Procesy elektrodowe w niskonapi˛eciowych przeka´znikach pr ˛ adu przemiennego

POLITECHNIKA POZNA ´ NSKA Wydział Elektryczny

ROZPRAWA DOKTORSKA mgr in˙z. Andrzej Ksi ˛ a˙zkiewicz

Procesy elektrodowe w niskonapi˛eciowych przeka´znikach pr ˛ adu przemiennego

Promotor:

dr hab. in˙z. Jerzy Janiszewski

Pozna´n 2016

Streszczenie

Przedstawiona do recenzji i publicznej obrony rozprawa doktorska p.t. „Procesy elektro- dowe w niskonapi˛eciowych przeka´znikach pr ˛ adu przemiennego” składa si˛e z dziewi˛eciu roz- działów, uzupełnionych zestawieniem bibliografii, tablic oraz rysunków i liczy 197 stron.

W rozdziale pierwszym w sposób przekrojowy przedstawiono zagadnienia analizowane w niniejszej rozprawie doktorskiej. Zagadnienia te dotycz ˛ a wpływu wybranych procesów elektrodowych na układy stykowe przeka´zników elektromagnetycznych.

W rozdziale drugim przedstawiono klasyfikacj˛e ł ˛ aczników elektroenergetycznych wraz z umiejscowieniem w niej przeka´zników. Omówiono podstawy ich budowy i zasady działania.

Zaprezentowano równie˙z kryteria doboru zabezpiecze´n nadmiarowopr ˛ adowych, chroni ˛ acych obwody z przeka´znikami.

Nast˛epny rozdział przedstawia zagadnienia zwi ˛ azane z materiałami stykowymi. Opisane s ˛ a ogólne wła´sciwo´sci materiałów i zestyków z nich wykonanych, ze szczególnym uwzgl˛ednie- niem tych stosowanych w przeka´znikach.

Rozdział czwarty po´swi˛econy jest zagadnieniu rezystancji zestykowej. Opisany jest podsta- wowy, stosowany model jej analizy. Rozpatrzono w nim zagadnienia zwi ˛ azane z analitycznym sposobem wyznaczania warto´sci tej rezystancji oraz sposoby jej pomiaru.

W kolejnym, pi ˛ atym rozdziale, omówione zostały szczegółowo wybrane procesy elektro- dowe stanowi ˛ ace o problematyce rozprawy. W rozdziale opisane zostały zagadnienia zwi ˛ a- zane z erozj ˛ a mechaniczn ˛ a zwi ˛ azan ˛ a z wzajemnym bezpr ˛ adowym oddziaływaniem styków przeka´znika. Przedstawiono proces erozji powierzchni elektrod wynikaj ˛ acy z ł ˛ aczenia pr ˛ adów roboczych oraz zwarciowych. Opisano równie˙z zjawiska towarzysz ˛ ace nagrzewaniu elektrod przeka´zników przy przepływie pr ˛ adów roboczych i zwarciowych. Scharakteryzowano tak˙ze oddziaływania elektrodynamiczne wyst˛epuj ˛ ace podczas przepływu pr ˛ adów zwarciowych.

W szóstym rozdziale przedstawiono cel oraz tez˛e rozprawy doktorskiej. Opisano równie˙z zakres pracy dotycz ˛ acy wykonywanych bada´n i analiz.

W rozdziale siódmym zaprezentowane zostały układy pomiarowe wykorzystywane do ba- dania przedstawionych procesów. Opisano autorski układ do wykonywania prób ł ˛ aczeniowych.

Przedstawiono jego zasad˛e działania oraz schemat elektryczny. Przedstawiono równie˙z analiz˛e bł˛edów w zakresie wykonywanych pomiarów warto´sci rezystancji przej´scia. Omówiono tak˙ze wybran ˛ a aparatur˛e, która została wykorzystana w trakcie realizacji prac badawczych.

Ósmy rozdział zawiera opis otrzymanych wyników bada´n eksperymentalnych oraz oblicze´n i analiz. Scharakteryzowano obserwowane zmiany powierzchni stykowej oraz wpływ procesów elektrodowych na warto´s´c rezystancji przej´scia. Przedstawione zostały wyniki oblicze´n nagrze- wania si˛e styków oraz wyniki oblicze´n i bada´n oddziaływa´n elektrodynamicznych. Dokonano te˙z analizy wyst˛epowania sczepie´n w układzie stykowym.

W ostatnim, dziewi ˛ atym rozdziale, przedstawiono wnioski wynikaj ˛ ace z przeprowadzonych

bada´n procesów elektrodowych oraz zalecenia w zakresie projektowania i eksploatacji przeka´z-

ników niskiego napi˛ecia.

Abstract

Presented for review and public defense the doctoral dissertation titled „Electrode processes in low voltage alternating current relays” consists of nine chapters, supplemented with biblio- graphy, and list of tables and figures, and consists of 197 pages.

In the first chapter in a generalized manner presents the problem. These issues relate to the impact of selected electrode processes on contact system of electromagnetic relays.

The second chapter presents the categorization of electrical connectors with the classifica- tion of relays. The basics of packaging and operating rules are described. It also presents rules for the selection of overload protection.

The next chapter explains the materials used for the contact rivets. Describes general properties of materials used for rivets, with special emphasis on those used in relays.

The fourth chapter is devoted to the issue of contact resistance. Described is a basic, applied analytical model. Pondering the question connected with the analytical method for determining the value of the resistance and how to measure it.

In the next, fifth chapter, discussed in detail are selected electrode processes. The chapter describes the issues associated with mechanical erosion related to the interaction of the relay contacts. It also presents process of erosion of the electrode surface resulting from switching operating and short-circuit currents. Also, it describes the phenomena of heating electrodes relays the flow of operating currents and short-circuit. A characterization is made of the electrodynamic force present during the flow of short-circuit currents.

In the sixth chapter the purpose of the thesis and doctoral dissertation is described. It also describes the scope of work for the analysis.

In the seventh chapter there is presented the Authors test set-up used to study the processes described. Its principle of operation and electrical diagram. An analysis of errors in the range of measurements of contact resistance is described. Also the selected equipment, which also was used in time research is shown.

The eighth chapter contains a description of the test results and calculations and analyses.

Characterized by the interaction of individual electrode processes on relay contacts and obse- rved changes on the contact surface. The influence of the contact resistance value is shown.

Electrical contacts heating process was calculated. The analysis of the occurrence of contact welding is done as well.

In the last, ninth chapter, the conclusions of studies of electrode processes, their impact on

the value of contact resistance and recommendations for the design and operation of low-voltage

relays are presented.

Lista najwa˙zniejszych symboli

Symbol Opis Jednostka

R _k Rezystancja kształtu [Ω]

R _n Rezystancja warstw nalotowych [Ω]

R _p Rezystancja przej´scia zestyku [Ω]

A _a Powierzchnia nominalna zestyku [m ² ]

A _r Powierzchnia rzeczywista zestyku [m ² ]

A _c Obrysowa powierzchnia styczno´sci [m ² ]

I n Pr ˛ ad znamionowy roboczy zabezpieczenia [A]

I b Pr ˛ ad odbiornika [A]

I _p Pr ˛ ad znamionowy roboczy przeka´znika [A]

I _k Warto´s´c skuteczna spodziewanego pr ˛ adu zwarciowego [A]

s _o Grubo´s´c warstwy tlenkowej [Å]

ϑ _p Temperatura miejsca styczno´sci [ ^◦ C]

ϑ _o Temperatura otoczenia [ ^◦ C]

∆ϑ ⁰ _m Przyrost temperatury styku wzgl˛edem temperatury otoczenia [ ^◦ C]

∆ϑ _m Przyrost temperatury w bezpo´srednim s ˛ asiedztwie miejsca stycz- no´sci

[ ^◦ C]

∆ϑ p Przyrost temperatury miejsca styczno´sci [ ^◦ C]

Θ _p Temperatura maksymalna zestyku w skali bezwzgl˛ednej [K]

L Stała Lorenza [V ² K ⁻² ]

t _z Czas przepływu pr ˛ adu zwarciowego [s]

i _s Graniczna warto´s´c pr ˛ adu sczepiania [A]

r promie´n powierzchni styczno´sci [m ² ]

Spis tre´sci

1. Wprowadzenie . . . . 11

2. Przeka´zniki elektromagnetyczne pr ˛ adu przemiennego . . . . 13

2.1. Miejsce przeka´zników pr ˛ adu przemiennego w klasyfikacji ł ˛ aczników elektroenergetycznych . . . . 13

2.2. Budowa i zasada działania przeka´zników elektromagnetycznych niskiego napi˛ecia . . . 16

2.3. Zasady doboru zabezpiecze´n nadmiarowopr ˛ adowych do ochrony przeka´zników . . . . . 21

3. Materiały stykowe . . . . 24

3.1. Podstawowe parametry i wła´sciwo´sci materiałów stykowych . . . . 24

3.2. Materiały stykowe wykorzystywane na styki przeka´zników niskiego napi˛ecia . . . . 27

4. Rezystancja zestykowa . . . . 31

4.1. Rezystancja zestykowa w uj˛eciu teoretycznym . . . . 31

4.2. Analityczne wyznaczanie rezystancji zestykowej . . . . 36

4.3. Przegl ˛ ad metod pomiaru rezystancji zestykowej . . . . 39

5. Procesy elektrodowe w niskonapi˛eciowych przeka´znikach pr ˛ adu przemiennego . . . . 43

5.1. Zamykanie styków przy braku obci ˛ a˙zenia elektrycznego . . . . 43

5.2. Erozja powierzchni elektrod wynikaj ˛ aca z ł ˛ aczenia pr ˛ adów roboczych . . . . 45

5.3. Erozja powierzchni elektrod wynikaj ˛ aca z ł ˛ aczenia pr ˛ adów zwarciowych . . . . 51

5.4. Nagrzewanie styków przy przepływie pr ˛ adów roboczych i przet˛e˙zeniowych . . . . 59

5.5. Wielko´sci charakteryzuj ˛ ace zjawiska elektrodynamiczne w ł ˛ acznikach elektrycznych . . 68

6. Cel, teza i zakres pracy . . . . 73

7. Układy i aparatura pomiarowa . . . . 75

7.1. Układ do wykonywania prób ł ˛ aczeniowych . . . . 75

7.2. Dodatkowa aparatura pomiarowa wykorzystana w badaniach . . . . 81

8. Wyniki bada ´n . . . . 85

8.1. Parametry techniczne badanych przeka´zników . . . . 85

8.2. Ocena skutków wzajemnego mechanicznego oddziaływania styków przeka´znika . . . . 87

8.3. Ewaluacja erozji powierzchni elektrod spowodowanej ł ˛ aczeniem pr ˛ adów roboczych . . 95

8.4. Ewaluacja erozji powierzchni elektrod spowodowanej ł ˛ aczeniem pr ˛ adów zwarciowych . 123 8.5. Stan cieplny zestyków przy przepływie pr ˛ adów roboczych i zwarciowych . . . 137

8.6. Elektrodynamika styków przy przepływie pr ˛ adów przet˛e˙zeniowych . . . 154

8.7. Analiza działania zabezpiecze´n przy przepływie pr ˛ adów zwarciowych . . . 165

9. Podsumowanie i wnioski ko ´ncowe . . . 173

Dodatek A. Wyznaczanie współczynnika oddawania ciepła . . . 178

Bibliografia . . . 182

Spis tablic . . . 189

Spis rysunków . . . 192

Proces

1. Przebieg nast˛epuj ˛ acych po sobie i powi ˛ azanych przyczynowo okre´slonych zmian.

2. Kolejno nast˛epuj ˛ ace po sobie zmiany fizykochemiczne materii.

Elektroda

1. Cz˛e´s´c ogniwa galwanicznego, element przewodz ˛ acy pr ˛ ad.

2. Element przewodz ˛ acy w przyrz ˛ adzie elektrycznym, doprowadzaj ˛ acy pr ˛ ad elektryczny do odpowiedniego o´srodka lub odprowadzaj ˛ acy go ze´n.

