Нашите изследвания и разработки
Развиваме научна
Майкъл Притула,
Основател и изпълнителен директор Разработчик на изследвания
С професионална кариера, обхващаща повече от три десетилетия, заемал съм различни позиции както в публичния, така и в частния сектор. Моите силни страни в анализа и изследванията подчертават моите новаторски и технически умения. В момента работя като медиен консултант в областта на политическата стратегия и анализ, предоставяйки експертни оценки за военни и политически събития за международни медии. В областта на науката и изследванията притежавам два патента. Единият патент включва разработването на нов двигател на Стърлинг, а другият е свързан с разработването на контакти от течен метал за вакуумни превключватели.
Техническа физика на еластичните контакти
Михайло Притула
В началото имаше контакти. И създателят раздели контактите на подвижни и неподвижни, а електрическата дъга прелетя между тях, създавайки трептения от светлина и топлина. Именно свойствата на контактите и процесите, протичащи между тях при различни напрежения и токове, определят дизайна на съвременните комутационни апарати.
Заглавието „Техническата физика на еластичните контакти“ е хумористична пародия на класическата творба на Рагнар Холм „Техническата физика на електрическите контакти“. Той подчертава ключовата идея на нашето изследване: използване на еластични контакти за намаляване на електродинамичните сили, което е основното заключение на тази работа. Основната формула, която определя електромагнитните сили, показва предимствата на еластичните контакти за намаляване на тези сили, което ги прави по-ефективни в сравнение с традиционните твърди контакти.
Така че нека отворим нашата свещена книга „Die technische Physik der elektrischen Contacte“ (1) от Рагнар Холм. Най-важните характеристики са контактното съпротивление между затворените контакти и електродинамичните сили, които действат по време на затварянето и отварянето на контактите и тяхната работа в затворено състояние.
Контактното съпротивление определя колко топлина ще се генерира при контактния преход, когато протича номиналният ток. И тази топлина трябва да се разсее от контактите.
P=I2RЗагубената мощност при контактите се определя по формулата:
P=260020.000050=338 вата Когато номиналният ток достигне стотици и хиляди ампера, се генерира значително количество топлина. Нека разгледаме сериен OLTC с регулиращ ток от 2600 ампера и контактно съпротивление от 50 микроома:
Така при регулиране на трифазния ток на РНН постоянно ще се отделя поне 1 киловат мощност в затворено пространство. Друг пример: вакуумен прекъсвач от EATON за работа в режим на номинален ток от 4000 ампера изисква допълнително охлаждане (2,3). Нека да разгледаме микроскопичната структура на най-модерните композитни контактни материали, които комбинират много твърд волфрамов карбид и мед. Преди първото задействане контактите са полирани и прилягат добре един към друг (фиг.1)
Контактното съпротивление, особено във вакуум, е малко и всичко е наред. Но след първите превключвания, медта от горния слой се отнася от дъговия разряд и всички следващи превключвания стават чрез токови мостове, произволно разпръснати зърна от волфрамов карбид (фиг.2).
Всъщност контактите се затварят не с цялата видима площ на контактите (S), а само с определена част, изпъкнала с части от милиметъра, като реалната площ на контактите (So) е много по-малка от видимата . Колко по-малък? Никой не знае точно, но всеки се опитва да компресира контактите по-силно, за да увеличи действителната площ, като по този начин намали контактното съпротивление. Колко трудно? Хиляди нютони, колкото по-висок е токът, толкова по-високо е налягането.
За такъв натиск се използват различни методи, като най-често срещаният е компресията с мощни пружинни системи. Цялата идея на дизайна е да се компресират контактите по-силно механично и след това да се реши този проблем. „Въпреки че използването на компресионни пружини може ефективно да осигури силата, необходима за затваряне на контактите, тези пружини пагубно забавят отварянето на контактите, когато е необходимо. Това означава, че компресионните пружини трябва първо да бъдат разгънати, преди контактите да са способни да се движат, за да осигурят адекватна междина за прекъсване на веригата. Това забавяне на отварянето на контактите е особено неблагоприятно във вериги с постоянен ток (DC) със средно напрежение, изискващи възможност за свръхбързо превключване» (4).
