Область техники

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве электротехнического оборудования, применяемого на всех действующих объектах промышленности, одним из основных элементов которого являются разборные электрические контактные соединения (РЭКС), включающие контакт-детали.

Данная группа изобретений может быть использована при обработке токопередающих контактных поверхностей контакт-деталей, использующихся при изготовлении разборного электрического контактного соединения (РЭКС), содержащего две и более указанных контакт- деталей.

Существующие разработки в данной области направлены на увеличение надежности разборных электрических контактных соединений, что в свою очередь повышает надежность всей электроустановки в целом. При этом повышается качество потребления и передачи электроэнергии. Указанные задачи решаются путем снижения и стабилизации переходного электрического сопротивления, а также путем увеличения эффективной площади контактирования существующего РЭКС.

В практике применяются различные способы снижения переходного электрического сопротивления разборных электрических контактных соединений, одним из которых является применение специальных покрытий на токопередающие поверхности контакт -деталей.

Согласно ГОСТ 1431-79, при соединении двух контакт- деталей образуется условная площадь контактирования, которая определяется частью рабочей поверхности, по которой происходит соприкосновение контакт-деталей и эффективная площадь контактирования, по которой электрический ток переходит из одной контакт-детали в другую. При этом эффективная площадь контактирования является лишь частью условной площади контактирования. Несоответствие между эффективной площадью контактирования и условной площадью контактирования в РЭКС является результатом неполного соприкосновение контактных поверхностей контакт- деталей.

Предшествующий уровень техники Известны разборные электрические контактные соединения, у которых токопередающие поверхности контакт-деталей покрыты сплавом на основе олова или серебра или никеля и т.д., но технология нанесения является дорогостоящей и применима только в условиях стационарного производства.

Известны разборные электрические контактные соединения [RU JЧ22301847, oп.27.06.2007], контактные поверхности которых выполнены из сплава на основе галлия с толщиной покрытия не более 0,1мм

Нанесение сплава на контактную поверхность толщиной покрытия не более 0,1 мм не позволяет сформировать слой, способный улучшить и увеличить эффективную площадь контактирования, так как практически слой покрытия толщиной менее 0,1мм полностью диффундирует в контактную поверхность на глубину 15мк и не позволяет сформировать на контактной поверхности насыщенный слой сплава, что не позволяет получить увеличения эффективной площади контактирования при сборке контактного соединения. Жесткая механическая обработка контактных поверхностей с образованием стружки нарушает контактную поверхность. На ней появляются глубокие царапины и неровности, что уменьшает точность соединения контактных поверхностей, и, следовательно, эффективную площадь контактирования. Эффективная площадь контактирования работает в режиме повышенной нагрузки при токопередаче, т.к. она меньше условной площади контактирования. Нарастание переходного электрического сопротивления в результате окислительных процессов на контактной поверхности и повышенная нагрузка при токопередаче приводят к нестабильности режимов электропотребителей, превышению температурных режимов электроустановки в целом и потерям электроэнергии.

Кроме того, сплав с указанным составом компонентов ограничивает возможность регулирования свойств сплава, таких как механическая твердость, коррозионная стойкость, удельная электропроводность.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип в отношении устройства, является разборное контактное соединительное устройство, в котором снижение переходного электрического сопротивления достигается путем нанесения покрытия на токопередающие поверхности контакт- деталей, а именно покрытия на основе сплава галлия толщиной не менее 15мк, которое препятствует образованию на поверхности контакт- деталей оксидных и сульфидных пленок, имеющих высокое удельное электрическое сопротивление (патент RU на полезную модель JVb 8530, оп. 16.11.1998г.). Данное техническое решение направлено на снижение и стабилизацию переходного электрического сопротивления, но не решает вопрос увеличения эффективной площади контактирования.

Кроме того, малое процентное содержание галлия в сплаве дает увеличение удельного электрического сопротивления слоя, сформированного этим сплавом, что увеличивает переходное электрическое сопротивление соединения в целом и снижает надежность контактного соединения и ухудшает его эксплуатационные параметры.