3. Element przewodz ˛ acy w przyrz ˛ adzie elektronowym, emituj ˛ acy lub zbieraj ˛ acy elektrony.

Przeka´znik

1. Urz ˛ adzenie odbieraj ˛ ace jakie´s impulsy, przetwarzaj ˛ ace je i przekazuj ˛ ace dalej.

Definicje zaczerpni˛ete z http://sjp.pwn.pl/

1. Wprowadzenie

Ł ˛ aczniki elektryczne znajduj ˛ a zastosowanie w ka˙zdej cz˛e´sci systemu elektroenergetycz- nego. Pracuj ˛ a jako wył ˛ aczniki blokowe, przy wyprowadzaniu mocy z generatorów, odł ˛ aczniki w liniach napowietrznych ka˙zdego poziomu napi˛ecia, czy jako styczniki w układach sterowania odbiornikami ko´ncowymi. Te zastosowania s ˛ a szeroko opisane w literaturze technicznej oraz naukowej. Literatura techniczna przedstawia zagadnienia zwi ˛ azane z prawidłowym ich dobo- rem, eksploatacj ˛ a czy remontami. Literatura naukowa obja´snia za´s procesy i zjawiska jakie mog ˛ a wyst˛epowa´c podczas ich eksploatacji. Dotycz ˛ a one mi˛edzy innymi oddziaływania łuku elektrycznego, napi˛e´c powrotnych czy zachowania si˛e ró˙znych materiałów stykowych w cza- sie pracy ł ˛ acznika. Literatura ta jest, w ocenie autora, uboga przy opisie jednego z wa˙znych elementów instalacji elektrycznych, jakimi s ˛ a przeka´zniki elektromagnetyczne.

Przeka´zniki elektromagnetyczne stosowane s ˛ a w układach kontrolno-pomiarowych oraz sterowniczych. Prawie zawsze s ˛ a to obwody niskiego napi˛ecia, zarówno przemiennego jak i stałego. Przeka´zniki te s ˛ a równie˙z cz˛esto stosowane w urz ˛ adzeniach wykonawczych systemów automatyki budynkowej.

Automatyka w budynkach nie jest tematem nowym, pierwsze systemy pojawiły si˛e ju˙z w la- tach osiemdziesi ˛ atych, wraz z rozwojem mikroprocesorów. Jest to jednak temat aktualny, zwi ˛ a- zany z ci ˛ agłym rozwojem tych systemów. Obecnie na wyró˙znienie zasługuje kilka systemów o zasi˛egu przynajmniej europejskim. Jednym z nich jest system KNX, zarz ˛ adzany przez or- ganizacj˛e KONNEX zrzeszaj ˛ ac ˛ a obecnie ponad 400 producentów urz ˛ adze´n. Innym systemem jest Local Control Network, który powstał w 1992 roku w Niemczech, i jest on stosowany w obiektach u˙zyteczno´sci publicznej, biurach czy hotelach.

Powstaj ˛ a tak˙ze nowe systemy, w tym My Home firmy Legrand, zaprezentowany w 2013 roku. Wszystkie te systemy wykorzystuj ˛ a przeka´znikowe elementy wykonawcze do sterowania odbiornikami w instalacjach elektrycznych. Przeka´zniki te pracuj ˛ a najcz˛e´sciej przy niskim przemiennym napi˛eciu, rz˛edu 230 V i pr ˛ adach nie przekraczaj ˛ acych 16 A. Ich sterowanie odbywa si˛e najcz˛e´sciej za pomoc ˛ a napi˛ecia stałego na poziomie 6 V, 12 V lub 24 V.

Mnogo´s´c systemów automatyki w budynkach, gdzie przeka´zniki elektromagnetyczne s ˛ a wykorzystywane niezwykle cz˛esto, ´swiadczy o znacznym zainteresowaniu tymi urz ˛ adze- niami. Przeka´zniki znajduj ˛ a zastosowanie do sterowania obwodów odbiorczych ogólnego prze- znaczenia, a tak˙ze roletami czy ogrzewaniem. Tym samym jest to kolejny przyczynek do pod- j˛ecia tematu rozprawy.

W czasie swojej pracy przeka´zniki nara˙zone s ˛ a na szereg procesów, które mog ˛ a niekorzyst-

nie oddziaływa´c na ich układ stykowy. Do procesów tych zaliczy´c mo˙zna ł ˛ aczenie pr ˛ adów

roboczych, ł ˛ aczenie pr ˛ adów przet˛e˙zeniowych, a w szczególno´sci zwarciowych oraz nagrzewa- nie styków wywołane przepływem tych pr ˛ adów. Procesowi ł ˛ aczenia towarzyszy szereg zjawisk, które prowadz ˛ a do erozji powierzchni stykowej, a w skrajnym przypadku nawet do uszkodze- nia przeka´znika. Do zjawisk tych zaliczy´c mo˙zna odskoki styków, wyst˛epowanie wst˛epnego wyładowania łukowego podczas zał ˛ aczania obci ˛ a˙zenia, a tak˙ze palenie si˛e łuku elektrycznego w trakcie jego wył ˛ aczania.

Erozja b˛edzie prowadziła do zmiany topografii powierzchni stykowej. Modyfikacja ta b˛e- dzie manifestowa´c si˛e poprzez zmian˛e warto´sci rezystancji przej´scia zestyku. Tym samym wpływ procesów elektrodowych mo˙ze zosta´c powi ˛ azany z warto´sci ˛ a tej wielko´sci.

Dost˛epna literatura opisuje szereg procesów elektrodowych oraz powi ˛ azanych z nimi zmian rezystancji przej´scia. Opis ten dotyczy jednak przede wszystkich aparatów elektroenergetycz- nych pracuj ˛ acych przy znacznych warto´sciach napi˛ecia i pr ˛ adu. Cz˛esto te˙z przedstawiane s ˛ a te zagadnienia w odniesieniu do układów niskonapi˛eciowych pr ˛ adu stałego, rz˛edu kilku- nastu woltów. W ocenie autora literatura przedmiotowa nie wyczerpuje tematu zwi ˛ azanego z podj˛etym zagadnieniem.

W niniejszej pracy zostan ˛ a opisane wybrane procesy elektrodowe w zakresie ich oddziały-

wania na styki przeka´zników elektromagnetycznych pr ˛ adu przemiennego, pracuj ˛ ace przy napi˛e-

ciu sieciowym. Dla tych procesów podj˛eto prób˛e powi ˛ azania ich wpływu na warto´s´c rezystan-

cji przej´scia układu stykowego. Podniesiono ponadto zagadnienie wła´sciwego zabezpieczenia

przeka´zników w zakresie ich ochrony przed skutkami przepływu pr ˛ adów zwarciowych.

2. Przeka´zniki elektromagnetyczne pr ˛ adu przemiennego

2.1. Miejsce przeka´zników pr ˛ adu przemiennego w klasyfikacji ł ˛ aczników elektroenergetycznych

Ł ˛ aczniki elektroenergetyczne s ˛ a powszechnie stosowanymi aparatami w instalacjach elek- trycznych. Ich ogromna ró˙znorodno´s´c wykorzystywana na ka˙zdym odcinku systemu elektro- energetycznego, od elektrowni, poprzez dystrybucj˛e a˙z do ko´ncowych odbiorników energii elektrycznej powoduje, ˙ze znajduj ˛ a si˛e one w ci ˛ agłym zainteresowaniu zarówno naukowców, jak i producentów. Ze wzgl˛edu na znaczne zró˙znicowanie zastosowa´n ł ˛ aczników elektroener- getycznych stosuje si˛e ich klasyfikacj˛e według nast˛epuj ˛ acych kryteriów [1]:

a) ze wzgl˛edu na sił˛e nap˛edzaj ˛ ac ˛ a styki ruchome i sposób utrzymania tych styków w poło˙zeniu ustalonym:

— ł ˛ aczniki zamkowe,

— ł ˛ aczniki stycznikowe;

b) ze wzgl˛edu na zdolno´s´c ł ˛ aczników do przerywania pr ˛ adów:

— odł ˛ aczniki,

— rozł ˛ aczniki,

— wył ˛ aczniki;

c) ze wzgl˛edu na rodzaj ´srodowiska decyduj ˛ acego o warunkach gaszenia łuku:

— pró˙zniowe,

— gazowe,

— cieczowe,

— gazowydmuchowe.

Przeka´znik elektromagnetyczny jest to aparat przeznaczony to wywoływania nagłej i zde- finiowanej zmiany w jednym lub wielu obwodach wyj´sciowych przy spełnieniu okre´slonych warunków w elektrycznych obwodach wej´sciowych nim steruj ˛ acych [2]. Na podstawie tej de- finicji oraz innych zamieszczonych w normie IEC 60050 została zaproponowana klasyfikacja przeka´zników, przedstawiona na rysunku 2.1.

