AN INVESTIGATION OF AN ELECTRIC HIGH-CURRENT CONNECTOR REGARDING ITS THERMAL STATE OVER LONG PERIODS OF TIME

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИЛЬНОТОЧНОГО СОЕДИНИТЕЛЯ НА ПРЕДМЕТ ЕГО ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ В ТЕЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Научная статья

Рахманов И.^1, *, Кириллов И.В.²

² ORCID: 0000-0001-6184-5013;

¹ Московский энергетический институт, Москва, Россия;

² АО «Уфимское агрегатное производственное объединение», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (RakhmanovI[at]mpei.ru)

Аннотация

В рамках данной работы был разработан электрический соединитель, который выдерживает ток в 2 кА. Целью настоящей работы было создание универсального эффективного электрического соединителя для сильноточного оборудования подстанций промышленных предприятий. Примерами такого оборудования служат силовые контакторы и автоматические выключатели с номинальным током до 2000 А. Гипотеза настоящего исследования сведена к тому мнению, что применение ламельного разбиения контактной поверхности позволит получить стабильную и определённую температурную картину в местах подключения сильноточных аппаратов к сети и нагрузке. В рамках данной работы выдвинутая гипотеза была опробована экспериментальной методикой согласно ГОСТ и компьютерным моделированием в Comsol Multiphysics.

Ключевые слова: Электрический контакт, переходное сопротивление электрического контакта, нагрев электрического контакта, Comsol Multiphysics, ГОСТ – 10434-2003.

AN INVESTIGATION OF AN ELECTRIC HIGH-CURRENT CONNECTOR REGARDING ITS THERMAL STATE OVER LONG PERIODS OF TIME

Research article

Rakhmanov I.^1, *, Kirillov I.V.²

² ORCID: 0000-0001-6184-5013;

¹ Moscow Power Engineering Institute", Moscow, Russia;

² JSC "UAPO" (AO "UAPO"), Moscow, Russia

* Corresponding author (RakhmanovI[at]mpei.ru)

Abstract

The study introduces an electrical connector that can withstand a current of 2 kA. The purpose of this study is to create an efficient universal electrical connector for high-current equipment of substations of industrial enterprises. Examples of such equipment are power contactors and circuit breakers with a rated current of up to 2000 A. The hypothesis of this study is reduced to the opinion that the use of lamellar splitting of the contact surface will allow for obtaining a stable and definite temperature picture in the places where high-current devices are connected to the network and load. Within the framework of this study, the proposed hypothesis is tested by an experimental method according to GOST and computer modeling in Comsol Multiphysics.

Keywords: Electrical contact, transient resistance of electrical contact, heating of electrical contact, Comsol Multiphysics, GOST-10434-2003.

Введение

Проблема электрического контакта [1], [2] была есть и будет актуальна всегда. Особо она актуальна при соединении сильноточных аппаратов и нагрузок с сетью. Кроме того, соединения шин в сильноточных НКУ представляют собой аналогичную и боле сложную задачу. Особенно остро проблема контакта стоит при кабельных сильноточных соединениях в НКУ В этой связи существует великое множество технических решений, которые призваны обеспечить надлежащий электрический контакт, переходное сопротивление которого будет столь малым, что тепловыделение в области контакта будет наименьшим при заданном токе.

Так, например, существуют решения по снижению уровня нагрева шин, которые заключаются в нанесении прорезей и отверстий в различных их конфигурациях [3], [4]. Даже расположение шин относительно друг друга в пространстве имеет значение [5].

Наряду с такими достаточно простыми решениями существуют и более сложные способы решения задачи по уменьшению уровня нагрева электрических контактных соединений. Так, например, в МГТУ имени Н.Э Баумана [6] было проведено исследование на предмет влияния шин с зубчатыми контактными поверхностями. Гипотезой данного исследования являлось уменьшение контактного сопротивления за счёт увеличения площади контакта как посредством увеличения точек соприкосновения, так и посредством развитой поверхности мест соприкосновения двух проводников.

В рамках настоящей работы проведено исследование на основе эксперимента, методика которого продиктована ГОСТ 17441-84 [7]. Согласно данному стандарту, эмпирическая часть исследования проводилась внутри области, огороженной картонными стенками. Назначение таких стенок заключается в обеспечении условий естественной конвекции. Кроме того, каждое испытание проводилось в течение восьми часов. Однако, после прошествия четырёх часов, температура контакта была установившейся [8].

На сегодняшний момент времени существуют различные способы решения задачи сильноточного контакта [9]. Среди прочих существуют решения, использующие серебряное покрытие, чрезмерно сильное контактное нажатие, разбиение контактных частей [10]. Кроме того, существуют специальные смазки, которые сводят на нет микрошороховатости на контактных площадях соединяемых электрических проводников.