Известные способы для увеличения эффективной площадью контактирования включают следующие меры: Более точная обработка поверхностей;

- Увеличение усилия затяжки болтовых соединений;

- Увеличение числа болтовых соединений;

- Применение прокладок из мягких легко деформируемых проводящих материалов.

Основным способом сборки РЭКС является болтовое соединение. («Bыбop стабилизации контактного нажатия в разборных соединениях низковольтных комплектных устройству Лесных В. В., Цапенко А.В. журнал «Бeзoпacнocть труда в промышленности)) .N°7 2007.). Для болтового соединения эффективной площадью контактирования является контактная поверхность в зоне головки болта (зоне нажимной шайбы). Остальная контактная поверхность в результате относительной неровности поверхности, малой жесткости соединительной конструкции имеет неполное прилегание контактных поверхностей и, как следствие, имеет увеличенное переходное электрическое сопротивление уже в момент сборки, которое увеличивается в течение периода эксплуатации в результате доступа окислительной среды.

Эффективная площадь контактирования работает в режиме повышенной нагрузки при токопередаче, т.к. она меньше условной площади контактирования. Нарастание переходного электрического сопротивления в результате окислительных процессов на контактной поверхности соединения и повышенная нагрузка при токопередаче приводят к нестабильности режимов электропотребителей, превышению температурных режимов электроустановки в целом и потерям электроэнергии.

При эксплуатации таких электроустановок сокращаются межремонтные периоды, повышаются затраты на обслуживание и ремонты электроустановок, увеличивается время простоев, нарушаются технологические режимы производства промышленных предприятий. Из описания к патентам RU на полезную модель N° 8530, 8529, оп.

16.11.1998г. известен способ обработки контактных поверхностей разборного электрического контактного соединительного устройства, в котором достигается снижение переходного электрического сопротивления путем нанесения специального покрытия на токопередающие поверхности контакт-деталей, а именно нанесение сплава галлия с толщиной покрытия не менее 15 мк, которое препятствует образованию на поверхности контакт- деталей оксидных и сульфидных пленок, имеющих высокое удельное электрическое сопротивление. Данное техническое решение направлено на снижение и стабилизацию переходного электрического сопротивления, но не решает вопрос увеличения эффективной площади контактирования.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип в отношении способа, является способ обработки контактных поверхностей разборного электрического контактного соединения, включающий очистку контактных поверхностей от окисной пленки с применением флюса, нагрев контактной поверхности, механическую очистку и нанесение на неё металлического покрытия, при этом подогрев ведут до температуры 40-45 °C, нанесение металлического покрытия осуществляют с помощью локального контактного плавления, а в качестве металлического покрытия наносят слой галлиевого сплава, имеющего температуру плавления не выше 30 ^° C, толщиной не более 0,1мм (патент на изобретение RU N° 2301847, оп. 27.06.2007).

К недостаткам способа, можно отнести следующее: 1. При подготовке поверхности к обработке и в процессе обработки, раствор флюса наносится один раз и после этого происходит нагрев и механическая очистка. За время нагрева и механической очистки к моменту нанесения сплава, количество флюса на контактной поверхности минимально, так как флюс убирается при механической очистке и частично испаряется при нагревании поверхности. Для обработки контактной поверхности, особенно если учесть продолжительность всего временного периода нанесения сплава, для получения максимальной смачиваемости контактной поверхности, необходимо постоянное присутствие на поберхности флюса в течение всего времени нанесения сплава. Флюс удаляет окисную пленку с контактной поверхности и не дает ей сформироваться за весь период обработки контактной поверхности. В прототипе это условие не выполняется.

2. После окончания обработки, контактная поверхность не нейтрализуется от остатка флюса и даже при его очень малом количестве на контактной поверхности продолжается процесс травления, что разрушает контактную поверхность.

3. При механической очистке поверхности с помощью металлической щетки, установленной на дрель в результате обработки образуется стружка, факт появления которой указывает на нарушение контактной поверхности (появление глубоких царапин и неровностей), что уменьшает точность соединения контактных поверхностей, и, следовательно, эффективную площадь контактирования.