Innym aparatem elektrycznym, przeznaczonym do ł ˛ aczenia obwodów elektrycznych jest

stycznik, a w instalacjach elektrycznych niskiego napi˛ecia cz˛esto jest to stycznik instalacyjny

w obudowie modułowej. Nie nale˙zy stosowa´c tych aparatów zamiennie, pomimo tego, ˙ze oba

przeznaczone s ˛ a do ł ˛ aczenia obwodów. Styczniki przeznaczone s ˛ a do ł ˛ aczenia, przewodzenia

i wył ˛ aczania znamionowych pr ˛ adów roboczych jak i okre´slonych pr ˛ adów przet˛e˙zeniowych [2].

Porównuj ˛ ac te dwie definicje oczywiste staje si˛e to, ˙ze aparaty te spełniaj ˛ a w obwodach od- mienne funkcje.

Przeka´zniki elektromagnetyczne, b˛ed ˛ ace obiektem bada´n, s ˛ a powszechnie stosowane we wszelkiego rodzaju układach i urz ˛ adzeniach elektrycznych, w tym mi˛edzy innymi w:

— układach sterowania automatyki elektroenergetycznej,

— układach sterowania procesów technologicznych,

— instalacjach elektrycznych,

— sterownikach PLC,

— elementach automatyki budynkowej.

Rysunek 2.1. Propozycja klasyfikacji przeka´zników niskiego napi˛ecia

Przeka´zniki mo˙zna charakteryzowa´c, mi˛edzy innymi, na podstawie ich parametrów elek- trycznych i mechanicznych. Do parametrów tych mo˙zna zaliczy´c:

— ilo´s´c i rodzaj zestyków,

— materiał styków,

— znamionowe / maksymalne napi˛ecie pracy,

— znamionowy pr ˛ ad roboczy (lub moc) obci ˛ a˙zenia w zale˙zno´sci od kategorii u˙zytkowania,

— maksymalny pr ˛ ad zał ˛ aczania,

— maksymalna cz˛esto´s´c ł ˛ acze´n,

— napi˛ecie znamionowe cewki,

— znamionowy pobór mocy przez cewk˛e,

— trwało´s´c ł ˛ aczeniowa,

— trwało´s´c mechaniczna.

Parametry te mog ˛ a równie˙z opisywa´c styczniki. Ró˙znice pomi˛edzy stycznikami a przeka´z-

nikami mo˙zna zauwa˙zy´c zagł˛ebiaj ˛ ac si˛e w dane ich katalogowe. Jednym z parametrów opisu-

j ˛ acy dany aparat jest zdolno´s´c ł ˛ aczeniowa uzale˙zniona od kategorii u˙zytkowania (tablica 2.1).

Dla styczników cz˛esto podawane s ˛ a moce lub pr ˛ ady ł ˛ aczeniowe w kategoriach AC3 lub AC4.

Odmiennie przedstawia si˛e sytuacja dla przeka´zników, gdzie za podstawow ˛ a kategori˛e u˙zyt- kowania uznaje si˛e AC1, rzadziej podaje si˛e dane dla kategorii AC2 lub wy˙zszej. Dodatkowo przeka´zniki cechuj ˛ a si˛e mniejszymi warto´sciami pr ˛ adów roboczych, które dla nich osi ˛ agaj ˛ a przewa˙znie warto´sci nie przekraczaj ˛ ace 16 A, podczas gdy dla styczników pr ˛ ady znamionowe robocze s ˛ a najcz˛e´sciej nie mniejsze ni˙z 20 A.

Tablica 2.1. Warunki zał ˛ aczania i wył ˛ aczania ł ˛ aczników w zale˙zno´sci od ich kategorii u˙zytkowania [3]

Kategoria u˙zytkowa-

nia

Warunki zał ˛ aczania i wył ˛ aczania I c /I e U r /U e cos ϕ

Czas zał ˛ aczenia

Czas

przerwy Liczba

cykli ł ˛ acze- niowych

[s] [s]

AC1 1,5 1,05 0,8 0,05 2) 50

AC2 4 1,05 0,65 0,05 2) 50

AC3 8 1,05 1) 0,05 2) 50

AC4 10 1,05 1) 0,05 2) 50

I c — pr ˛ ad zał ˛ aczalny lub wył ˛ aczalny — warto´s´c skuteczna składowej okresowej pr ˛ adu przemiennego

I _e — pr ˛ ad znamionowy ł ˛ aczeniowy

U _r — napi˛ecie powrotne o cz˛estotliwo´sci sieciowej U e — napi˛ecie znamionowe ł ˛ aczeniowe

cos _ϕ — współczynnik mocy obwodu probierczego

1) cos _ϕ wynosi 0,45 dla I _e 6 100 A i 0,35 dla I e > 100 A

2) patrz tablica 2.2

Tablica 2.2. Zale˙zno´s´c mi˛edzy pr ˛ adem wył ˛ aczalnym I c a czasem wył ˛ aczania przy sprawdzaniu zdolno-

´sci zał ˛ aczania i wył ˛ aczania stycznika [3]

Pr ˛ ad wył ˛ aczalny I c Czas przerwy

[A] [s]

I _c 6 100 10

100 6 I ^c 6 200 20 200 6 I c 6 300 30 300 6 I c 6 400 40 400 6 I ^c 6 600 60 600 6 I c 6 800 80 800 6 I c 6 1000 100 1000 6 I ^c 6 1300 140 1300 6 I c 6 1600 180 1600 > I c 240

2.2. Budowa i zasada działania przeka´zników elektromagnetycznych niskiego napi˛ecia

Przeka´zniki elektromagnetyczne niskiego napi˛ecia mog ˛ a zosta´c wykonane na kilka sposo- bów, w tym przeznaczone do monta˙zu na płytce drukowanej PCB, montowane powierzchniowo w technologii SMT, a tak˙ze montowane w gniazdach wtykowych. Przeka´zniki montowane s ˛ a cz˛esto w elementach sterowniczych, np. w przeka´znikach programowalnych czy modułach systemów automatyki budynkowej na płytce drukowanej PCB (rys. 2.2).

Rysunek 2.2. Moduł logiczny systemu automatyki budynkowej LCN wraz z zaznaczonymi przeka´zni- kami

Elementami konstrukcyjnymi przeka´zników s ˛ a [4]:

— korpus (osłona przeciwpyłowa),

— mechanizm nap˛edowy (cewka elektromagnesu),

— tory pr ˛ adowe (w tym styki),

— wyprowadzenia styków i cewki.

Elementy te przedstawiono na rysunku 2.3.

Przeka´zniki, podobnie jak styczniki, mo˙zna okre´sli´c jako ł ˛ aczniki zestykowe mechani- zmowe. Oznacza to, ˙ze przestawienie ich styków ruchomych z poło˙zenia otwarcia do zamkni˛e- cia i odwrotnie odbywa si˛e w sposób jednoznaczny i powtarzalny, dzi˛eki oparciu struktury przeka´znika na odpowiednich mechanizmach, oraz ˙ze jest wynikiem pracy wykonywanej przez nap˛edy ł ˛ acznika [5]. Działanie mechanizmu nap˛edowego, jakim jest elektromagnes jest nast˛e- puj ˛ ace: po zał ˛ aczeniu napi˛ecia elektromagnes przyci ˛ aga zwor˛e, pokonuj ˛ ac tarcie, ci˛e˙zar ele- mentów ruchomych (przy uło˙zeniu pionowym równie˙z ci˛e˙zar popychacza) i w ostatniej fazie ruchu zwory — spr˛e˙zysto´s´c styku ruchomego. Styki pozostaj ˛ a w pozycji wymuszonej, dopóki jest zasilany elektromagnes nap˛edowy [6].

a) b)

Rysunek 2.3. Budowa przykładowego przeka´znika elektromagnetycznego: a) przekrój przez przeka´z- nik, b) komora ł ˛ aczeniowa [7]

Zestykiem nazywa si˛e zespół dwóch styków przeznaczonych do wchodzenia ze sob ˛ a w styczno´s´c i/lub do pozostawania ze sob ˛ a w styczno´sci. Styki wyst˛epuj ˛ a w budowie apa- ratów elektrycznych w postaci zło˙zonej lub prostej. Dzieli si˛e je na ruchome, tj. sprz˛e˙zone z mechanizmem nap˛edowym ł ˛ acznika, i nieruchome [5, 8]. Zestyki dziel ˛ a si˛e ogólnie (rys. 2.4) na ł ˛ aczeniowe (do wykonywania czynno´sci ł ˛ aczeniowych: zał ˛ aczania, wył ˛ aczania, przeł ˛ acza- nia) i nieł ˛ aczeniowe [5].

Kluczowym elementem przeka´znika elektromagnetycznego s ˛ a styczki. Ich zadaniem jest zapewnienie prawidłowego kontaktu elektrycznego z mo˙zliwe mał ˛ a strat ˛ a energii w styku i przy zachowaniu jego minimalnej rezystancji przej´scia. Powinny one charakteryzowa´c si˛e stabilno-

´sci ˛ a wła´sciwo´sci w czasie u˙zytkowania. Podczas operacji ł ˛ aczeniowych mog ˛ a by´c one nara˙zone na potencjalnie niebezpieczne zjawiska, spo´sród których mo˙zna wymieni´c sczepianie, odskoki czy erozj˛e [9, 10].

Zestyki mo˙zna skategoryzowa´c w nast˛epuj ˛ acy sposób [11]:

Rysunek 2.4. Klasyfikacja zestyków [5]

Niskopr ˛ adowe przeznaczone do działania przy niskich pr ˛ adach i przy napi˛eciu do 250 V.

Istotn ˛ a cech ˛ a materiałów stykowych wykorzystywanych w tego typu styczkach jest niska i stabilna rezystancja przej´scia. Znajduj ˛ a one zastosowanie w obwodach sterowniczych, automatyki ogólnego przeznaczenia, telekomunikacyjnych, itp.

´Sredniopr ˛ adowe wykorzystywane w obwodach na napi˛ecie do 1000 V i o pr ˛ adach wi˛ekszych ni˙z 5 A. Wa˙znym czynnikiem wyboru materiału stykowego dla takich styczek jest odpor- no´s´c na sczepianie oraz erozj˛e łukow ˛ a. Stosowane s ˛ a w aparatach steruj ˛ acych w przemy´sle, budownictwie mieszkalnym czy w instalacjach przesyłowych.

Silnopr ˛ adowe do stosowania w obwodach pracuj ˛ acych przy wysokim napi˛eciu (nawet do kil- kuset kilowoltów) i przy pr ˛ adach ł ˛ aczeniowych rz˛edu kilku do kilkudziesi˛eciu kiloamperów.

