Шины и контактные соединения

Электрическое оборудование соединяется между собой для совместной работы системами проводников - шинами. По экономическим соображениям применяются, как правило, шины из алюминия и его сплавов. Медные шины в последнее время находят применение в установках с большими токами и в специальных установках.

По форме поперечного сечения шины могут быть прямоугольные (плоские полосы), трубчатые (квадратного и круглого сечения). Применяются также шины корытного профиля, которые по своим свойствам близки к трубчатым шинам.

В распределительных устройствах наружной установки напряжением 35 кВ и выше получили распространение шины из гибких многопроволочных проводов. При рабочих токах выше 1000 А применяют пучки из двух, трех и большего числа проводов на фазу. В ряде случаев шины выполняют трубами из алюминия.

Площадь поперечного сечения шин выбирают по значению рабочего тока и току КЗ соответствующей цепи. При КЗ температура нагрева алюминиевых шин не должна превышать 200°С.

Места соединения шин между собой, а также с выводами электрооборудования получили название контактных соединений. Контактные соединения осуществляются непосредственно и с помощью специальной арматуры (гильзы, наконечники, болты и т.д.).

Контактные выводы электрооборудования выполняются, как правило, из материала, близкого по электрическим и механическим свойствам материалу внутренних токопроводящих элементов.

Таким образом, основными материалами контактных соединений являются медь и ее сплавы (латунь, бронза) и алюминий электротехнического назначения.

Контактные соединения шин, электрических аппаратов, кабелей являются их неотъемлемыми и весьма ответственными частями. Причинами многих аварий на подстанциях были неудовлетворительные состояния контактных соединений. Повреждались соединители на шинах, что приводило к обрыву или перегоранию спусков в местах присоединения к шинам, проходным изоляторам и аппаратам. Повреждались контактные соединения подвижных частей и гибких связей разъединителей вследствие неплотного касания, загрязнения и окисления контактных поверхностей.

В месте плохого контакта выделяется большое количество теплоты, которое приводит к нагреву и даже расплавлению металла соприкасающихся поверхностей. Задача содержания контактов в хорошем состоянии осложняется тем, что с течением времени они изменяют свои свойства: под действием воздуха и влаги происходит химическое и физическое старение металла. Поэтому все контакты, в том числе и хорошо выполненные, требуют постоянного наблюдения и ухода.

По назначению контактные соединения разделяют на неразъемные, разъемные и подвижные. Подвижными контактами снабжают коммутационные аппараты.

По исполнению контакты бывают сварными, прессуемыми, обжимными, переходными с алюминия на медь. Практика показала, что сварные, прессуемые и обжимные контакты более надежны в эксплуатации, чем болтовые и особенно одноболтовые. У коммутационных аппаратов контакты соприкасающихся друг с другом токопроводящих деталей образуются благодаря упругому нажатию пружин.

Контактные пары из алюминия обладают тем недостатком, что уже при обработке контактные поверхности мгновенно окисляются и получить хороший контакт без удаления оксидной пленки невозможно. Контактные поверхности из алюминия защищают омеднением, лужением оловянисто-цинковым сплавом, серебрением и т.д. Надежные неразъемные контакты из алюминия выполняют сваркой. Серебрение значительно повышает электрические свойства контактов и защищает контактные поверхности от окисления при работе на воздухе.

Для защиты контактов масляных и воздушных выключателей от повреждения дугой к ним припаивают тонкие металлокерамические накладки, изготовляемые из порошка тугоплавкого вольфрама (или рения) и хорошо проводящих металлов (серебра или меди). Под действием электрической дуги металлокерамические накладки не повреждаются, металл с их поверхности не разбрызгивается. Переходное сопротивление металлокерамических контактов обычно не ухудшается.

Качество любого контактного соединения помимо свойств металла, из которого выполнены контактные поверхности, зависит от способа обработки соединяемых поверхностей и силы, сжимающей их. Чистота обработки поверхностей влияет на переходное сопротивление главным образом в области малых нажатий. С увеличением нажатия чистота обработки сказывается меньше. Большие сжимающие силы (если они не превышают так называемых критических значений) обеспечивают более низкие переходные сопротивления. При усилиях, больших критических, контактные поверхности искривляются, появляется текучесть металла шин, шайб, гаек и сопротивление контакта начинает возрастать. Чтобы не превысить критических значений сил, болты зажимов затягивают ключом с регулируемым моментом.

Надежность контактных соединений оценивается числом выявленных в процессе эксплуатации дефектных контактов.

Показатели, характеризующие исправное состояние контактов. Электрический ток в цепи нагревает проводники и контакты. Количество теплоты, выделяющееся в контактном соединении, пропорционально квадрату тока и значению переходного сопротивления. Чем больше выделяется теплоты, тем выше температура контакта. При длительном прохождении номинального тока температура нагрева контактов не должна превышать значений, приведенных в табл. 5.1. За расчетную температуру окружающего воздуха принято +35°С. Температура элемента аппарата q складывается из температуры окружающей среды q₀ и превышения температуры t, т.е. q=q₀+t.