4. Нанесение сплава на контактную поверхность толщиной не более 0,1 мм не позволяет сформировать слой, способный улучшить и увеличить эффективную площадь контактирования, так как практически слой указанной толщины полностью диффундирует в контактную поверхность и не позволяет увеличить эффективную площадь контактирования.

5. Сплав с указанным составом компонентов ограничивает возможность: регулирования температуры плавления сплава, а, следовательно, ограничивается возможность регулирования температурных режимов технологического процесса обработки контактной поверхности; - регулирования свойств сплава, таких как механическая твердость, коррозионная стойкость, удельная электропроводность.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание надежного, эффективного в эксплуатации разборного электрического соединения, повышение качества подготовки контактной поверхности и повышение нагрузочной способности разборного электрического контактного соединения за счет увеличения его эффективной контактной поверхности, при обеспечении стабильности характеристик переходного электрического сопротивления в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в разборном электрическом контактном соединении, включающем контакт - детали, токопередающие контактные поверхности которых содержат металлическое покрытие, выполненное из сплава на основе галлия, согласно полезной модели, металлическое покрытие выполнено из сплава следующего состава: галлий - 64÷ 99,9999, индий - 0,001 + 35, олово - 0,001 ÷ 28, серебро - 0,001÷ 7,5, кадмий - 0,001÷ 5, цинк - 0,001+ 5, медь -0,0001 ÷Ю, алюминий - 0,000 l÷l 2 При этом металлическое покрытие выполнено толщиной 0,1 -0,5мм.

Контакт- детали могут быть выполнены из меди и её сплавов, стали и её сплавов, кобальта, серебра, олова, свинца, алюминия марок АО÷АДЗ IT и его сплавов.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе обработки токопередающих контактных поверхностей контакт-деталей разборного электрического контактного соединения, включающем обработку токопередающих контактных поверхностей контакт-деталей с целью удаления окисной пленки с нанесением на эти поверхности жидкого флюса, нагрев токопередающих контактных поверхностей контакт-деталей, их механическую очистку, нанесение металлического покрытия, в качестве которого используют сплав на основе галлия, согласно изобретению, первоначально осуществляют химическую обработку - травление указанных контактных поверхностей первым раствором флюса, с последующей его нейтрализацией и очисткой указанных контактных поверхностей от результатов химической обработки - травления, затем проводят механическую очистку указанных контактных поверхностей шлифованием, после которой осуществляют их нагрев и нанесение металлического покрытия из сплава на основе галлия в среде второго раствора флюса, после окончания нанесения металлического покрытия остатки флюса нейтрализуют для прекращения процесса травления.

Состав сплава металлического покрытия при этом следующий, мае, %: галлий -64÷ 99,9999, индий - 0,001 ÷ 35, олово - 0,001 ÷ 28, серебро - 0,001÷ 7,5, кадмий - 0,001÷ 5, цинк - 0,001÷ 25, медь - 0,0001 ÷ 10, алюминий - 0,0001 ÷ 12

Металлическое покрытие наносят слоем толщиной 0,1 -0,5мм.

Нагрев контактной поверхности осуществляют в пределах 10-70°C.

Раствор первого флюса приготовлен на основе соляной кислоты с концентрацией 5-35% или на основе щелочи с концентрацией 5-18%. В качестве второго флюса используют раствор, аналогичный первому раствору флюса с концентрацией в 1,5-2,5 раза ниже концентрации раствора первого флюса.

Температура плавления металлического покрытия галлиевого сплава составляет 9,0-30,8 °C На чертеже представлено разборное контактное электрическое соединение, содержащее контакт-детали 1 , 2, токопередающие поверхности которых содержат покрытие, содержащее насыщенный слой 3 сплава и слои 4, 5, диффундированные, соответственно, в контакт- детали 1 и 2. Покрытие выполнено из сплава на основе галлия следующего состава: галлий - 64 ÷ 99,9999, индий - 0,001 ÷ 35, олово - 0,001 ÷ 28, серебро - 0,001÷ 7,5, кадмий - 0,001÷ 5, цинк - 0,001÷ 25, медь -0,0001 ÷Ю, алюминий - 0,000 l÷l 2.

