Nasze badania i rozwój
Rozwijamy naukę
Michał Pritula,
Założyciel i dyrektor generalny, twórca badań
W ciągu ponad trzech dekad mojej kariery zawodowej zajmowałem różne stanowiska w sektorze publicznym i prywatnym. Moje mocne strony w analizie i badaniach podkreślają moje innowacyjne i techniczne umiejętności. Obecnie pracuję jako konsultant medialny w dziedzinie strategii politycznej i analizy, dostarczając ekspertyzy dotyczące wydarzeń wojskowych i politycznych dla międzynarodowych mediów. W dziedzinie nauki i badań posiadam dwa patenty. Jeden patent dotyczy opracowania nowego silnika Stirlinga, a drugi dotyczy opracowania styków z ciekłego metalu do przełączników próżniowych.
Fizyka techniczna kontaktów sprężystych
Mychajło Prytula
Na początku były styki. A twórca podzielił styki na ruchome i nieruchome, a łuk elektryczny przelatywał między nimi, tworząc migotanie światła i ciepła. To właściwości styków i procesy, które zachodzą między nimi przy różnych napięciach i prądach, determinują konstrukcję współczesnych aparatów łączeniowych.
Tytuł „The Technical Physics of Elastic Contacts” jest humorystyczną parodią klasycznego dzieła Ragnara Holma „The Technical Physics of Electrical Contacts”. Podkreśla on kluczową ideę naszych badań: wykorzystanie elastycznych kontaktów do redukcji sił elektrodynamicznych, co jest głównym wnioskiem tej pracy. Główny wzór, który określa siły elektromagnetyczne, wskazuje na zalety elastycznych kontaktów w redukcji tych sił, czyniąc je bardziej efektywnymi w porównaniu do tradycyjnych sztywnych kontaktów.
Otwórzmy zatem naszą świętą księgę „Die technische Physik der elektrischen Kontakte” (1) autorstwa Ragnara Holma. Najważniejszymi cechami są rezystancja styku między zamkniętymi stykami oraz siły elektrodynamiczne działające podczas zamykania i otwierania styków oraz ich działanie w stanie zamkniętym.
Rezystancja styku określa, ile ciepła zostanie wytworzone przy przejściu styku, gdy popłynie prąd znamionowy. A to ciepło musi zostać rozproszone ze styków.
P=I2R Moc tracona na stykach jest wyznaczana ze wzoru:
P=260020,000050=338 WGdy prąd znamionowy osiąga setki i tysiące amperów, wytwarzana jest znaczna ilość ciepła. Rozważmy szeregowy OLTC z prądem regulacyjnym 2600 amperów i rezystancją styku 50 mikroomów:
Tak więc podczas regulacji prądu trójfazowego w OLTC, co najmniej 1 kilowat mocy będzie stale uwalniany w zamkniętej przestrzeni. Inny przykład: wyłącznik próżniowy firmy EATON do pracy w trybie prądu znamionowego 4000 A wymaga dodatkowego chłodzenia (2,3). Przyjrzyjmy się mikroskopowej strukturze najbardziej zaawansowanych materiałów kompozytowych styków, które łączą bardzo twardy węglik wolframu i miedź. Przed pierwszą aktywacją styki są polerowane i dobrze do siebie pasują (rys.1).
Rezystancja styku, zwłaszcza w próżni, jest niewielka i wszystko jest w porządku. Ale po pierwszych przełączeniach miedź z górnej warstwy jest unoszona przez wyładowanie łukowe, a wszystkie kolejne przełączenia następują poprzez mostki prądowe, losowo rozrzucone ziarna węglika wolframu (rys.2).
W rzeczywistości styki nie zamykają się na całej widocznej powierzchni styków (S), ale tylko na pewnej części, wystającej o ułamki milimetra, a rzeczywista powierzchnia styków (So) jest znacznie mniejsza od widocznej. O ile mniejsza? Nikt dokładnie nie wie, ale wszyscy próbują mocniej ściskać styki, aby zwiększyć rzeczywistą powierzchnię, zmniejszając w ten sposób opór styku. Jak mocno? Tysiące niutonów, im wyższy prąd, tym wyższe ciśnienie.