Конструкция соединителя

На рисунке 1 изображён исследуемый в данной работе электрический соединитель. Он состоит из массива ламелей, которые осуществляют электрическую связь между сильноточными аппаратами с нагрузкой и сетью. Одна из таких ламелей изображена на рисунке 2. Соединитель разбит на три секции, каждая из которых затянута собственным винтом с усилием 50 Нм, который ввинчен в соответствующую гайку прямоугольного сечения. Под каждой гайкой расположена плоская пружина, которая, как и электрический соединитель в целом, имеет ламельное разбиение. Это разбиение выполнено таким образом, что под каждым зубец ом пружины размещена контактная ламель. Таким образом, каждая ламель находится под механическим давлением и, электрический контакт имеет равномерное распределение по поверхностям соединяемых электрических проводников. Также, соединитель снабжён четырьмя рёбрами жёсткости для обеспечения надлежащей прочности. Помимо этого, каждая ламель покрыта слоем серебра, который нанесён на неё методом гальванического покрытия.

Рис. 1 – Размеры контактной пластины в миллиметрах

Рис. 2 – Исследуемый электрический соединитель

 

Помимо электрических аппаратов, данный соединитель способен соединять и электрические шины, как это показано на рисунке 3. Настоящий электрический соединитель универсален и позволяет соединять шины как ортогональные по отношению друг к другу, так и шины, которые расположены на одной оси симметрии. Также, стоит отметить, что одним из достоинств исследуемого электрического соединителя является простота монтажа электрических аппаратов. При классическом подходе к монтажу электрических аппаратов (при замене одного на другой) необходимо выполнять монтажные отверстия тяжеловесным дыроколом для шин. Рассматриваемый электрический соединитель позволяет выполнять монтаж электрических аппаратов без специальной подготовки места установки.

Рис. 3 – Соединение двух перпендикулярных шин

 

Экспериментальное исследование

В рамках данной работы были проведены опыты на нагрев электрического соединителя при токе 1700 А и сечении кабеля 300 квадратных миллиметров.

Испытательный стенд в действии изображён на рисунках 4 и 5. Под чёрными зажимами, которые расположены на шинах находятся термопары, которые снимали показания температуры во время эксперимента и передавали их на мультиметр. Нагрев стенда фиксировался до входа в зону контакта и после неё. Сам стенд состоял из трёх шин сечением 80 миллиметров на 10 миллиметров, двух или четырёх кабелей сечением по 300 квадратных миллиметров

Рис. 4 – Испытательный стенд в работе

Рис. 5 – Испытательный стенд в работе, вид сверху

 

В ходе испытаний были получены зависимости температуры до входа в контактную зону и после неё, которые изображены на рисунке 6. Испытания проводились согласно методике, описанной в ГОСТ. Однако, на рисунке 6 представлены данные проведения опыта за первые четыре часа, потому как по прошествии этих часов температура нагрева обрела установившееся своё значение. На рисунке 5 также видно, что нагрев стенда остановился на 231 минуте проведения опыта при температуре 65

Рис. 6 – Экспериментальная зависимость температуры от времени

 

Согласно рисунку 5, температура испытательного стенда не превышает 65 (достигает 58,6 и 63,9 до и после соединения, соответственно) градусов по Цельсию, что соответствует государственному стандарту.

В результате проведённых опытов было определено косвенным образом сопротивление электрического соединителя согласно формуле 1. Расчёт формулы показал, что переходное сопротивление при соединении испытуемым электрическим соединителем двух шин составляет 10.2 мкОм. Такой результат обусловлен не тоько развитой площадью контакта засчёт ламелий, но и засчёт серебряного покрытия этих ламелей, а также усилия в 50 Нм.

    (1) Где:

Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование проводилось в рамках данного исследования для получения сравнительной картины с опытными данными и для более детальной картины нагрева электрического соединителя.

Моделирование проводилось в программном пакете Comsol Multiphysics. В качестве объекта моделирования в данной работе выступает четверть электрического соединителя с соблюдением симметрии расчёта с целью упростить поставленную ЭВМ задачу. Картина температурного распределения представлена на рисунке 7.

Рис. 7 – Температурное распределение по электрическому соединителю

Рис. 8 – Температурная кривая, полученная путём компьютерного моделирования

 

Нетрудно видеть, что температура, согласно рисунку 7 и рисунку 8, не превышает 60 градусов по шкале Цельсия. При этом, сопротивление данной части соединителя составило 27,855 мкОм. Беря во внимание все четыре части соединителя, его электрическое сопротивление составило 13.93 мкОм.

Выводы

Проведённый эксперимент показал удовлетворительные качества исследуемого электрического соединителя. Температура его нагрева является безопасной как для изоляции подводимых и отводимых кабелей, их изоляции, а также для обслуживающего персонала. Также, компьютерное моделирование, с малой долей расхождения, показало справедливость полученных экспериментальных данных.

Таким образом, исследованный электрический соединитель способен работать на токе в 1600 А в качестве устройства соединения сильноточных электрических аппаратов с сетью и нагрузкой, а также в качестве устройства соединения электрических сильноточных шин.