Следователно компресирането на контактите с пружини пречи, но е необходимо не само за намаляване на контактното съпротивление, но и за балансиране на електродинамичните сили:
Основна формула за електродинамични сили
2. Формула за площ на контактната повърхност
3. Модифицирана формула за електродинамични сили
Тези формули и концепции са описани подробно в работата на Рагнар Холм „Die technische Physik der elektrischen Kontakte“ (1958), която е основен източник в областта на електрическите контакти.
Разглеждаме тази мистериозна точка G (Druckfestigkeit, якост на натиск) и правим просто заключение: колкото по-твърди са контактите, толкова по-големи са електродинамичните сили, толкова по-голям е необходимият натиск върху контактите и колкото по-големи са необходими пружини. По този начин традиционният подход за увеличаване на твърдостта на контактите и, следователно, силите на натиск е погрешен. Основава се на предположението, че увеличаването на натиска върху контактите ще намали контактното съпротивление. Въпреки това, формулата So=P/G показва, че високата якост на натиск (G) води до намаляване на действителната контактна площ, увеличаване на контактното съпротивление и електродинамичните сили. Това от своя страна изисква още по-големи усилия за компресиране на контактите, създавайки порочен кръг от проблеми.
О, Велики Рагнар Холм, те все още се опитват да увеличат твърдостта на контактите и след това да увеличат силата на компресия на тези контакти, а след това се оплакват, че това им пречи!
Друго заключение, което може да се направи от разглеждането на тази формула е, че за да се намалят електродинамичните сили, а оттам и силите на натиск, трябва да се намали твърдостта на контактния материал.
какво? Меки контакти? Но какво ще кажете за контактното съпротивление? Какво ще кажете за инерционния отскок? А компресия в тонове? Какво ще кажете за докторските и професорските титли, спечелени при компресиране на твърди контакти? Какво ще кажете за хилядите патенти?
Концепция за еластични контакти
Еластичните контакти по своята същност и механика са типични виброгасители от телена мрежа (фиг.3), изработени от огнеупорни метали, импрегнирани с нискотопими сплави, които осигуряват контакт през течната фаза.
В ранната литература се използва терминът композитни течно-метални контакти, но това не е определяща характеристика за този специфичен тип контакт, тъй като течната фаза съществува като тънък слой върху повърхността на огнеупорната тел, докато важните характеристики, а именно антивибрация и контакт върху цялата видима площ, се постигат благодарение на свойствата на плетения демпфер.
Ето защо тези еластични контакти нямат инерционен отскок, не могат да се заваряват, нямат, в обичайния смисъл на думата, контактно съпротивление и, както ще бъде показано по-късно, не изпитват електромагнитно разделяне. Но ако тези контактни материали имат толкова изключителни свойства, защо все още не се използват широко в електротехниката?
Основни проблеми на еластичните контактни материали:
Технология на производство: Досега технологията за производство и нанасяне на еластични контактни материали изискваше много скъпо оборудване, сложни термохимични процеси във водородна атмосфера и съответно специално обучен персонал. Проблемът е, че галият и неговите сплави имат лоша адхезия към волфрам и други огнеупорни метали.
Липса на консолидирана информация: Съществуващата информация за изследване на такива еластични контакти не е консолидирана в един източник и не е добре известна на специалистите.
Липса на системни изследвания: Систематични проучвания, които биха позволили на инженерите да прилагат такива материали, не са провеждани досега, въпреки изключителните свойства на еластичните контакти.
Производство на еластични контакти
Първият проблем, технологичният, беше решен от автора през април 2024 г., който разработи прост метод за производство и приложение на еластични контактни материали (патентна заявка PCTIB2024/054125). Предложеният метод за производство и прилагане на еластични контакти е по-прост и в повечето случаи по-икономичен от производството и прилагането на традиционните твърди контакти във вакуумно комутационно оборудване. Производството на еластични контакти се свежда до няколко прости операции:
Изработване на амортисьора: Амортисьорът се прави от плетена тел, обикновено волфрамова, същата тел, която наскоро беше използвана за нишките на лампата с нажежаема жичка, или неръждаема стомана, в специални случаи - молибден, ниобий, рений и техните сплави. Технологията се използва широко за производство на плетени амортисьори, както беше отбелязано, производителите на вакуумни камери получават готови амортисьори от производителите.