Do takiego nacisku stosuje się różne metody, z których najpowszechniejszą jest ściskanie za pomocą mocnych systemów sprężynowych. Cała myśl projektowa polega na mocniejszym ściskaniu styków mechanicznie, a następnie rozwiązaniu tego problemu. «Jednakże, podczas gdy użycie sprężyn ściskających może skutecznie zapewnić siłę niezbędną do zamknięcia styków, sprężyny te szkodliwie opóźniają otwieranie styków, gdy jest to potrzebne. Oznacza to, że sprężyny ściskające muszą najpierw zostać rozprężone, zanim styki będą mogły się poruszać, aby zapewnić odpowiednią szczelinę do przerwania obwodu. To opóźnienie w otwieraniu styków jest szczególnie niekorzystne w obwodach prądu stałego (DC) średniego napięcia wymagających ultraszybkiej zdolności przełączania» (4).
Dlatego ściskanie styków sprężynami zakłóca, ale jest konieczne nie tylko w celu zmniejszenia rezystancji styku, ale także w celu zrównoważenia sił elektrodynamicznych:
Podstawowy wzór na siły elektrodynamiczne
2. Wzór na powierzchnię styku
3. Zmodyfikowany wzór na siły elektrodynamiczne
Te wzory i koncepcje są szczegółowo opisane w pracy Ragnara Holma „Die technische Physik der elektrischen Kontakte” (1958), która jest podstawowym źródłem w dziedzinie styków elektrycznych.
Przyglądamy się temu tajemniczemu punktowi G (Druckfestigkeit, wytrzymałość na ściskanie) i wyciągamy prosty wniosek: im twardsze styki, tym większe siły elektrodynamiczne, tym większy nacisk potrzebny na styki i tym większe sprężyny potrzebne. Tak więc tradycyjna podejście polegające na zwiększeniu twardości styków i w konsekwencji sił ściskających jest błędne. Opiera się na założeniu, że zwiększenie nacisku na styki zmniejszy rezystancję styku. Jednakże wzór So=P/G pokazuje, że wysoka siła ściskająca siła (G) prowadzi do zmniejszenia rzeczywistej powierzchni styku, zwiększając opór styku i siły elektrodynamiczne. To z kolei wymaga jeszcze większych wysiłków, aby ścisnąć styki, tworząc błędne koło problemów.
O Wielki Ragnarze Holmie, oni ciągle próbują zwiększyć twardość styków, a potem zwiększyć siłę ściskania tych styków, a potem narzekają, że to im przeszkadza!
Innym wnioskiem, jaki można wyciągnąć z analizy tego wzoru, jest to, że w celu zmniejszenia sił elektrodynamicznych, a tym samym sił ściskających, należy zmniejszyć twardość materiału stykowego.
Co? Miękkie styki? Ale co z oporem styku? Co z bezwładnościowym odbiciem? I kompresją w tonach? Co z tytułami doktorskimi i profesorskimi zdobytymi na kompresowaniu twardych styków? Co z tysiącami patentów?
Koncepcja kontaktów elastycznych
Styki sprężyste ze swej istoty i mechaniki stanowią typowe tłumiki drgań z siatki drucianej (rys.3) wykonane z metali ogniotrwałych, impregnowane stopami niskotopliwymi, które zapewniają kontakt poprzez fazę ciekłą.
We wczesnej literaturze stosowano termin kompozytowe styki ciekły-metal, ale nie jest to cecha definiująca ten konkretny rodzaj styku, ponieważ faza ciekła występuje jako cienka warstwa na powierzchni ogniotrwałego drutu, podczas gdy ważne właściwości, a mianowicie antywibracyjne i styk na całej widocznej powierzchni, są osiągane dzięki właściwościom tłumika dzianinowego.