В качестве же достоинств исследованного изделия можно отметить его универсальность, низкое переходное сопротивление и удобство монтажа оборудования с его помощью. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. ГОСТ – 10434-2003 Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования. – Введ. 03.02.82: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ» ,-М. : 2007- 15 с.
2. ГОСТ 8865-93 Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация. – Введ. 01.01.95: ИПК Издательство стандартов» ,-М. : 2003- 5 с.
3. Tzeneva R. Bolted busbar connections with longitudinal slots / R. Tzeneva, Ya. Slavtchev, N. Mastorakis et al. 2010. [Electronic resource]. – URL: https://clck.ru/WgYyH (accessed 12.06.2021)
4. Tzeneva R. New connection design of high power bolted busbar connections / R. Tzeneva, Ya. Slavtchev, V. Mladenov. 2007. [Electronic resource]. – URL: https://clck.ru/WgZ5e (accessed 12.06.2021)
5. Lotiya J. Thermal analysis and optimization of temperature rise in busbar joints configuration by FEM / J. Lotiya // 6th IEEE Power India International Conference (PIICON), 2014, pp. 1-5, DOI: 10.1109/POWERI.2014.7117684.
6. Solovyeva L. Novel Electrical Joints Using Deformation Machining Technology Part I: Computer Modeling / L. Solovyeva, N. Zubkov, B. Lisowsky et al. // in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 2, no. 10, pp. 1711-1717, Oct. 2012, DOI: 10.1109/TCPMT.2012.2207723.
7. Афанасьев В.В. Справочник по расчёту и конструированию контактных частей сильноточных электрических аппаратов / В.В. Афанасьев. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1988. - 385 c.
8. ГОСТ 17441-84 Соединения контактные электрические. Правила приёмки и методы испытаний. – Введ. 29.11.84 : АО «Кодекс»,-М. : 1990- 20 с.
9. Курбатов П.А. Электрические аппараты учебник и практикум для академического бакалавриата / П.А. Курбатов. – Москва: ООО «Издательство ЮРАЙТ», 2018 - 247 с.
10. Францевич И.Н. Сильноточные электрические контакты, издательство / И.Н. Францевич – Киев: «Наукова Думка», 1970 - 159 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. GOST – 10434-2003 Soedinenija kontaktnye ehlektricheskie. Klassifikacija. Obshhie tekhnicheskie trebovanija [Electrical contact connections. Classification. General technical requirements]. - Introduced 03.02.82: Federal State Unitary Enterprise "STANDARTINFORM", Moscow: 2007-15 p. [in Russian]
2. GOST 8865-93 Sistemy ehlektricheskojj izoljacii. Ocenka nagrevostojjkosti i klassifikacija [Electrical insulation systems. Assessment of heat resistance and classification]. - Introduced 01.01.95: IPK Publishing house of standarts, - M.: 2003-5 p. [in Russian]
3. Tzeneva R. Bolted busbar connections with longitudinal slots / R. Tzeneva, Ya. Slavtchev, N. Mastorakis et al. 2010. [Electronic resource]. – URL: https://clck.ru/WgYyH (accessed 12.06.2021)
4. Tzeneva R. New connection design of high power bolted busbar connections / R. Tzeneva, Ya. Slavtchev, V. Mladenov. 2007. [Electronic resource]. – URL: https://clck.ru/WgZ5e (accessed 12.06.2021)
5. Lotiya J. Thermal analysis and optimization of temperature rise in busbar joints configuration by FEM / J. Lotiya // 6th IEEE Power India International Conference (PIICON), 2014, pp. 1-5, DOI: 10.1109/POWERI.2014.7117684.
6. Solovyeva L. Novel Electrical Joints Using Deformation Machining Technology Part I: Computer Modeling / L. Solovyeva, N. Zubkov, B. Lisowsky et al. // in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 2, no. 10, pp. 1711-1717, Oct. 2012, DOI: 10.1109/TCPMT.2012.2207723.
7. Afanasyev V. V. Spravochnik po raschjotu i konstruirovaniju kontaktnykh chastejj sil'notochnykh ehlektricheskikh apparatov [Handbook on the calculation and design of contact parts of high-current electrical devices] / V. V. Afanasyev. - Leningrad: Energoatomizdat, 1988. - 385 p. [in Russian]
8. GOST 17441-84 Soedinenija kontaktnye ehlektricheskie. Pravila prijomki i metody ispytanijj [Electrical contact connections. Acceptance rules and test methods] [Electronic resource]. - Introduced. 29.11.84: JSC "Kodeks", - Moscow: 1990-20 p. [in Russian]
9. Kurbatov P. A. Ehlektricheskie apparaty uchebnik i praktikum dlja akademicheskogo bakalavriata [Electrical devices textbook and practical course for academic bachelor's degree] / P. A. Kurbatov. - Moscow: OOO « Publishing house JuRAJjT», 2018-247 p. [in Russian]
10. Frantsevich I. N. Sil'notochnye ehlektricheskie kontakty [High-current electrical contacts] / I. N. Frantsevich-Kyiv: "Naukova Dumka", 1970-159 p. [in Russian]