Запояване на амортисьорите: Тези амортисьори са запоени към проводниците по същия начин като твърдите контакти.
Импрегниране с нискотопима сплав: Амортисьорите са импрегнирани с нискотопима сплав, която остава течна при работни условия. Това обикновено са различни евтектични сплави от галий, индий и калай с добавяне на легиращи елементи, като сребро, за понижаване на точката на топене. И това е краят.
Проведено изследване и тестване на еластични контакти
В тази работа авторът събира цялата налична информация за изследването на еластичните контакти, включително тези, които все още не са публикувани, и експериментите, проведени от автора.
Тест за нагряване
1. Първа експериментална камера за охлаждане с вакуумна дъга:
Първата експериментална вакуумна дъгогасителна камера (4) с еластични контакти е направена през 2001 г. (6).
Еластични контакти с диаметър 22 mm и дебелина 5 mm бяха направени от демпфер от волфрамова тел с дебелина 50 микрона, импрегнирана с евтектична сплав индий-галий-калай във водородна атмосфера при около 1000 градуса по Целзий (7 ).
Получените контакти бяха механично (без запояване) фиксирани в проводниците на серийна вакуумна камера за номинален ток от 240 ампера и тествани в съответния сериен контактор.
Вакуумната камера беше тествана за нагряване с ток от 300-500 ампера, последователно със серийна вакуумна камера за сравнение. И двете камери бяха вкарани в сериен вакуумен контактор. Тестовете показаха, че топлинните загуби на еластичните контакти са 20 пъти по-ниски от тези на серийните молибденови контакти, а простата замяна на контактите в серийна вакуумна камера с еластични удвои номиналния ток на серийното комутационно оборудване, като същевременно запази геометричните размери.
Втора експериментална вакуумна камера: Втората експериментална камера с еластични контакти с диаметър 20 mm беше тествана на 21 август 2003 г. и показа нагряване от 34 градуса при ток от 900 ампера (8).
Изследване на електродинамичната стабилност на еластичните контакти
Изследването на електродинамичната стабилност на еластичните контакти беше проведено с помощта на настройката, показана на фигура 5.
Тук A и B са клемите, към които се подава постоянен електрически ток. Клема А е свързана към подвижна контактна система I, носеща подвижния контакт 2.
Срещу него е неподвижният контакт 3, фиксиран върху контактната чаша 4.
Изследване на електродинамичната стабилност по време на превключване
В изключено състояние подвижната контактна система, свързана към пръта 9, се задържа от резето 10. При включване се изпраща сигнал към електромагнитната бобина 11, прътът 9 се освобождава от ключалката и контактите 2 и 3 са затворен под тежестта на подвижната система и при необходимост допълнителна тежест 12. Изследваният еластичен контакт с повърхност 700 mm² е поставен между медните контакти 2 и 3. Тестовете бяха проведени при токове до 45 kA. По време на изследването токът и спадът на напрежението на контакти 2 и 3 бяха записани с помощта на осцилоскоп. На фигура 6 е показана характерна осцилограма, получена при превключване на постоянен ток I = 42,5 kA с еластични контакти.
Осцилограмата показва, че спадът на напрежението върху контактите остава постоянен (права линия 2) през времето, когато токът (крива I) се увеличи до максималната стойност I = 42,5 kA. Следователно не се наблюдава отскачане на контакта. Вибрации и заваряване на еластичните контакти също липсваха.
За сравнение, Фигура 7 показва характерна осцилограма на процеса на превключване с медни контакти. В този случай превключването беше придружено от почти мигновено отскачане на медните контакти при ток I = 3 kA, както се вижда от увеличаването на спада на напрежението между тези контакти (крива 2), последвано от тяхното заваряване.