По конструкции контактные соединения выполняют таким образом, чтобы переходное сопротивление участка цепи, содержащей контакт, было меньше сопротивления участка целого провода такой же длины. Благодаря этому при хорошем контактном соединении температура его нагрева q_К всегда меньше температуры целого проводника q_П Отношением этих величин можно характеризовать дефектность контакта К'_деф=q_К/q_П. Температуры следует измерять в период максимальных нагрузок.

В эксплуатации дефектность контактных соединений определяют измерением падения напряжения на участке цепи, содержащем контактное соединение, при прохождении по контакту рабочего тока или измерения переходного сопротивления контакта. В первом случае измерения производят под рабочим напряжением измерительной штангой с укрепленным на ней милливольтметром. Измеряют падение напряжения ΔU_К на участке, содержащем контактное соединение, и падение напряжения ΔU_П на участке такой же длины целого провода. Во втором случае сопротивления контакта R_К и провода R_П измеряют на отключенном и защемленном участке цепи при помощи микроомметра.

Дефектность контактного соединения устанавливается следующими отношениями: К"_деф= ΔU_К/ΔU_П и К"'_деф= R_К/ R_П. Если состояние контакта хорошее, то коэффициент дефектности К'_деф, К"_деф, К"'_деф < 1. При коэффициенте дефектности больше единицы контакт считается дефектным и подлежит замене или ремонту.

Состояние контактных соединений коммутационных аппаратов оценивается абсолютными значениями их сопротивлений, которые не должны превышать нормируемых значений.

Измерение температуры и контроль нагрева контактных соединений. При обслуживании подстанций оперативный персонал ведет контроль за состоянием контактных соединений, как правило, по степени их нагрева в периоды прохождения максимальных токов нагрузки. Двумя другими методами (измерения падения напряжения и переходного сопротивления) пользуется ремонтный персонал. Правильность отбраковки дефектных контактов этими методами выше, чем при измерении температуры нагрева контакта.

Таблица 5.1

Допустимые температуры нагрева токопроводящих частей аппаратов, °С

Измерение температуры нагрева контакта производится переносным электротермометром или при помощи термосвечей, которые позволяют лишь ориентировочно определить степень нагрева. Переносный электротермометр, предназначенный для измерений на токоведущих частях напряжением до 10 кВ, представляет собой компактный неравновесный мост, в одно плечо которого включен медный термометр сопротивления, а в диагональ - микроамперметр. Для питания моста применяется сухая батарейка. Прибор крепится на изолирующей штанге. При измерении головку датчика температуры прибора прижимают к контакту и через 20-30 с значение температуры контакта считывается со шкалы прибора. Перед пользованием электротермометром стрелку прибора устанавливают в нулевое положение при помощи корректора. Погрешность электротермометра ±2,5%.

Степень нагрева контактов определяется при помощи термосвечей. Эксплуатационный комплект состоит из пяти свечей с температурами плавления 50, 80, 100, 130 и 160°С. Свечой, закрепленной специальным держателем на изоляционной штанге, касаются отдельных частей контакта. При температуре нагрева обследуемой части, близкой к температуре плавления материала свечи, конец ее плавится. Первой применяют свечу с наиболее низкой температурой плавления. Если она плавится, то применяют другие свечи в порядке возрастания их температур плавления. Нагрев контактных соединений контролируют при осмотрах при помощи термопленочных указателей многократного действия в закрытых РУ и термоуказателей однократного действия с легкоплавким припоем на открытых РУ.

Термопленочные указатели в виде узких полосок наклеивают на металлические части, образующие контактное соединение. В интервале температур 70-100°С термопленка изменяет свой цвет с красного на черный. При охлаждении контакта черный цвет переходит в красный. Если контакт нагревается до температуры более 120°С и температура его удерживается на этом уровне в течение 1-2 ч, термопленка приобретает грязновато-желтую окраску и после охлаждения контакта уже не восстанавливает своего первоначального красного цвета. По этим свойствам термопленки судят о нагреве контактов.

В местах, не доступных для контроля нагрева контактов при помощи термопленок (например, в открытых РУ), применяют указатели нагрева с легкоплавким припоем. Два конца медной проволоки спаивают припоем с различным содержанием олова, свинца и висмута. Температура плавления таких припоев может быть получена от 95 до 160°С. Один конец спаянной проволоки закрепляют непосредственно на контактном зажиме, а другой, загнутый в колечко, служит указателем. При нагреве контакта (а вместе с ним и указателя) до температуры, несколько превышающей температуру плавления припоя, указатель отпадает, что свидетельствует о недопустимости нагрева контакта. Отмечены случаи ложного срабатывания таких термоуказателей при КЗ.

В последние годы для выявления перегрева контактов используются тепловизоры и инфракрасные радиометры. Радиометр - прибор, фокусирующий тепловое излучение на чувствительный элемент, передающий соответствующий выходной сигнал на стрелочный индикатор. Радиометр типа ИК-10Р способен регистрировать температуру в диапазоне 35-200°С. Наводка объектива радиометра на исследуемое контактное соединение производится через оптический окуляр. При измерении прибор устанавливается на расстоянии 2-20 м от токопроводящей части.

Опыт эксплуатации радиометров показал, что с их помощью выявляют неисправные контактные соединения разъединителей, токопроводов, наконечников кабелей, выводов силовых трансформаторов и другого оборудования.