должны описываться разными математическими моделями, из- за физических процессов в них;

2. Деградационные процессы в контакте, для которых нельзя составить точной модели;

3. Разные виды энергии в электрических соединениях приводят к появлению процессов, имеющих различную скорость и природу. Поэтому влияние на надёжность определяют – построением длинных динамических рядов.

Базовая модель, производящая оценку надёжности соединений, будет использоваться для определения состояния электрических соединений при эксплуатации. Она должна учитывать возможную природу износа соединения. Самым лучшим будет – вероятностный подход, суть которого учесть влияние внешних и внутренних факторов.

Рисунок 1.1 - Отказ электрических соединений от общего числа повреждений контактной сети по годам

1.1 Электрические контакты. Электрические эффекты и свойства

Электрический контакт - соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними (рисунок 1.2). Как известно, любая поверхность имеет определенную шероховатость, поэтому даже после обработки контактных поверхностей, электрический ток проходит лишь в отдельных точках, а именно выступах шероховатостей, в которых эти поверхности соприкасаются.

Рисунок 1.2 - Типы электрических контактов: а- точечный, б-линейный, в - поверхностный

У точечного контакта касание поверхностей происходит в одной точке. У линейных происходит по точкам, расположенных на одной линии (минимальное количество две), у поверхностного контакта три.

Рисунок 1.3 - Модель протекания

тока в электрическом контакте

В идеальных замкнутых контактах проводником электрического тока является вся геометрическая поверхность. В реальных замкнутых контактах существуют лишь отдельные области проводимости. В результате электрическая проводимость идеальной поверхности больше реальной.

1.1.1 Контактное сопротивление

Электрический ток проходит через отдельные области проводимости. Линии электрического тока не могут равномерно распределяться по всей поверхности контактов, в результате они стягиваются к местам расположения областей проводимости и искривляются. Такое стягивание и уплотнение токовых линий ведет к увеличению электрического сопротивления прохождению тока в области проводимости. Это добавочное сопротивление называют сопротивлением стягивания. Если поверхность, по которой протекает ток, состоит из нескольких областей проводимости, то результирующее сопротивление стягивания будет определяться как величина, обратная сумме отдельных областей проводимостей. Зачастую определение сопротивления стягивания является сложной задачей, в которой необходимо учесть формы отдельных областей проводимости, найти их размеры, расстояния между ними, одновременно учесть неравномерность их расположения на поверхности контакта. К тому же с изменением температуры поверхности контактов и со временем, изменяется сопротивление каждой области.

Еще больше усиливается эффект стягивания линий тока, создается дополнительное сопротивление, когда на поверхности появляются пленки (окислы). Следовательно, R_К контактное сопротивление, появляющееся за счет сужения участков, проводящих ток, и появления на них пленок, это добавочное сопротивление поверхности контактов.

Существуют воздействия, которые приводят к значительному изменению контактного сопротивления: под воздействием окружающей среды коррозии подвергаются металлические контакты, это приводит к увеличению сопротивления. При воздействии повышенной температуры материал контактов плавится (размягчается), области проводимости увеличиваются, сопротивление снижается.

Подробнее рассмотрим механическое и электрическое воздействие на контактное сопротивление.

1.1.2 Зависимость контактного сопротивления от механического сжатия

Электрическая проводимость прямо пропорциональна величине механического усилия сжатия, приложенного к контактам. При малых, средних, больших контактных усилиях характер изменения проводимости различен, но во всех случаях сдавливание контактов приводит сначала к упругой, а далее - к пластической деформации.

Для металлических контактов выполненных из разных материалов возрастание электрической проводимости при увеличении контактного усилия происходит по-разному (возможно резкое увеличение, замедление или прекращение увеличения). В общем зависимость проводимости от сжатия имеет характер: разомкнутое состояние контактов, затем небольшое нажатие на них, вызывающее упругие деформации и появление электрической проводимости за счет туннельного эффекта, далее, значительные нажатия, приводят к пластическим деформациям, которые сопровождаются разрушением оксидных пленок и образованием большого числа областей проводимости. При увеличении сдавливающих усилий возрастает число областей проводимости.

Рисунок 1.4 - Схема контактирования:

1 — жесткая плата с контактом, 2, 3 — гибкая плата с контактом,

4,5 — эластомерная прокладка; 6 — жесткая пластина

Рисунок 1.5 - Типичные зависимости переходного

контактного сопротивления от давления для различных покрытий

Деформация поверхностей контактов, скорость и количество образования областей проводимости зависят от геометрической формы контактов, материалов, выбранных для их изготовления, полировки поверхностей. Полировка поверхности (при прочих равных условиях) приводит к возникновению упругих деформаций.

Контакты из некоторых металлов (например: золота) способны прилипать друг к другу, при этом, если ослабить контактное усилие, то проводимость может и не уменьшиться. Это происходит при совпадении структур кристаллических решеток обоих контактов, а также тепловых эффектах. Прилипание контактов возможно как нагреваемых электрическим током, так и не нагреваемых.

Рассмотрим случай прилипания не нагреваемых током контактов. Обычно процесс сопровождается усиленной диффузией атомов, поэтому возрастают ковалентные и металлические связи между атомами и между кристаллическими решетками материалов контактов. В одном случае при прилипании преобладают силы, вызванные температурой, в другом силы межатомного сцепления. Пластичные металлы прилипают друг к другу и без воздействия на них повышенной температуры. Легче всего прилипают контакты, из очень пластичного металла, например золота. Поэтому с течением времени электрические контакты, находящиеся в эксплуатации под механическим воздействием, изменяют свои параметры. Это приводит к появлению дефектов в контакте, далее нарушает целостность электрической цепи.

1.1.3 Зависимость контактного сопротивления от протекающего тока

Процесс прилипания контактов ускоряется при прохождении через них тока. При пропускании определенной величины тока может произойти размягчение, и даже плавление частиц материала контактов.При этом пленки разрушаются, что приводит к увеличению поверхности контактов, и в результате, к повышению прочности соединения и сваривания контактов. Прилипание контактов состоящих из разных металлов происходит с момента размягчения твердого.

При воздействии температуры размягчения площадь касания увеличивается, переходное сопротивление при неизменном нажатии уменьшается. Такое состояние возникает при U_P напряжении рекристаллизации или размягчения материала. При дальнейшем увеличении температуры, площадь касания может расплавиться, из-за напряжения плавления.