При еластичните контакти не се получава отскачане на контакта по време на превключване, тъй като меката еластична основа предотвратява появата на еластични деформации в твърдите електроди, когато те се сблъскват един с друг през тази основа. Освен това при еластичните контакти действителната контактна повърхност е много близка до видимата контактна повърхност. Следователно, съгласно формулата, електродинамичните сили в еластичните контакти са изключително малки, следователно няма електродинамично отскачане на контактите.
Изследване на електродинамичната стабилност при токове на късо съединение
Натискът върху контактите беше приложен с помощта на тежест 12 (5) и беше 50 N. Фигури 8 и 9 показват характерни осцилограми на процеса на преминаване на ток на късо съединение през еластични контакти (фиг. 8) и медни контакти (фиг. 9) с компенсиране на електродинамичните сили на схемата за настройка. Тук крива I показва увеличението на тока на късо съединение, преминаващ през тестваните контакти, докато линия 2 съответства на спада на напрежението в тези контакти. Отскачането на еластичния контакт не се наблюдава в целия диапазон на изследваните токове (до 45 kA), докато отскачането на медните контакти се извършва при ток от 10 kA (фиг. 9, линия 2), последвано от тяхното заваряване.
Switching Tests of Elastic ContactsSwitching tests of elastic contacts (Fig.10) for durability were conducted in a pre-production vacuum contactor specially designed to work with elastic contacts. During the tests, 200,000 switching cycles at 250A in AC4 mode, current 600 amperes, and voltage 690 volts were successfully completed (10).Switching tests for overvoltages showed that overvoltages were 2-3 times lower than the norm (11).CONCLUSIONThese contacts, based on elastic damping elements made of refractory metals and impregnated with a fusible eutectic, can be used in vacuum switching apparatus, especially in systems requiring the switching of large currents (e.g., electrolyzers for hydrogen and metal production) or high-speed switching (e.g., medium voltage direct current). They are also suitable for instantly increasing the switching capacity of existing systems (e.g., safe boosting of OLTC for wind turbine transformers). By using elastic contacts, the limitations on the nominal current magnitude caused by the quadratic increase in compression force are removed. Additionally, new systems can be smaller and cheaper.
Further research and inclusion in standards based on these studies are necessary for implementation.
Mykhailo Prytula
References
1. Holm, Ragnar. "The Technical Physics of Electrical Contacts." (1958).
2. Eaton. (2018). "Vacuum Interruption (EVI) Technology Product Guide." Retrieved from official Eaton documentation, page 25.
3. Eaton. (2011). "Vacuum Interrupter (EVI) Technology Product Guide." Retrieved from official Eaton documentation, page 15.
4. Patent US11152174B2, owned by Eaton Intelligent Power Ltd.
5. International Patent Application PCTIB2024054125 - Prytula, M. (2024).
6. "Elektrotechnika" Journal #2, 2002 ISSN 0013-5860 - Elektrotechnika. (2002).
7. Smirnov, Y. I. (1985). "Method for Producing Liquid Metal Contacts with a Refractory Framework." Patent SU1325590A1.
8. Vacuum Tube Test Report PIJZ 640140.901. (2003).
9. Beljajew, Vladimir Lvovich. "Liquid Metal Composite Contacts and Their Use in High Current Electrical Devices." Dissertation for the Degree of Doctor of Technical Sciences, Scientific Supervisor - Honored Scientist of the RSFSR, Doctor of Technical Sciences, Professor O.B. Bron. Leningrad, 1983.
10. Test Report of Prototype Vacuum Contactors Type KM17R-33VM with Composite Liquid Metal Main Contacts for Switching Wear Resistance at 660V - PIJZ. (2007).
11. State Makeevka Research Institute for Occupational Safety in Mining (MakNII) - MakNII. (2006). Overvoltage Test Protocol No. 1021-A.
12. Ukrainian Utility Model No. 20612 — Y. Smirnov, M. (2010). "Modular Vacuum Contactor with Liquid Metal Contacts." Ukrainian Utility Model No. 20612.
С какво работим?