Producenci przeka´zników stosuj ˛ a ró˙zne kształty styczek, zgodnie z rozwi ˛ azaniami projek- towymi przeka´zników i zastosowaniami wytwarzanych produktów. Stosowane jest równie˙z okre´slenie „nit” zamiast „styczka” spotykane w katalogach oraz w literaturze angloj˛ezycznej (ang. rivet). Styczki mog ˛ a by´c wykonane jako pełne, bimetalowe lub trimetalowe (rys. 2.5).

Ł ˛ aczenie styczek z innymi elementami toru pr ˛ adowego mo˙ze odbywa´c przy wykorzystaniu procesów mechanicznych, spawania lub lutowania [12].

Styczki bimetalowe i trimetalowe wykonywane s ˛ a w technologii metalurgii proszków lub,

w przypadku wykorzystania tlenków metali, w procesie tzw. wewn˛etrznego utleniania. Mog ˛ a

one zosta´c wykonane w technologii ł ˛ aczenia na zimno lub na gor ˛ aco. W pierwszym przy-

padku ł ˛ aczenie dwóch metali nast˛epuje wył ˛ aczenie przy udziale znacznej siły docisku, bez

dodatkowego udziału ciepła. Siła ta musi by´c na tyle du˙za, aby materiały te poł ˛ aczyły siły

atomowe. W drugim przypadku wykorzystywany jest krótkotrwały przepływ pr ˛ adu w celu

rozgrzania materiałów. Przy wykorzystaniu tlenków metali w materiałach stykowych, w tej

metodzie, tworz ˛ a si˛e nieprzewodz ˛ ace obszary, znacznie zmniejszaj ˛ ace sił˛e poł ˛ aczenia mi˛edzy

nimi. Z tego powodu ł ˛ aczenie na zimno jest cz˛e´sciej stosowane dla materiałów stykowych

z domieszk ˛ a tlenków. Nity pełne produkowane s ˛ a najcz˛e´sciej z drutów, wykonanych z danego

materiału stykowego, a ich kształt uzyskiwany jest w procesach obróbki kucia na zimno [13].

a)

b)

Rysunek 2.5. Kształty i struktura nitów stykowych (a) oraz formy styków po ich zamontowaniu (b) [7]

Jak wspomniano wcze´sniej przeka´zniki elektromagnetyczne stosowane s ˛ a m.in. w ukła- dach sterowania automatyki elektroenergetycznej, sterownikach PLC czy elementach wyko- nawczych automatyki budynkowej [14]. Stosowane s ˛ a w nich tzw. przeka´zniki miniaturowe do gniazd wtykowych i obwodów drukowanych [7, 15]. Wykorzystanie takiego rodzaju prze- ka´zników zaprezentowano na rysunku 2.2. Materiały stosowane na styczki to najcz˛e´sciej spieki srebra z metalami, jak na przykład AgNi, a w szczególno´sci z tlenkami metali, czyli: AgCdO oraz AgSnO ₂ [7, 15, 16]. Z uwagi na powszechno´s´c zastosowa´n wybrano do bada´n, jako repre- zentatywne dla grupy przeka´zników miniaturowych, nast˛epuj ˛ ace modele, których producentem jest firma Relpol S.A.:

— RM85-2011-35-1012 (rys. 2.6a),

— RM85-3011-35-1012,

— RM85-5021-25-1012,

— RM83-1011-25-1012 (rys. 2.6b).

Wybrane modele charakteryzuj ˛ a si˛e znamionowym pr ˛ adem roboczym wynosz ˛ acym 16 A

AC, napi˛eciem pracy 250 V AC oraz napi˛eciem sterowania 12 V DC. Styczki ka˙zdego

z nich wykonane były z ró˙znych materiałów stykowych. Wybrane informacje techniczno-

eksploatacyjne przedstawiono w tablicy 2.3.

Tablica 2.3. Wybrane parametry badanych przeka´zników elektromagnetycznych niskiego napi˛ecia [7]

Dane styku Model przeka´znika

RM85-2011- 35-1012

RM85-3011- 35-1012

RM85-5021- 25-1012

RM83-1011- 25-1012

Materiał stykowy AgNi AgSnO 2 AgSnO 2 P AgCdO

Znamionowy pr ˛ ad obci ˛ a-

˙zenia (w kategorii AC1)

16 A 16 A 16 A 16 A

Maksymalny pr ˛ ad zał ˛ a- czania

– 30 A 80 A 20 ms –

Obci ˛ a˙zalno´s´c pr ˛ adowa trwała zestyku

16 A 16 A 16 A 16 A

Rezystancja zestykowa 6 100 mΩ 6 100 mΩ 6 100 mΩ 6 100 mΩ Trwało´s´c ł ˛ aczenia (liczba

ł ˛ acze´n w kategorii AC1)

> 0,7 × 10 ⁵ > 0,7 × 10 ⁵ > 10 ⁵ > 10 ⁵ Trwało´s´c mechaniczna

(cykle)

> 3 × 10 ⁷ > 3 × 10 ⁷ > 3 × 10 ⁷ > 3 × 10 ⁷

P – styki przeka´znika wykonane jako pełne

a) b)

Rysunek 2.6. Widok wybranych przeka´zników elektromagnetycznych: a) – model RM85, b) – model

RM83

2.3. Zasady doboru zabezpiecze ´n nadmiarowopr ˛ adowych do ochrony przeka´zników

Urz ˛ adzenia elektryczne nara˙zone s ˛ a podczas pracy na wyst˛epowanie zakłóce´n, w tym zwar´c i przeci ˛ a˙ze´n. Mog ˛ a one prowadzi´c do uszkodzenia urz ˛ adzenia lub zmniejszenia jego trwało´sci (np. liczby ł ˛ acze´n). W celu zminimalizowania negatywnych skutków zakłóce´n, nale˙zy do- bra´c urz ˛ adzenie do rodzaju pracy oraz aparaty zabezpieczaj ˛ ace, w celu jego ochrony. Poniewa˙z przeka´zniki elektromagnetyczne przeznaczone s ˛ a do zał ˛ aczania i wył ˛ aczania pr ˛ adów roboczych przy du˙zej liczbie ł ˛ acze´n (podobnie jak styczniki) to mo˙zna cz˛e´sciowo skorzysta´c z podstawo- wych zasad doboru dotycz ˛ acych wła´snie styczników. Podstawowe zasady doboru styczników s ˛ a nast˛epuj ˛ ace [8, 17]:

napi˛ecie – napi˛ecie znamionowe ł ˛ acznika powinno odpowiada´c napi˛eciu sieci,

pr ˛ ad – pr ˛ ad znamionowy ci ˛ agły nie mo˙ze by´c mniejszy ni˙z przewidywany pr ˛ ad roboczy, zdolno´s´c ł ˛ aczeniowa – pr ˛ ad znamionowy szczytowy nie mo˙ze by´c mniejszy ni˙z zwarciowy

pr ˛ ad udarowy,

pr ˛ ad krótkotrwały – pr ˛ ad znamionowy jednosekundowy nie mo˙ze by´c mniejszy ni˙z ustalony pr ˛ ad zwarciowy.

Przy doborze ł ˛ aczników, poza parametrami podstawowymi, nale˙zy zwróci´c uwag˛e na speł- nienie wymaga´n wynikaj ˛ acych z warunków ł ˛ aczeniowych (tab. 2.1). Zdolno´s´c ł ˛ aczenia jest okre´slona jednoznacznie, je˙zeli s ˛ a podane [4]:

— napi˛ecie ł ˛ aczeniowe,

— pr ˛ ad ł ˛ aczeniowy przy tym napi˛eciu ł ˛ aczeniowym,

— kategoria u˙zytkowania,

— cz˛esto´s´c ł ˛ acze´n.

Zdolno´s´c ł ˛ aczeniowa niskonapi˛eciowych przeka´zników podawana jest przewa˙znie w odnie- sieniu do kategorii u˙zytkowania AC1. Doboru przeka´znika nale˙zy dokona´c na podstawie jego parametrów znamionowych, takich jak pr ˛ ad roboczy czy moc zał ˛ aczanego odbiornika oraz cz˛e- sto´s´c ł ˛ acze´n. Wykorzystanie przeka´znika do ł ˛ acze´n w kategorii innej, cz˛esto AC3, prowadzi do znacznego ograniczenia mocy ł ˛ aczeniowej oraz zmniejszenia trwało´sci ł ˛ aczeniowej. Za- silanie odbiorników o ró˙znych współczynnikach mocy wi ˛ a˙ze si˛e równie˙z ze zmniejszeniem trwało´sci ł ˛ aczeniowej przeka´zników. Przykładowa trwało´s´c ł ˛ aczeniowa, w funkcji współczyn- nika mocy obci ˛ a˙zenia, przedstawiona została na rysunku 2.7. Trwało´s´c ta wyznaczona jest dla kategorii AC1 i jest zale˙zna od mocy zał ˛ aczanej.

Dla współczynnika mocy 0,45 współczynnik redukcji odczytany z wykresów jest równy 0,75. Oznacza to, ˙ze maksymalna trwało´s´c ł ˛ aczeniowa zmniejsza si˛e o 25 % i wynosi w przy- bli˙zeniu 0,5 × 10 ⁵ .

W celu ochrony od skutków zwar´c i przeci ˛ a˙ze´n w obwodach ze sterownikami stosuje si˛e wył ˛ aczniki nadmiarowopr ˛ adowe (instalacyjne). Obowi ˛ azek ten wynika z rozporz ˛ adzenia [18].

Charakterystyki pasmowe wył ˛ aczników instalacyjnych przedstawiono na rysunku 2.8.

Rysunek 2.7. Trwało´s´c ł ˛ aczeniowa przeka´zników, w funkcji współczynnika mocy obci ˛ a˙zenia, cz˛esto´s´c ł ˛ acze´n: 600 cykli/h [7]

Podstawowymi kryteriami doboru zabezpieczenia przet˛e˙zeniowego b˛edzie jego pr ˛ ad zna- mionowy roboczy i charakterystyka czasowo-pr ˛ adowa. W odniesieniu do warto´sci pr ˛ adu rozru- chowego, dla poszczególnych kategorii u˙zytkowania, dobór zabezpieczenia b˛edzie nast˛epuj ˛ acy:

dla kategorii AC1 – wył ˛ acznik o charakterystyce B, AC2 – C oraz dla AC3 i AC4 wył ˛ acznik o charakterystyce D. Dobór ten jest uzale˙zniony od maksymalnej warto´sci pr ˛ adu rozruchowego odbiornika, który nie spowoduje zadziałania zabezpieczenia w warunkach normalnej bezawa- ryjnej pracy. Ograniczy to ilo´s´c zb˛ednych zadziała´n zabezpieczenia [19].