Dlatego te elastyczne styki nie mają bezwładnościowego odbicia, nie mogą się spawać, nie mają, w zwykłym tego słowa znaczeniu, rezystancji styku i, jak zostanie wykazane później, nie doświadczają separacji elektromagnetycznej. Ale jeśli te materiały stykowe mają tak wyjątkowe właściwości, dlaczego nie są jeszcze szeroko stosowane w inżynierii elektrycznej?
Główne problemy materiałów o styku sprężystym:
Technologia produkcji: Do tej pory technologia produkcji i stosowania elastycznych materiałów kontaktowych wymagała bardzo drogiego sprzętu, skomplikowanych procesów termochemicznych w atmosferze wodoru i odpowiednio specjalnie przeszkolonego personelu. Problem polega na tym, że gal i jego stopy mają słabą przyczepność do wolframu i innych metali ogniotrwałych.
Brak skonsolidowanych informacji: Istniejące informacje na temat badań nad tego typu sprężystymi kontaktami nie zostały skonsolidowane w jednym źródle i nie są dobrze znane specjalistom.
Brak systematycznych badań: Do tej pory nie przeprowadzono systematycznych badań, które pozwoliłyby inżynierom na zastosowanie takich materiałów, mimo wyjątkowych właściwości styków sprężystych.
Produkcja elastycznych kontaktów
Pierwszy problem, technologiczny, został rozwiązany przez autora w kwietniu 2024 r., który opracował prostą metodę wytwarzania i stosowania elastycznych materiałów stykowych (zgłoszenie patentowe PCTIB2024/054125). Proponowana metoda wytwarzania i stosowania elastycznych styków jest prostsza i w większości przypadków bardziej ekonomiczna niż wytwarzanie i stosowanie tradycyjnych sztywnych styków w próżniowych urządzeniach przełączających. Produkcja elastycznych styków sprowadza się do kilku prostych operacji:
Produkcja tłumika: Tłumik jest wykonany z drutu dzianego, zwykle wolframu, tego samego drutu, który ostatnio był używany do żarników żarowych, lub ze stali nierdzewnej, w szczególnych przypadkach - molibdenu, niobu, renu i ich stopów. Technologia ta jest szeroko stosowana do produkcji tłumików dzianych, jak zauważono, producenci komór próżniowych otrzymują gotowe tłumiki od producentów.
Lutowanie tłumików: Tłumiki te są lutowane do przewodników w taki sam sposób jak styki sztywne.
Impregnacja stopem niskotopliwym: Tłumiki są impregnowane stopem niskotopliwym, który pozostaje ciekły w warunkach roboczych. Zazwyczaj są to różne stopy eutektyczne galu, indu i cyny z dodatkiem pierwiastków stopowych, takich jak srebro, w celu obniżenia temperatury topnienia. I to koniec.
Przeprowadzono badania i testy styków elastycznych
W niniejszej pracy autor zebrał wszystkie dostępne informacje na temat badań kontaktów sprężystych, także te dotychczas niepublikowane oraz przeprowadzone przez siebie eksperymenty.
Test ogrzewania
1. Pierwsza eksperymentalna komora próżniowego gaszenia łuku:
Pierwszą eksperymentalną komorę próżniową do gaszenia łuku elektrycznego (4) z elastycznymi stykami wykonano w 2001 roku (6).
Styki elastyczne o średnicy 22 mm i grubości 5 mm wykonano z tłumika z drutu wolframowego o grubości 50 mikronów, impregnowanego stopem eutektycznym indu, galu i cyny w atmosferze wodoru w temperaturze około 1000 stopni Celsjusza (7).
Powstałe styki zostały mechanicznie (bez lutowania) zamocowane w przewodnikach szeregowej komory próżniowej przy prądzie znamionowym 240 amperów i przetestowane w odpowiednim szeregowym styczniku.
Komorę próżniową testowano pod kątem nagrzewania prądem o natężeniu 300–500 amperów, szeregowo z szeregową komorą próżniową w celach porównawczych. Obie komory włożono do szeregowego stycznika próżniowego. Testy wykazały, że straty ciepła na stykach elastycznych są 20 razy niższe niż na szeregowych stykach molibdenowych, a prosta wymiana styków w szeregowej komorze próżniowej na styki elastyczne podwoiła znamionowy prąd szeregowego urządzenia przełączającego przy zachowaniu wymiarów geometrycznych.