Покрытие выполнено толщиной 0,1- 0,5мм. Благодаря нанесению слоя толщиной свыше 0,1мм в заявляемом техническом решении получают слой диффундированный в контактную поверхность до 20мк и насыщенный слой сплава на самой контактной поверхности, с помощью которого при сборке контактного соединения увеличивается эффективная площадь контактирования. Контакт - детали могут быть выполнены из меди и её сплавов, стали и её сплавов, кобальта, серебра, олова, свинца, алюминия, предпочтительно, марок АО÷АДЗ IТ и его сплавов и могут быть соединены между собой крепежным элементом 6, например, болтовым соединением.

В качестве контактных пар возможно использовать следующие типы контактных поверхностей: медь-медь, медь-алюминий, алюминий- алюминий.

Покрытие представляет новый интерметаллический слой сформированный галлиевым сплавом и материалом контактной поверхности. Применение толщины покрытия контактной поверхности менее 0,1мм снижает качество покрытия и соответственно надежность соединения, за счет повышения переходного удельного электрического сопротивления.

Применение толщины покрытия контактной поверхности более 0,5мм технически и экономически нецелесообразно, так как это приводит к удорожанию конструкции и не улучшает технические характеристики.

В некоторых случаях, для повышения качества и надежности РЭКС достаточно обработать токопередающую контактную поверхность, по меньшей мере, одной из контакт-деталей.

Способ обработки осуществляют следующим образом. Первоначально осуществляют химическую обработку — травление контактных поверхностей первым раствором флюса для очистки контактных поверхностей от окисных пленок. В зависимости от контактируемых поверхностей первый раствор флюса может быть приготовлен на основе соляной кислоты с концентрацией 5-35% с возможной корректировкой цинком, железом в водной среде, например, насыщенный раствор хлористого цинка для контактных поверхностей на основе меди и её сплавов, стали и её сплавов, кобальта, серебра, олова, свинца. Контактные поверхности на основе алюминия и его сплавов обрабатывают первым раствором флюса на основе щелочи - NaOH в водном растворе с концентрацией 5-18%.

Затем первый раствор флюса нейтрализуют путем протирки хлопчатобумажным тампоном, смоченным раствором нейтрализации и очищают контактные поверхности от результатов травления сухим хлопчатобумажным тампоном. Нейтрализацию остатков первого флюса осуществляют в зависимости от типа флюса: кислотный флюс нейтрализуют, например, раствором 5% двууглекислой соды, щелочной флюс нейтрализуют, например, раствором 8% уксусной кислоты.

Затем проводят механическую очистку контактных поверхностей шлифованием. После чего, сухим тампоном протирают контактную поверхность от результатов шлифования - металлической пыли. Далее осуществляют нагрев контактной поверхности в пределах температур 10- 70°C, при этом нагрев контактных поверхностей, выполненных из меди и её сплавов, стали и её сплавов, кобальта, серебра, олова, свинца ведут в пределах - 10-7CГC, а нагрев контактных поверхностей, выполненных из алюминия и его сплавов - в пределах 10-52°C.

После чего наносят раствор второго флюса с одновременным нанесением металлического покрытия галлиевым сплавом толщиной 0,1- 0,5мм не выходя из температурных пределов 10-70 ^° C. Нанесение второго флюса сразу после нагрева контактной поверхности позволяет защитить контактную поверхность от окислительных процессов и повысить смачиваемость наносимым сплавом.

В качестве второго флюса используют раствор, аналогичный первому раствору флюса с концентрацией в 1,5-2,5 раза ниже концентрации раствора первого флюса.