Rysunek 2.8. Charakterystyki czasowo-pr ˛ adowe wył ˛ aczników instalacyjnych [20]

Pr ˛ ad znamionowy roboczy zabezpieczenia I _n musi by´c równy lub wi˛ekszy od pr ˛ adu odbior- nika I b oraz mniejszy lub równy pr ˛ adowi znamionowemu roboczemu przeka´znika I p :

I _b 6 I n 6 I p (2.1)

Je˙zeli odbiornik pracuje w kategorii innej ni˙z AC1 nale˙zy ograniczy´c jego moc oraz zmniej- szy´c warto´s´c znamionowego pr ˛ adu zabezpieczenia [19].

Dobór instalacyjnych zabezpiecze´n nadpr ˛ adowych w celu ochrony od skutków działania

pr ˛ adów zwarciowych jest opisany w literaturze [21, 22, 23]. Dobór ten nale˙zy rozpocz ˛ a´c

od wyznaczania parametrów spodziewanego pr ˛ adu zwarciowego, w szczególno´sci jego warto´sci

skutecznej I ” _k . Nast˛epnie nale˙zy porówna´c dane katalogowe wybranych aparatów zabezpie-

czaj ˛ acych z otrzymanymi wynikami. Po stwierdzeniu, ˙ze dobrane aparaty spełniaj ˛ a okre´slone

wymagania, mo˙zna uzna´c, ˙ze s ˛ a dobrane poprawnie.

3. Materiały stykowe

3.1. Podstawowe parametry i wła´sciwo´sci materiałów stykowych

Wybór wła´sciwego materiału stykowego uzale˙zniony jest od warunków ich eksploatacji.

Wpływ na prac˛e styków maj ˛ a zjawiska fizyczne i chemiczne, takie jak [24]:

— przewodzenie pr ˛ adu elektrycznego,

— korozja powierzchni styczno´sci (np. utlenianie),

— erozja łukowa (obecno´s´c wyładowania elektrycznego w obszarze styczno´sci),

— erozja mostkowa (przenoszenie materiału pomi˛edzy elektrodami),

— erozja mechaniczna (zwi ˛ azana z deformacj ˛ a plastyczn ˛ a),

— wpływ ´srodowiska (temperatura, wilgotno´s´c, zanieczyszczenia).

Materiały stykowe mog ˛ a by´c scharakteryzowane nast˛epuj ˛ acymi wła´sciwo´sciami [24, 25]:

— składem chemicznym,

— g˛esto´sci ˛ a [kg m ⁻³ ],

— temperatur ˛ a mi˛ekni˛ecia [ ^◦ C],

— temperatur ˛ a topnienia [ ^◦ C],

— twardo´sci ˛ a [HB/HV],

— przewodno´sci ˛ a ciepln ˛ a [W m ⁻¹ K ⁻¹ ],

— rezystywno´sci ˛ a [Ω m],

— modułem spr˛e˙zysto´sci [MPa],

— współczynnikiem cieplnym rezystywno´sci [K ⁻¹ ].

W zale˙zno´sci od zastosowania przeka´znika pojawia si˛e pytanie o wybór najlepszego ma- teriału stykowego. Podczas ł ˛ aczenia obwodów czysto-rezystancyjnych, takich jak ogrzewa- nie elektryczne czy lampy ˙zarowe, nara˙zenia ł ˛ aczeniowe przewa˙znie nie powinny by´c gro´zne w skutkach. Z tego powodu materiał stykowy, który mo˙ze by´c u˙zyty, nie wymaga wysokiej odporno´sci na działania łuku elektrycznego czy sczepianie.

Obwód elektryczny z niskim współczynnikiem mocy, czyli o znacznej warto´sci indukcy- jno´sci lub pojemno´sci, charakteryzuje si˛e du˙zo gorszymi warunkami w trakcie operacji ł ˛ acze- niowych. Dla tych typów układów konieczne jest, aby styczki były wykonane z wła´sciwego materiału, który ma wysok ˛ a odporno´s´c na działania łuku elektrycznego i sczepianie. Zjawiska te zwi ˛ azane s ˛ a z paleniem si˛e łuku elektrycznego, który wyst˛epuje podczas wył ˛ aczania obci ˛ a-

˙zenia indukcyjnego czy te˙z przet˛e˙zeniami ł ˛ aczeniowymi przy zał ˛ aczaniu obwodów pojemno-

´sciowych. W wył ˛ acznikach pr ˛ adu przemiennego niskiego napi˛ecia cz˛esto wykorzystywanymi

materiałami s ˛ a AgC, AgW, a tak˙ze AgMo [26, 27, 28].

Istnieje wiele materiałów, które mog ˛ a by´c wykorzystane w stykach. Materiałami tymi s ˛ a mi˛edzy innymi:

— czyste metale: mied´z (Cu), srebro (Ag), złoto (Au), wolfram (W), platyna (Pt), pallad (Pd) i molibden (Mo),

— spieki i stopy: AgCdO, AgNi, AgSnO ₂ , AgPd, AgW, AuPt, AuAg, AuNi, PtIr, PtNi, PdCr, PdNi, CuW, AgNiW, CuCr, Ag-grafit.

Własno´sci wybranych materiałów stykowych przedstawiono w tablicy 3.1. Przedstawiono w niej równie˙z porównanie przewodno´sci elektrycznej tych materiałów w stosunku do przewod- no´sci elektrycznej srebra. Materiał te został wykorzystany jako punkt odniesienia ze wzgl˛edu na cz˛este jego wykorzystanie w materiałach stykowych stosowanych w przeka´znikach.

Tablica 3.1. Własno´sci wybranych materiałów stykowych [24]

Spieki Ci˛e˙zar wła´sciwy Twardo´s´c Rezystywno´s´c Przewodno´s´c [kg m ⁻³ ] [HV] [10 ⁻⁸ Ω m]

elektryczna w stosunku do srebra

Srebro 10500 25 1,65 100

Mied´z 8900 35 1,80 92

Złoto 19300 20 2,3 72

Platyna 21400 40 11 15

Pallad 12000 32 10,8 15

Wolfram 19500 350 5,5 30

Molibden 10000 250 5,8 28

Podstawowymi materiałami wykorzystywanymi do produkcji styków s ˛ a mied´z i srebro.

Mied´z jest metalem tanim, na którym łatwo tworz ˛ a si˛e warstwy tlenków i siarczków. Wy-

magane jest aby mechanizm ł ˛ acznik wywierał du˙ze siły nacisku na styki miedziane. Jest ona

u˙zywana na przykład w ł ˛ acznikach wysokiego napi˛ecia czy te˙z wył ˛ acznikach olejowych. Srebro

charakteryzuje si˛e nisk ˛ a temperatur ˛ a topnienia. Czyste styki srebrne, w porównaniu do spieków

i stopów ze srebrem, łatwo mog ˛ a ulega´c sczepianiu. Nie nadaje si˛e ono do styków nara˙zonych

na ´scieranie, ani do przewodzenia du˙zych pr ˛ adów [11]. Tlenki srebra s ˛ a przewodz ˛ ace, nato-

miast siarczki srebra s ˛ a ´zle przewodz ˛ ace jednak ulegaj ˛ a rozkładowi w temperaturze powy˙zej

300 ^◦ C [29]. Posrebrzane styki s ˛ a stosowane w obwodach wysokiej cz˛estotliwo´sci. Kolejnym

materiałem stykowym jest złoto. Styki ze złota charakteryzuj ˛ a si˛e mał ˛ a rezystancj ˛ a przej´scia,

s ˛ a równie˙z odporne chemicznie. Niestety wykazuj ˛ a skłonno´s´c do upalania si˛e, spawania oraz

tzw. w˛edrówki materiału stykowego. Złoto stosowane jest w celu galwanicznego pokrycia

styków w przeka´znikach teletechnicznych. Platyna jest materiałem opornym na zu˙zycie mecha-

niczne i elektryczne oraz upalanie i korozj˛e. Jej wad ˛ a jest znacznie mniejsza od srebra i miedzi

przewodno´s´c elektryczna oraz znaczna cena. Stosowana jest na styki o du˙zej niezawodno´sci.

Porównywalnym materiałem jest Pallad, który jest odporny na upalanie i ta´nszy ni˙z platyna.

Stosowany jest w stykach teletechnicznych, do przerywaczy kierunkowskazów oraz jako po- krycie galwaniczne. Wolfram charakteryzuje si˛e bardzo wysok ˛ a temperatur ˛ a topnienia, wysok ˛ a odporno´sci ˛ a na upalanie styków i sczepianie. Materiał ten jest mało odporny na utlenianie. Dla styków wolframowych układy nap˛edowe musz ˛ a charakteryzowa´c si˛e znacznymi siłami docisku.

Wolfram stosowany jest na styki opalne w wył ˛ acznikach. Kolejnym materiałem jest molibden, który wykazuje wi˛eksz ˛ a ni˙z wolfram skłonno´s´c do utleniania jednak przy mniejszej skłonno´sci do upalania. Stosowany jest w wył ˛ acznikach wysokiego napi˛ecia.

Cz˛e´sciej ni˙z styki z czystego srebra b ˛ ad´z miedzi stosowane s ˛ a rozwi ˛ azania oparte na spie- kach. Przykładowo, dodatek chromu do styku miedzianego, stosowany w wył ˛ acznikach pró˙z- niowych ´srednich napi˛e´c, wpływa na zwi˛ekszenie łukoodporno´sci [30]. W tablicy 3.2 przedsta- wiono zestawienie wła´sciwo´sci fizycznych wybranych proszkowych materiałów stosowanych na styczki.

Tablica 3.2. Własno´sci wybranych proszkowych materiałów stykowych, stosowanych na styczki ł ˛ aczni- ków niskonapi˛eciowych [31]

Spieki Ci˛e˙zar wła´sciwy Twardo´s´c Rezystywno´s´c Przewodno´s´c % [kg m ⁻³ ] [HV] [10 ⁻⁸ Ω m]

elektryczna w stosunku do miedzi

cieplna w stosunku do srebra

Srebro 10500 26 1,6 106 100

Cu – W (spie- kany)

12800 140 4,6 41 45

Cu – W (szkie- let nasycany)

15200 240 6,1 28 32

Ag – W (spie- kany)

13600 115 2,8 61 66

Ag – W (szkie- let nasycany)

15600 220 4,0 43 55

Ag – w˛eglik W 12500 110 3,0 57 —

Ag – Mo 10300 150 3,3 52 60

Ag – tlenek Cd 10000 58 2,1 82 88

Ag – Ni 9900 68 2,4 72 74

Ag - grafit 9700 40 2,0 86 90

Dla styków ruchomych, gdzie wymagana jest niezawodno´s´c działania przy wielu ł ˛ aczeniach

i odpowiednia trwało´s´c styczek, istotne staje si˛e zagadnienie wła´sciwego doboru materiału. Jest

ono silnie zwi ˛ azane z przeznaczeniem styków (wył ˛ acznik, rozł ˛ acznik, odł ˛ acznik czy przeka´z-

nik) i z warunkami ich pracy (tab. 2.1).