Druga eksperymentalna komora próżniowa: Druga komora eksperymentalna z elastycznymi stykami o średnicy 20 mm została przetestowana 21 sierpnia 2003 r. i wykazała nagrzanie o 34 stopnie przy prądzie 900 amperów (8).
Badania nad stabilnością elektrodynamiczną styków sprężystych
Badania stabilności elektrodynamicznej styków sprężystych przeprowadzono wykorzystując układ pokazany na rysunku 5.
Tutaj A i B są zaciskami, do których dostarczany jest prąd stały. Zacisk A jest podłączony do ruchomego układu styków I, przenoszącego ruchomy styk 2.
Naprzeciwko niego znajduje się styk nieruchomy 3, zamocowany na kubku stykowym 4.
Badanie stabilności elektrodynamicznej podczas przełączania
W stanie wyłączonym ruchomy układ styków, połączony z prętem 9, był utrzymywany przez zatrzask 10. Po włączeniu sygnał został wysłany do cewki elektromagnesu 11, pręt 9 został zwolniony z zatrzasku, a styki 2 i 3 zostały zamknięte pod ciężarem ruchomego układu i, w razie potrzeby, dodatkowego ciężaru 12. Badany elastyczny styk o powierzchni 700 mm² został umieszczony między miedzianymi stykami 2 i 3. Badania przeprowadzono przy prądach do 45 kA. Podczas badań rejestrowano spadek prądu i napięcia na stykach 2 i 3 za pomocą oscyloskopu. Na rysunku 6 pokazano charakterystyczny oscylogram uzyskany przy przełączaniu stałego prądu o wartości I = 42,5 kA za pomocą elastycznych styków.
Oscylogram pokazuje, że spadek napięcia na stykach pozostaje stały (linia prosta 2) w czasie, gdy prąd (krzywa I) wzrasta do wartości maksymalnej I = 42,5 kA. Dlatego nie zaobserwowano odbicia styków. Nie wystąpiły również drgania i spawanie styków elastycznych.
Dla porównania, na rysunku 7 przedstawiono charakterystyczny oscylogram procesu przełączania ze stykami miedzianymi. W tym przypadku przełączaniu towarzyszyło niemal natychmiastowe odbicie styków miedzianych przy prądzie I = 3 kA, o czym świadczy wzrost spadku napięcia między tymi stykami (krzywa 2), a następnie ich zespawanie.
W przypadku styków elastycznych nie występuje odbicie styku podczas przełączania, ponieważ miękka, elastyczna podstawa zapobiega występowaniu odkształceń sprężystych w elektrodach stałych, gdy zderzają się one ze sobą przez tę podstawę. Ponadto w przypadku styków elastycznych rzeczywista powierzchnia styku jest bardzo bliska pozornej powierzchni styku. Dlatego też, zgodnie ze wzorem, siły elektrodynamiczne w stykach elastycznych są niezwykle małe, stąd nie występuje odbicie elektrodynamiczne styków.
Badanie stabilności elektrodynamicznej przy prądach zwarciowych
Nacisk na styki został przyłożony ciężarkiem 12 (5) i wynosił 50 N. Rysunki 8 i 9 przedstawiają charakterystyczne oscylogramy procesu przepływu prądu zwarciowego przez styki sprężyste (rys. 8) i styki miedziane (rys. 9) z kompensacją sił elektrodynamicznych układu łączenia. Tutaj krzywa I pokazuje wzrost prądu zwarciowego przepływającego przez badane styki, natomiast linia 2 odpowiada spadkowi napięcia na tych stykach. Odbicia styku sprężystego nie zaobserwowano w całym zakresie badanych prądów (do 45 kA), natomiast odbicia styków miedzianych wystąpiły przy prądzie 10 kA (rys. 9, linia 2) po czym nastąpiło ich zespawanie.
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.
Z czym pracujemy?