Нанесение сплава осуществляют путем локального контактного плавления контактной поверхности, в качестве сплава применяется галлиевый сплав, имеющий температуру плавления 9,0÷30,8°C. Состав наносимого металлического покрытия - сплава на основе галлия следующий: Галлий - 64 ÷ 99,9999, Индий - 0,001 ÷ 35, Олово - 0,001 ÷ 28, Серебро - 0,001÷ 7,5, Кадмий - 0,001÷ 5, Цинк - 0,001÷ 25, Медь - 0,0001 ÷Ю, Алюминий - 0,000 l÷l 2.

Затем осуществляется сборка электрического контактного соединения, например, с помощью болтового соединения, излишки галлиевого сплава, выдавленные с контактной поверхности после затяжки болтового соединения, удаляют.

После сборки соединения остатки флюса нейтрализуют раствором для нейтрализации, а при необходимости промывают водой. Механическая и химическая обработка контактной поверхности обеспечивает хорошую смачиваемость контактных поверхностей, создается состояние равновесия сил поверхностного натяжения жидкого слоя галлиевого сплава на твердой поверхности контактного материала. При этом контактный материал в пределах обработанной поверхности представляет новый интерметаллический слой, сформированный галлиевым сплавом и материалом контактной поверхности. Краевой угол смачивания жидкого галлиевого сплава составляет 65-91,0° при прочности сцепления с контактной поверхностью 27-29 МПа при толщине слоя жидкого галлиевого сплава 0,1-0,5 мм. Данная толщина жидкого слоя галлиевого сплава обеспечивает выравнивание контактной поверхности и увеличивает эффективную площадь контактирования РЭКС, а учитывая свойства галлиевых сплавов, минимизирует и стабилизирует электрическое переходное сопротивление в контактном соединении. Широкий диапазон жидкого состояния галлиевого сплава (порядка 9-

250 ^° C) позволяет создать стабильность контактной площади при внешних механических и тепловых воздействиях на конструкцию РЭКС при эксплуатации.

При механической обработке применяется мягкая щетка из нержавеющей стали для шлифовки металлических поверхностей. При обработке нельзя допускать крупных царапин и стружки.

Выполнение механической обработки перед нагревом контактных поверхностей, а не после нагрева, как в прототипе, позволяет сократить период нахождения контактной поверхности на открытом воздухе, т.е. замедлить окислительные процессы.

Данный способ применим для соединения следующих типов контактных поверхностей: медь-медь, медь-алюминий, алюминий- алюминий.

Пример 1. Способ обработки контактных поверхностей разборного электрического соединения медь - медь.

Хлопчатобумажным тампоном, смоченным в первый раствор флюса (20% раствор соляной кислоты, корректированный цинком до состояния насыщения) протирают контактную поверхность для удаления загрязнения и окисной пленки. После полной очистки поверхности её протирают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации (5% раствор двууглекислой соды) и вытирают насухо. Мягкой щеткой из нержавеющей стали для шлифования металлической поверхности шлифовальной машинкой зачищают контактную поверхность, после зачистки удаляют остатки металлической пыли - результат шлифования. Феном или инфракрасным источником тепла нагревают контактную поверхность до температуры 35 ^° C. Контроль температуры осуществляют любым прибором с точностью измерения ±0,5 °C. Тампоном, смоченным в растворе флюса -8% раствор соляной кислоты, корректированный цинком до состояния насыщения, смачивают контактную поверхность и сразу наносят слой галлиевого сплава толщиной 0,4мм. Слой сплава на контактной поверхности должен иметь насыщенный (увлажненный) вид блестящего (зеркального) цвета. Контактные поверхности соединяют, болты затягивают с усилием согласно техническим условиям. Остатки галлиевого сплава, выдавленные с контактной поверхности удаляют тампоном. Собранное контактное соединение обрабатывают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации флюса 5% раствора двууглекислой соды, при необходимости промывают водой и протирают насухо.

Состав сплава для указанных температурных режимов: галлий - 67%, индий - 22%, олово - 5%, серебро - 1,5%, кадмий - 0,5%, цинк - 4%, медь - 0, 0001 %, алюминий - 0, 0001 % Температура плавления сплава - 12,5 °C.

Пример 2. Способ обработки контактных поверхностей разборного электрического соединения алюминий - алюминий. Хлопчатобумажным тампоном, смоченным в первом растворе флюса-

15% растворе щелочи, протирают контактную поверхность для удаления загрязнения и окисной пленки. После полной очистки поверхности её протирают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации - 8% раствор уксусной кислоты, и вытирают насухо. Мягкой щеткой из нержавеющей стали для шлифования металлической поверхности шлифовальной машинкой зачищают контактную поверхность, после зачистки удаляют остатки металлической пыли - результат шлифования. Феном или инфракрасным источником тепла нагревают контактную поверхность до температуры 25 °C. Контроль температуры осуществляют любым прибором с точностью измерения ±0,5 °C. Тампоном, смоченным в растворе флюса - 6% раствор щелочи, смачивают контактную поверхность и сразу наносят слой галлиевого сплава толщиной 0,3 мм. Слой сплава на контактной поверхности должен иметь насыщенный (увлажненный) вид блестящего (зеркального) цвета. Контактные поверхности соединяют, болты затягивают с усилием согласно техническим условиям. Остатки галлиевого сплава, выдавленные с контактной поверхности удаляют тампоном. Собранное контактное соединение обрабатывают тампоном, смоченным в растворе для нейтрализации флюса -6% раствор уксусной кислоты, и протирают насухо.

Состав сплава для указанных температурных режимов: галлий - 80%, индий - 10%, олово - 5%, серебро - 0,5%, кадмий - 1,5%, цинк - 3%, медь - 0, 0001%, алюминий - 0, 0001% Температура плавления сплава - 17,5 "С. В сплаве может присутствовать до 0,05% интерметаллических соединений за счет примесей, содержащихся в компонентах.

В разборном электрическом контактном соединении может быть обработана заявляемым способом токопередающая контактная поверхность, по меньшей мере, одной из контакт-деталей. Анализ теоретических и экспериментальных данных по применению одного - восьми компонентных галлиевых сплавов при обработке контактных поверхностей РЭКС позволил создать универсальный метод обработки контактных поверхностей РЭКС, учитывающий особенности обрабатываемых контактных поверхностей и определяющий способ предварительной обработки, выбор сплава и порядок его нанесения.

Способ обработки при этом включает перечень подготовительных операций механической и химической обработок, температурные режимы, состав галлиевого сплава. В зависимости от технических требований к разборным электрическим контактным соединениям при производстве, эксплуатации и ремонте электротехнического оборудования, с помощью этого способа можно решать такие вопросы как уменьшение и стабилизация переходного электрического сопротивления контактного соединения, а также увеличение эффективной площади контактирования. Данный способ позволяет увеличить на 5-15% нагрузочную способность РЭКС при передаче электрической энергии без изменения конструкции контактного соединения, при этом температурный режим работы не выходит за пределы допустимого. Это подтверждается результатами опытных и экспериментальных исследований.

Технический результат группы изобретений заключается в создании надежного в эксплуатации разборного электрического контактного соединения, за счет обеспечения стабильности величины переходного электрического сопротивления на срок соизмеримый со сроком эксплуатации электрооборудования в целом.

Заявляемая совокупность признаков позволяет минимизировать потери электрической энергии в контактных электрических соединениях, а также повысить качество и эффективность её передачи. Промышленная применимость

Заявляемая группа изобретений может быть использована в области электротехники при производстве электротехнического оборудования, применяемого на всех действующих объектах промышленности, одним из основных элементов которого являются разборные электрические контактные соединения (РЭКС), включающие контакт-детали, а именно при обработке токопередающих контактных поверхностей указанных контакт-деталей, использующихся при изготовлении разборного электрического контактного соединения (РЭКС), содержащего две и более указанных контакт-деталей. В некоторых случаях, для повышения качества и надежности РЭКС достаточно обработать заявленным способом токопередающую контактную поверхность, по меньшей мере, одной из контакт-деталей.