Na podstawie własno´sci i przykładów zastosowa´n materiałów stykowych, przedstawionych przez Celi´nskiego [32], z uwzgl˛ednieniem podziału przedstawionego w rozdziale 2.2, zapropo- nowano ich podział, który przedstawiono w tablicy 3.3. Niektóre materiału wyst˛epuj ˛ a w wi˛ecej ni˙z jednej grupie. Wynika to mo˙zliwo´sci ich szerszego stosowania.

Tablica 3.3. Materiały stykowe stosowane w zale˙zno´sci od kategorii zestyków Słabopr ˛ adowe ´Sredniopr ˛adowe Silnopr ˛ adowe

srebro-nikiel wolfram-mied´z-nikiel wolfram-srebro-nikiel srebro-grafit wolfram-mied´z-kobalt wolfram-mied´z-nikiel srebro-tlenek kadmu srebro-nikiel wolfram-mied´z-kobalt

srebro-pallad srebro-grafit molibden

srebro-kadm srebro-wolfram wolfram

srebro-mied´z srebro-tlenek kadmu mied´z

pallad srebro-kadm mied´z-chrom

platyna srebro-mied´z

złoto wolfram

srebro złoto

mied´z mied´z-chrom srebro-tlenek cyny

3.2. Materiały stykowe wykorzystywane na styki przeka´zników niskiego napi˛ecia

Z szerokiego spektrum materiałów elektrotechnicznych srebro jest najcz˛e´sciej stosowane

do wyrobu styczek słabo i ´sredniopr ˛ adowych. Zakres pr ˛ adów, na które wyrabia si˛e styczki

ze srebra, obejmuje przedział od 1 do 600 A, dla sił docisku wi˛ekszych ni˙z 0,15 N. Charak-

teryzuje si˛e ono najwy˙zsz ˛ a warto´sci ˛ a przewodno´sci elektrycznej i cieplnej spo´sród wszystkich

metali. Srebrne styczki, ze wzgl˛edu na ich plastyczno´s´c, mog ˛ a by´c wykonane w rozmaitych

kształtach. Jest równie˙z szeroko stosowane na powłoki zł ˛ aczy wykonanych z innych materia-

łów (przykładowo w stykach wykorzystywanych w telekomunikacji [31]). Do głównych wad

srebra zalicza si˛e: nisk ˛ a temperatur˛e topnienia i wrzenia, nisk ˛ a wytrzymało´s´c mechaniczn ˛ a,

mo˙zliwo´s´c sczepiania si˛e styków oraz tendencj˛e do tworzenia si˛e warstw siarczkowych (mato-

wienie) [11]. Wpływ ró˙znych dodatków na popraw˛e wybranych wła´sciwo´sci srebra przedsta-

wiono w tablicy 3.4.

Tablica 3.4. Wpływ dodatków na popraw˛e wybranych wła´sciwo´sci srebra [11]

Wła´sciwo´s´c Dodatek

Wzrost odporno´sci na łuk elektryczny Pb, Mg, Li, Zn, La, Sb Wzrost odporno´sci na ´scieranie Cu, Ni, Pd, Li Zmniejszenie tarcia ´slizgowego In, Zn, Sn, C Zwi˛ekszenie odporno´sci na sczepianie In, Zn, Mn, tlenki metali

Warto zauwa˙zy´c, ˙ze styki wykonane np. z AgCdO charakteryzuj ˛ a si˛e wzrostem efektywno-

´sci gaszenia łuku elektrycznego, który wynika z rozpadu CdO i uwolnienia tlenu, przy tempe- raturze około 900 ^◦ C. Tlen ten chłodzi łuk i ułatwia jego gaszenie [24].

Szczególnie cz˛esto wykorzystywanymi materiałami stykowymi w przeka´znikach niskiego napi˛ecia s ˛ a: AgNi, AgCdO oraz AgSnO ₂ [7, 13, 15]. Ich wła´sciwo´sci fizyczne zostały przed- stawione w tablicy 3.5. Opis wybranych zastosowa´n jak i cech charakterystycznych jest nast˛e- puj ˛ acy [7, 13, 15]:

1. Stop srebro-nikiel (90% Ag-10% Ni) – jest najbardziej odpowiednim stopem wykorzysty- wanym na zestyki przeznaczone do przeł ˛ aczania obci ˛ a˙ze´n pr ˛ adu stałego, tak aby unika´c przemieszczania si˛e materiału pomi˛edzy elektrodami, które wyst˛epuje przy pr ˛ adzie stałym i przy ´srednim napi˛eciu i nat˛e˙zeniu pr ˛ adu.

2. Kompozyt srebro-tlenek kadmu (90% Ag-10% CdO) – ma szeroki zakres zastosowa´n w ob- ci ˛ a˙zeniach o wi˛ekszej mocy ni˙z AgNi ze wzgl˛edu na du˙z ˛ a odporno´s´c na sczepianie i zwi˛ek- szony efekt gaszenia łuku elektrycznego. Jego zakres zastosowania zawiera si˛e w granicach od 12 do 380 V AC i od 100 mA do 30 A. Jest on szczególnie stosowany do obci ˛ a˙ze´n rezystancyjnych i indukcyjnych.

3. Materiał srebro-tlenek cyny (dwutlenek) AgSnO ₂ – ma podobne własno´sci do AgCdO, jed- nak ma wy˙zsz ˛ a od niego stabilno´s´c termiczn ˛ a oraz odporno´s´c na przenoszenie materiału z jednego styku na drugi, co przekłada si˛e na wy˙zsz ˛ a trwało´s´c w zastosowaniach stałopr ˛ a- dowych. Styki AgSnO 2 zalecane s ˛ a równie˙z do zastosowa´n przy obci ˛ a˙zeniach wytwarza- j ˛ acych udary pr ˛ adowe oraz obci ˛ a˙zeniach indukcyjnych. Materiał AgSnO 2 wykorzystywany w badaniach autora zawiera niewielk ˛ a domieszk˛e tlenku indu (In ₂ O ₃ ).

Styczki mog ˛ a zosta´c pokryte dodatkow ˛ a warstw ˛ a materiału, maj ˛ ac ˛ a na celu polepszenie

ich niektórych wła´sciwo´sci (np. odporno´sci na w˛edrówk˛e materiału). Stosowane s ˛ a pokrycia

z cyny, srebra lub złota. Pokrycie styku warstw ˛ a cyny prowadzi do nieznacznego wzrostu rezy-

stancji zestyku w stosunku do materiału niepowleczonego. Warstwa srebra ma skutek odwrotny,

zmniejsza warto´s´c rezystancji przej´scia zestyku [34]. Materiały wykonane jako srebro-metal

lub srebro-tlenek metalu z reguły wykazuj ˛ a wysok ˛ a odporno´s´c na sczepianie [35]. Do´swiad-

czalnie wykazano, ˙ze cz˛estotliwo´s´c wyst˛epowania oraz siła sczepie´n przy zał ˛ aczaniu wzrasta

proporcjonalnie do warto´sci nat˛e˙zenia pr ˛ adu łuku zał ˛ aczeniowego, podczas gdy czas palenia

si˛e łuku takiego wpływu ju˙z nie ma [36]. Siła sczepienia styków nie wykazuje zale˙zno´sci

od statycznej siły docisku styków. Jest natomiast zale˙zna od pr˛edko´sci poruszania si˛e styku

ruchomego. Rozwa˙zania te s ˛ a słuszne przede wszystkim dla styków wykonanych z czystego srebra [36]. Szczególny wpływ na odporno´s´c na sczepianie i erozj˛e ma dodatek tlenku metalu do materiału stykowego [37].

Ze wzgl˛edu na ochron˛e ´srodowiska zostały podj˛ete kroki, maj ˛ ace na celu ograniczenie wy-

korzystania kadmu. Dyrektywa 2002/95/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 stycz-

nia 2003 w sprawie ograniczenia stosowania niektórych niebezpiecznych substancji w sprz˛ecie

elektrycznym i elektronicznym [38] stanowi, ˙ze pa´nstwa członkowskie zapewniaj ˛ a, i˙z od 1 lipca

2006 roku, w nowy sprz˛ecie elektrycznym i elektronicznym wprowadzonym do obrotu nie ma,

mi˛edzy innymi, kadmu. Jednak pó´zniejsza decyzja Komisji Europejskiej z dnia 21 pa´zdziernika

2005 r., zmieniaj ˛ aca (w celu dostosowania do post˛epu technicznego) Zał ˛ acznik do dyrektywy

2002/95/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie ograniczenia stosowania niektórych

niebezpiecznych substancji w sprz˛ecie elektrycznym i elektronicznym, umo˙zliwia korzystanie

z kadmu i jego zwi ˛ azków w stykach elektrycznych [39].

T ablica 3.5. Wła ´sciw o ´sci wybran ych materiałów styk o wych [33]

Materiał G ˛esto ´s´c T emperatura topnienia T emperatura wrzenia T w ardo ´s´c Prze w odnictw o cieplne przy 20 ◦ C Prze w odnictw o elektryczne Rezystywno ´s´c Metoda wytw arzania mi ˛ekki tw ardy

[kg m −3 ] [ ◦ C] [ ◦ C] [HV] [HV] [W K −1 m −1 ] [10 6 S] [10 −6 Ω m]

AgNi 0,15 10500 960 2200 55 100 415 58 0,017 Stop

AgCuNi 10400 940 2200 10 115 385 52 0,019 Stop

AgCu3 10400 930-938 2200 80 160 372 47,6 (mi ˛ekki) 0,021 (mi ˛ekki) Stop 43,4 (tw ardy) 0,023 (tw ardy)

AgCdO 10 10200 961 2200 70 110 307 48 0,021

spieki

AgSnO 2 9900 961 2200 70 110 b .d. 49 0,020

spieki

W 19300 3410 5930 — 130 18,18 0,055 Spieki

AgNi10 10300 961 2200 50 90 350 54 0,018 Spieki

4. Rezystancja zestykowa

4.1. Rezystancja zestykowa w uj˛eciu teoretycznym

Dwie stykaj ˛ ace si˛e styczki (nity) tworz ˛ a zestyk. Jego cech ˛ a charakterystyczn ˛ a jest rezystan- cja przej´scia. Zgodnie ze wzorem:

R _p = l

γS (4.1)

rezystancja elementu zale˙zy od trzech warto´sci: l – długo´sci przewodnika, równowa˙zna długo-

´sci strefy styczno´sci [m], γ – konduktywno´sci materiału [S], S – pola powierzchni przekroju [m ² ]. Istnieje trudno´s´c w ustaleniu długo´sci odcinka l , chocia˙zby ze wzgl˛edu na konstrukcj˛e sa- mych styczek. Rezystancja przej´scia zestyku jest jednak wi˛eksza, cz˛esto o kilka rz˛edów, od re- zystancji odcinka toru pr ˛ adowego wykonanego z danego materiału stykowego [24]. W przy- padku zestyku nie mo˙zna ustali´c powierzchni przekroju zestyku na podstawie jego wymiarów geometrycznych. Rzeczywista powierzchnia styczno´sci A r jest bowiem znacznie mniejsza ni˙z nominalna (pozorna) powierzchnia (rys. 4.1). Ró˙znica ta jest znaczna, a rzeczywista powierzch- nia styczno´sci A r mo˙ze stanowi´c około 5% powierzchni pozornej styku [40].

Rysunek 4.1. Mikrostruktura powierzchni styczno´sci styków z metali nieszlachetnych: 1 – strefy prze-

wodzenia metalicznego, 2 – strefy braku styczno´sci styków, 3 – strefy półprzewodz ˛ ace, 4 –

strefy nieprzewodz ˛ ace; A a – powierzchnia nominalna zestyku, A r – rzeczywista powierzchnia

styczno´sci, A c – obrysowa powierzchnia styczno´sci [40]

Wielko´s´c rzeczywistej powierzchni styczno´sci A r zale˙zna jest od rodzaju materiału styko- wego, jego twardo´sci czy sposobu obróbki. Na całej powierzchni materiału stykowego mo˙ze pojawi´c si˛e wi˛ecej ni˙z jedna strefa styczno´sci. Suma tych pojedynczych stref styczno´sci tworzy całkowit ˛ a (obrysow ˛ a) powierzchni˛e styczno´sci A c . Wi˛eksza cz˛e´s´c pozornej (nominalnej) po- wierzchni styczno´sci A a jest nieprzewodz ˛ aca. Cz˛e´s´c tej powierzchni jest półprzewodz ˛ aca i pod wpływem przepływu pr ˛ adu mo˙ze sta´c si˛e przewodz ˛ aca [40].

Ustalenie rezystancji zestyków na podstawie rzeczywistej powierzchni styczno´sci jest trudne. Mo˙zna wyró˙zni´c dwa czynniki maj ˛ ace istotny wpływ na rezystancj˛e przej´scia ze- styku [24]:

— kształt miejsca styczno´sci,

— warstwy nalotowe.

Najcz˛e´sciej aproksymuje si˛e pojedyncz ˛ a mikronierówno´s´c do okre´slonego kształtu geome- trycznego, np. kuli (model Holma) lub ostrosłupa (model Schaelchina), przy czym to model Holma jest głównym odniesieniem dla wi˛ekszo´sci prac [11, 24, 34, 40, 41, 42, 43]. Przyjmuj ˛ ac,

˙ze zestyk tworzony jest przez dwie półkuliste styczki (tworz ˛ ace kul˛e) mo˙zna w prosty sposób obliczy´c jego tzw. rezystancj˛e kształtu. Powierzchnia styczno´sci jest w takim przypadku kołem o promieniu r (rys. 4.2), a rezystancja elementu mi˛edzy półkulami o promieniach r i r + dr wynosi:

dR _k = %

2πr ² dr (4.2)

gdzie:

% – rezystywno´s´c materiału styku.

Rysunek 4.2. Model zestyku do obliczenia rezystancji przej´scia mikronierówno´sci przy przyj˛eciu sfe-

rycznych powierzchni ekwipotencjalnych [24]

Całkuj ˛ ac wyra˙zenie 4.2 w granicach od r do b, otrzymuje si˛e:

R _k = % 2π

 1 r − 1

b



(4.3)

Dla styku jednopunktowego wymiar b jest ´srednic ˛ a styku oraz jednocze´snie b  r , st ˛ ad:

R _k = %

2πr (4.4)

Poniewa˙z zestyk tworzony jest przez dwie stykaj ˛ ace si˛e półkule to ostatecznie rezystancja kształtu zestyku wynosi:

R k = %

πr (4.5)

Jak wspomniano wcze´sniej na powierzchni styku mo˙ze pojawi´c si˛e wi˛ecej ni˙z jeden punkt styczno´sci (je˙zeli całkowita powierzchnia styczno´sci A c jest wi˛eksza ni˙z rzeczywista powierzch- nia styczno´sci A r ). W takim przypadku, dla n równoległych punktów styczno´sci, utworzonych przez n równocze´snie stykaj ˛ acych si˛e półkul rezystancja b˛edzie n razy mniejsza:

R _k = %

πr n (4.6)

Przedstawiony sposób wyznaczania rezystancji kształtu zestyku jest przybli˙zony ze wzgl˛edu na pocz ˛ atkowe zało˙zenie sferycznego kształtu linii ekwipotencjalnych. Przyjmuj ˛ ac, ˙ze po- wierzchnia styczno´sci jest kołem, to powierzchnie ekwipotencjalne s ˛ a elipsoidalne (rys. 4.3).

Rysunek 4.3. Rozpływ pr ˛ adu i kształt powierzchni ekwipotencjalnych w mikronierówno´sci [24]

W takim przypadku jak podaje Holm [44] dla styku jednopunktowego rezystancja wynosi:

R _k = %

2r (4.7)

Uwzgl˛ednienie eliptycznych linii ekwipotencjalnych prowadzi do uzyskania nieznacznie wi˛ekszych warto´sci rezystancji kształtu [24]. W powy˙zszych rozwa˙zaniach przyj˛ete zostało zało˙zenie, ˙ze na materiale stykowym nie wytworzyła si˛e warstwa nalotowa.

W czasie normalnej eksploatacji styki aparatów elektrycznych pracuj ˛ a w okre´slonym ´sro- dowisku, które mo˙ze wpływa´c na stan ich powierzchni. Prowadzi to do pojawienia si˛e na po- wierzchni styków warstwy nalotowej, co powoduje wzrost wypadkowej rezystancji przej´scia zestyku. Warstwa nalotowa składa si˛e z warstwy absorbcyjnej (powierzchniowej) i korozyjnej (obj˛eto´sciowej). Warstwy te mog ˛ a by´c tworzone przez [8]:

— tlenki,

— siarczki,

— zwi ˛ azki chlorowcowe.

Utlenianie powierzchni metalicznych rozpoczyna si˛e natychmiast po obróbce mechanicz- nej styków. W powietrzu czystym formuj ˛ a si˛e prawie wył ˛ acznie tlenki. Powierzchnia styku pokrywa si˛e jednomolekułow ˛ a warstw ˛ a tlenu, a w krótkim czasie pojedyncz ˛ a warstw ˛ a tlen- kow ˛ a [8]. Grubo´s´c warstwy tlenkowej osi ˛ aga warto´s´c do kilkuset Å ¹ , i jej narastanie przebiega coraz wolniej z racji utrudnionego przenikania tlenu w gł ˛ ab metalu (rys. 4.4a). W warunkach podwy˙zszonej temperatury narastanie warstwy nalotowej nie wykazuje obszaru nasycenia (rys.

4.4b) [8]. Szybko´s´c narastania warstwy tlenków, dla styków miedzianych, opisana została przez Johanneta [45] i wyra˙za si˛e wzorem:

s = q

s ² _o + te ³⁴³¹⁻

(4.8)

gdzie:

s _o – grubo´s´c warstwy tlenkowej, utworzona natychmiast po kontakcie z powietrzem, t – czas,

T _c – temperatura przy czym [45]:

s _o = 1 2

 σ o

315 · 10 ¹⁰



(4.9) Rezystancja warstwy nalotowej wyra˙zona jest wzorem:

R _n = %(s)

nπr ² (4.10)

1 1 Å = 10 ⁻¹⁰ m

a) b)

Rysunek 4.4. Narastanie grubo´sci warstwy tlenkowej s _n na stykach z ró˙znych metali w temperaturze pokojowej, w powietrzu suchym [8]

w którym:

%(s) – umowna rezystywno´s´c warstwy nalotowej (rys. 4.5), πr ² – powierzchnia styczno´sci,

n – liczba punktów styczno´sci.

Rysunek 4.5. Zale˙zno´s´c rezystywno´sci warstwy nalotowej od jej grubo´sci [24]

Ustalenie grubo´sci warstwy nalotowej w praktyce jest niemo˙zliwe, poniewa˙z zale˙zy ona od wielu, cz˛esto przypadkowych czynników, takich jak:

— własno´sci elektrochemiczne materiału styku,

— własno´sci strukturalne materiału styku,

— temperatura,

— st˛e˙zenie reaguj ˛ acych czynników w atmosferze,

— wilgotno´s´c.

W atmosferze przemysłowej cz˛esto wyst˛epuj ˛ a zwi ˛ azki siarki, co jest bardzo niekorzystne ze wzgl˛edu na wzrost rezystancji zestykowej. Tworz ˛ a one warstwy odznaczaj ˛ ace si˛e znaczn ˛ a rezystywno´sci ˛ a. Wzrost grubo´sci warstwy siarczków zale˙zny jest zarówno od czasu ekspozycji jak i materiału stykowego (rys. 4.6).

Rysunek 4.6. Wzrost grubo´sci warstwy siarczków metali w funkcji czasu ekspozycji w ´srodowisku o zawarto´sci H ₂ S ok. 20 ppm, wilgotno´sci wzgl˛ednej 83 % i temperaturze 40 ^◦ C [24]

Wypadkowa warto´s´c rezystancji przej´scia zestyku jest równa:

R _p = R _k + R _n (4.11)

gdzie: R _k – rezystancja kształtu, R _n – rezystancja warstwy nalotowej.

4.2. Analityczne wyznaczanie rezystancji zestykowej

Według wzorów 4.5 oraz 4.7 do wyznaczenia warto´sci rezystancji zestykowej konieczna jest

znajomo´s´c takich parametrów jak rezystywno´s´c materiału stykowego, rezystywno´s´c warstw na-

lotowych oraz rzeczywiste pole powierzchni styczno´sci styczek. Jak przedstawiono wcze´sniej

ustalenie warto´sci rezystywno´sci warstwy nalotowej jest w praktyce trudne. Z kolei warto´s´c

rezystywno´sci materiału stykowego jest podawana w literaturze [5, 24] lub w dokumenta-

cji technicznej producentów styczek. Okre´slenie rzeczywistego pola powierzchni styczno´sci

(a po´srednio promienia styczno´sci) jest w praktyce niemo˙zliwe. Przy danej sile docisku liczba

punktów styczno´sci uzale˙zniona jest od tzw. twardo´sci stykowej αH materiału styków. Dla zestyku jednopunktowego wyra˙zona jest wzorem [8, 40]:

F

πr ² = αH (4.12)

St ˛ ad w obliczeniach praktycznych mo˙zna stosowa´c wzór na wyznaczenie promienia po- wierzchni styczno´sci [5, 8, 24]:

r = r S _p

π =

r F

παH =

r F

πσ ₀ (4.13)

gdzie:

S _p – powierzchnia kołowej mikropowierzchni styczno´sci, σ ₀ = αH – twardo´s´c stykowa materiału.

Warto´s´c współczynnika α zale˙zy od struktury powierzchni styczno´sci (rys. 4.7) i bez bada´n konkretnej mikrostruktury jest niemo˙zliwa do okre´slenie. Warto´s´c tego współczynnika przyjmowana jest wg [8] w zakresie 0,4-0,5, a wg [40] w zakresie 0,5-0,7.

Rysunek 4.7. Warto´s´c współczynnika α do wyznaczania twardo´sci stykowej materiału; F – siła doci- sku [5, 8]

Innym empirycznym wzorem, który mo˙ze posłu˙zy´c do wyznaczania warto´sci rezystancji zestykowej, z uwzgl˛ednieniem przeci˛etnych warto´sci rezystancji warstwy nalotowej dla danego materiału stykowego, jest zale˙zno´s´c [5, 8, 24, 40]:

R _p = c%

(0, 1 F _k ) ^m (4.14)

gdzie:

% – rezystywno´s´c materiału styków, F _k – siła docisku styków,

c – stała zale˙zna od stanu powierzchni styków, uwzgl˛edniaj ˛ aca tak˙ze wpływ warstw nalotowych,

m – stała zale˙zna od rodzaju zestyku (płaszczyznowy – m = 1, liniowy – m = 0,7, punktowy – m = 0,5).

Warto´s´c iloczynu c% jest zale˙zna od rodzaju materiału stykowego oraz stanu powierzchni

styków. Przykładowe warto´sci współczynnika c% przedstawiono w tablicy 4.1. Na rysunku 4.8

przedstawiono przykładowe rezystancji kształtu zestyków o ´srednicy 25 mm od siły docisku.

Pomiary przeprowadzono przy pr ˛ adzie stałym 30 A [24].

Tablica 4.1. Warto´sci współczynnika c% do wzoru 4.14 na rezystancj˛e kształtu [24, 8, 5]

Materiał styków c%

[mΩN ^m ]

Mied´z – mied´z 0,08 – 0,14

Srebro – srebro 0,06

Aluminium – aluminium 0,13

Aluminium – mied´z 0,98

Mosi ˛ adz – mosi ˛ adz 0,67

Mosi ˛ adz – mied´z 0,38

Mied´z pocynowana – mied´z pocynowana 1,0 Mied´z – mied´z pocynowana 0,07 – 0,1

Stal – stal 7,6

Stal – mied´z 3,1

Stal – srebro 0,06

Rysunek 4.8. Rezystancja kształtu zestyków o ´srednicy 25 mm w funkcji siły docisku, w zale˙zno´sci

od rodzaju materiału styków: 1 – Ag, 2 – Ag+20 % Cu, 3 – Cu, 4 – Ag30 % Ni, 5 – grafit, 6 –

Fe [24]

4.3. Przegl ˛ ad metod pomiaru rezystancji zestykowej

Pomiar rezystancji mo˙zna wykona´c mi˛edzy innymi nast˛epuj ˛ acymi sposobami:

— omomierzem,

— mostkiem rezystancyjnym zasilanym pr ˛ adem stałym,

— metod ˛ a techniczn ˛ a.

Miernikami przeznaczonymi do pomiaru rezystancji s ˛ a omomierze. Wyró˙znia si˛e omomie- rze o układzie szeregowym (do pomiaru ´srednich i du˙zych rezystancji) i o układzie równo- ległym (słu˙z ˛ ace do pomiaru małych rezystancji) [46]. Omomierze pozwalaj ˛ a na wykonanie pomiaru rezystancji w prosty i szybki sposób, jednak przewa˙znie charakteryzuj ˛ a si˛e mał ˛ a do- kładno´sci ˛ a i mał ˛ a rozdzielczo´sci ˛ a.

Wyró˙znia si˛e nast˛epuj ˛ ace typy układów mostkowych:

— Wheatstone’a – do pomiaru małych i ´srednich warto´sci rezystancji,

— Thomsona – do pomiaru małych i bardzo małych rezystancji.

Spotykane s ˛ a one w dwóch wykonaniach, jako laboratoryjne i techniczne.

Mostek Wheatstone’a przeznaczony jest do pomiaru rezystancji w zakresie od 0,1 Ω do ok. 100 kΩ przy bł˛edzie przekraczaj ˛ acym przewa˙znie 1 %, dla mostków technicznych, oraz w zakresie od 1 Ω do ok. 10 MΩ przy bł˛edzie nie przekraczaj ˛ acym 0,1 %, dla mostków laborato- ryjnych [46]. Na rysunku 4.9 przedstawiono schemat zast˛epczy mostka Wheatstone’a. Poszcze- gólne oporniki R 1 , R 2 , R 3 i R 4 stanowi ˛ a ramiona mostka, przy czym zakłada si˛e, ˙ze opornik R 1

jest elementem o mierzonej rezystancji R x . Mostek zasilany jest ze ´zródła o napi˛eciu U i re- zystancji wewn˛etrznej R Z . Galwanometr G, o wewn˛etrznej rezystancji R g , słu˙zy do pomiaru pr ˛ adu I g . Warto´s´c szukanej rezystancji wyznacza si˛e ze wzoru:

R _x = R ₁ = R ₂ R ₃

R ₄ (4.15)

Wzór ten jest słuszny, gdy pr ˛ ad I g jest równy zeru.

Mostek Thomsona (znany równie˙z jako mostek podwójny, rys. 4.10) jest modyfikacj ˛ a mostka Wheatstone’a. Wykonany jest jako sze´scioramienny. Taka realizacja pozwala na wy- eliminowanie wpływu warto´sci rezystancji przewodów pomiarowych (która mo˙ze by´c porów- nywalna z warto´sci ˛ a mierzonej rezystancji) na wynik pomiaru [46]. Rezystancj˛e r stanowi rezystancja przewodu ł ˛ acz ˛ acego zacisk pr ˛ adowy opornika mierzonego R _x i wzorcowego R ₂ . Rezystancj˛e ramion gwiazdy (rys. 4.10b) wyznacza si˛e z nast˛epuj ˛ acych wzorów:

R ⁰ ₁ = rR ⁰ ₃

r + R ⁰ ₃ + R ⁰ ₄ ; R ⁰ ₂ = rR ⁰ ₄

r + R ⁰ ₃ + R ⁰ ₄ ; R ⁰ _g = R ⁰ ₃ R ⁰ ₄ r + R ⁰ ₃ + R ⁰ ₄ Poszukiwana warto´s´c rezystancji wyra˙zona jest wzorem:

R _x = R ₁ = R ₂ R ₃

R ₄ (4.16)

Rysunek 4.9. Schemat zast˛epczy mostka Wheatstone’a [46]

i jest on poprawny, gdy spełniony jest warunek:

R ⁰ ₃ R ₃ = R ⁰ ₄

R ₄ (4.17)

Podobnie jak mostek Wheatstone’a, tak i mostek Thomsona wykonywany jest jako labora- toryjny lub techniczny (rys. 4.11). Pierwszy z nich charakteryzuje si˛e zakresem pomiarowym w granicach od 10 ⁻⁶ Ω do 10 Ω z bł˛edem nie przekraczaj ˛ acym 0,05 %. Drugi z nich cechuje si˛e wy˙zsz ˛ a warto´sci ˛ a bł˛edu pomiarowego, z reguły w zakresie od 1 do 2 %, i przeznaczony jest do szybkich pomiarów [46, 47].

Rysunek 4.10. Schemat mostka Thomsona: a) układ, b) układ zast˛epczy [46]

Metoda techniczna polega na wykorzystaniu prawa Ohma poprzez zastosowanie mierników

napi˛ecia oraz pr ˛ adu, a tak˙ze ´zródła pr ˛ adu stałego (rys. 4.12). Dokładno´s´c takiego pomiaru

zale˙zna b˛edzie od klasy poszczególnych przyrz ˛ adów pomiarowych oraz od warto´sci pr ˛ adu

pomiarowego. Metoda ta pozwala na szybsze wykonywanie pomiarów ni˙z metoda mostkowa.

Rysunek 4.11. Schemat technicznego mostka Thomsona [47]

a) b)

Rysunek 4.12. Układ do pomiaru rezystancji metod ˛ a techniczn ˛ a: a) poprawny pomiar napi˛ecia, b) poprawny pomiar pr ˛ adu [47]

Warto´s´c mierzonej rezystancji wyznacza si˛e z prawa Ohma, przy czym poszukiwana war- to´s´c R x :

R _x = U _R

I _R (4.18)

gdzie:

U _R – spadek napi˛ecia zmierzony na rezystancji R _x [V], I _R – pr ˛ ad I [A].

W obu przedstawionych przypadkach wyst˛epuje bł ˛ ad metody. W pierwszym z przedsta- wionych układów, zwanym układem poprawnego pomiaru napi˛ecia, woltomierz wskazuje po- prawnie warto´s´c napi˛ecia, a amperomierz pr ˛ ad powi˛ekszony o warto´s´c pr ˛ adu woltomierza I V . W drugim z przypadków, zwanym układem poprawnego pomiaru pr ˛ adu, wskazanie amperomie- rza jest prawidłowe, natomiast woltomierz wskazuje napi˛ecie powi˛ekszone o spadek napi˛ecia na amperomierzu (R _A > 0).

W zale˙zno´sci od wybranego układu pomiarowego warto´sci wzgl˛ednych bł˛edów metody

wyznacza si˛e nast˛epuj ˛ aco [46, 47, 48, 49]: