Электрические контакты охлаждаемые и неохлаждаемые

Санкт-Петербург

Издательско-полиграфическая ассоциация 

высших учебных заведений

2018

Н. Н. ДЗЕКЦЕР      Ю. С. ВИСЛЕНЕВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ 

ОХЛАЖДАЕМЫЕ И НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ

© Дзекцер Н. Н., Висленев Ю. С., 2018
© Издательско-полиграфическая 
ассоциация высших учебных заведений, 
2018
ISBN 978-5-91155-047-9

УДК 621.3.04
ББК 31.23

       Д43

Дзекцер Н. Н., Висленев Ю. С. Электрические контакты охлаждаемые 

и неохлаждаемые. – СПб.: Издательско-полиграфическая ассоциация 
высших учебных заведений, 2018. – 154 с.

В книге рассмотрена проблема повышения пропускной способно
сти многоамперных токопроводов, в частности путём применения водяного и криогенного охлаждения. На основе современных представлений о физике электрического контакта с использованием методов 
многофакторного статистического анализа получена математическая 
модель контактного соединения.

Современная техника эксперимента (рентгеноспектральный ми
кроанализ, эллипсометрия) дала возможность изучить характер образования и структуру плёнок на поверхности контакт-деталей из различных металлов. Установлено, что оптимальным способом стабилизации электрического сопротивления контактных соединений является 
применение специальной электропроводящей смазки. Представлены 
рациональные конструкции разборных и неразборных контактных соединений, охлаждаемых и неохлаждаемых. Особое внимание уделено 
целесообразности замены в ряде случаев дефицитных и дорогостоящих 
медных проводников проводниками из кремниево-магниевых алюминиевых сплавов. Указаны способы диагностики и методы контроля качества контактных соединений.

Книга предназначена для научных и инженерно-технических ра
ботников, а также может служить пособием для студентов электротехнических и энергетических специальностей учебных заведений.

ВВЕДЕНИЕ

Реализация стратегической программы развития энергетики 

страны может стать основой стабилизации экономики России.

Рациональное использование топливно-энергетических ресур
сов (ТЭР) на энергопроизводящих и энергопотребляющих предприятиях является одним из важных способов повышения эффективности их работы. В настоящее время доля энергозатрат в себестоимости продукции (без учёта стоимости сырья и материалов) 
составляет 40–45 %, а в отдельных случаях достигает 70–80 %. При 
этом энергоёмкость отечественной продукции в 2–3 раза выше, чем 
в промышленно развитых странах, что убедительно свидетельствует 
о «конкурентоспособности» российской продукции. 

Повышение эффективности использования ТЭР достигается 

двумя путями:

- на основе модернизации технологических процессов и струк
туры предприятия, что, естественно, требует значительных затрат 
и зачастую имеет большой срок окупаемости;

- путём поэтапной реконструкции систем энергоснабжения, что 

позволяет в разумные сроки вернуть вложенные средства и подготовить возможность усовершенствования энергохозяйства.

Независимо от выбранного направления, важным (если не ре
шающим) фактором эффективной работы энергетического комплекса является снижение аварийности в системах производства, 
потребления и распределения энергоносителей на предприятии 
и связанного с этим уменьшения ущерба от перерывов в энергоснабжении объектов.

Построение схемы электроснабжения промышленного пред
приятия определяется в основном мощностью и взаимным расположением потребителей и источников питания. Исходя из этого, 

распределённые сети на территории промышленных предприятий 
выполняются воздушными или кабельными линиями и токопроводами. Воздушные линии позволяют наиболее экономично передавать и распределять электрическую энергию, однако в сетях до 
3–10 кВ они применяются редко. Кабельные линии универсальны. 
Они могут быть проложены в земляных траншеях, наружных или 
внутренних каналах, туннелях, трубах, а также открыто на конструкциях по стенам или под перекрытиями зданий, по галереям 
и эстакадам. Как правило, в пределах одного предприятия пользуются смешанными способами прокладки кабелей. Выполненные 
в последнее время расчёты обосновывают целесообразность дальнейшего широкого внедрения токопроводов, необходимость расширения их производства.

В настоящее время в электроустановках в качестве проводни
кового материала, наряду с медью, широко используется алюминий. Содержание алюминия в земной коре составляет 7,5 %. 
Однако, несмотря на это, алюминий не находил ранее технического применения из-за трудности его получения из руд, в то время как медь, содержание которой в земной коре составляет всего 
0,1 %, применяется давно, так как чаще, чем другие материалы, 
встречается в самородном состоянии. За последнее время в связи 
с острой дефицитностью меди интерес к алюминию значительно 
вырос. Целесообразность применения алюминия объясняется не 
только его меньшей дефицитностью, но и рядом положительных 
качеств, дающих ему преимущества перед медью. Алюминий обладает высокой электрической и термической проводимостью, 
низкой плотностью, достаточной стойкостью к атмосферным 
и химическим воздействиям, хорошо сваривается и легко поддаётся механической обработке. Проводимость алюминия, отнесённая к массе металла, в два раза выше экономической проводимости меди. Однако повсеместное внедрение алюминия затрудняют 
его пониженные контактные свойства: склонность к образованию 
на поверхности посторонних плёнок, а также низкие пределы текучести и ползучести.

Таким образом, усовершенствование контактных соединений 

алюминиевых проводников, а также соединений этих проводников 
с медными выводами электротехнических устройств является весь

ма важной задачей, направленной, с одной стороны, на расширение 
области применения алюминия взамен меди, с другой стороны, на 
повышение надёжности электроустановок. Следует отметить, что, 
по данным ВНИИПО, примерно 50 % возгораний промышленных 
объектов происходит по вине электроустановок, в свою очередь, 
в этих установках половина пожаров обусловлена их контактными 
соединениями. Достаточно сказать, что два крупнейших пожара (на 
Останкинской телебашне в Москве и на подстанции Васильевского 
острова в Санкт-Петербурге) во многом связаны с неисправностью 
электрических контактов. 

Следует отметить, что запасы алюминия также далеко не безгра
ничны. Поэтому уже сейчас необходимо, наряду с традиционными 
путями повышения пропускной способности линий электропередачи, находить принципиально новые решения, которые позволили 
бы значительно расширить границы современной техники передачи 
электрической энергии. Наиболее перспективным направлением является снижение активного сопротивления проводниковых материалов путём использования водяного и криогенного охлаждения.

Поведение электрических контактов, как правило, исследуется 

двумя путями. Первый путь основан на изучении физической природы и механизма отказов контактных соединений. В этом случае 
эксперимент обычно строят в соответствии с так называемым классическим планом, когда все независимые переменные, кроме одной, полагают постоянными, а эту одну переменную изменяют во 
всём интервале возможных значений и т. д. Таким образом можно 
оценить изолированное влияние отдельных факторов на электрическое и тепловое сопротивление контактов, которые являются 
важнейшими параметрами, обусловливающими надёжность работы соединения. Однако сложность проблемы и разнообразие вопросов, встречающихся при исследовании контактных соединений, 
требуют применения новых методов изучения. Весьма эффективно 
применение для этой цели методов многомерного статистического 
анализа. Наиболее достоверные результаты даёт сочетание методов математической статистики с изучением физической сущности 
процессов, протекающих в контакте.

Всё сказанное относится к традиционным контактным соедине
ниям.

Свойства медных и алюминиевых контактов при температурах 

жидкого азота (77 К) и жидкого гелия (4,2 К) описаны на основе 
современных представлений о физике электрического контакта 
и свойствах металлов при криогенных температурах.

Создание надёжных сверхпроводящих систем во многом связано 

с разработкой оптимальной конструкции токового ввода-контакта между сверхпроводниками и проводниками, работающими при 
обычных температурах.

Указанная проблема также рассмотрена в настоящей работе.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И КОНТАКТНЫЕ 
СОЕДИНЕНИЯ

1.1. Электроснабжение потребителей переменного 
и постоянного тока

Развитие промышленной энергетики характеризуется непре
рывным ростом мощности электроустановок и, соответственно, 
увеличением их номинальных токов. Если ещё недавно эти токи не 
превосходили нескольких тысяч ампер, то теперь они измеряются 
сотнями тысяч и имеют тенденцию к дальнейшему росту. В этой 
связи в настоящее время наряду с техникой высоких напряжений 
возникает техника больших токов. 

Поиски современных технических решений по схемам и спосо
бам канализации электроэнергии и другим проблемам промышленного электроснабжения ведутся с тем, чтобы наиболее полно и в то же 
время экономически обоснованно учесть требования и особенности 
современных промышленных предприятий. Одной из существенных проблем, возникающих при проектировании электроснабжения 
энергоёмких предприятий, является правильный выбор способа канализации электроэнергии. Увеличение мощности промышленных 
предприятий и плотности электрических нагрузок требует применения распределительных сетей большого сечения. Такие сети могут 
быть выполнены либо параллельно проложенными кабелями, либо 
токопроводами. В последние годы наблюдается постепенный переход от кабельных линий к токопроводам, обладающим большими надёжностью и перегрузочной способностью. Применение шинопроводов по сравнению с другими видами электропроводок даёт существенный  экономический эффект, который выражается в снижении 

капитальных затрат в 1,5–3 раза, в сокращении расхода чёрных металлов в 1,6–2,7 раза, в уменьшении потерь электроэнергии в 2–4 раза.
Токопроводы обеспечивают более высокую гибкость системы электроснабжения. Являясь как бы сборными шинами источника питания, вынесенными непосредственно в зону потребления электроэнергии, токопроводы допускают подключение электроприёмников 
в любой точке и при определённых условиях на любом этапе строительства и эксплуатации предприятия.

Если в начальном периоде развития токопроводы использова
лись исключительно для питания отдельных потребителей (например, преобразовательных подстанций электролизных установок), 
то теперь область их применения значительно расширена: токопроводы питают подстанции, печные установки, группы потребителей 
металлургического, химического и других производств.

Токопроводы сооружаются на напряжения как до 1000 В, так 

и выше. Конструктивно они различаются расположением фаз, материалом шин, их профилем и типом изоляторов.

Современные токопроводы имеют следующие исполнения: 

с жёсткими шинами, закреплёнными на опорных изоляторах, с расположением фаз в одной плоскости; с жёсткими шинами на опорных изоляторах, с симметричным расположением фаз по вершинам 
равностороннего треугольника; с жёсткими шинами, с наружным 
экраном; с гибкими шинами наружной прокладки на подвесных 
изоляторах.

Фазошины жёстких токопроводов чаще всего выполняются из 

шин прямоугольного, коробчатого и трубчатого профиля, а гибких 
токопроводов – из пучка голых проводов, расположенных по периметру.

В общем случае к токопроводам можно также отнести пакет про
водников или комплект параллельных шин различного профиля.

В качестве проводникового материала для шин токопроводов 

в настоящее время, как правило, применяется алюминий чистотой 
99,5 %. Медь используется лишь в виде исключения для среды, где 
алюминий химически нестоек, или на установках с длительными 
интенсивными вибрациями.

Широкое применение алюминия объясняется не только его 

меньшей дефицитностью, но и рядом положительных качеств, 

дающих ему значительные преимущества перед медью. Он обладает высокой электрической и термической проводимостью, низкой плотностью, достаточной в большинстве случаев стойкостью 
к атмосферным и химическим воздействиям, хорошо сваривается 
и легко поддаётся механической обработке.

В специальных случаях, когда требуется повышенная механиче
ская прочность, употребляются шины из алюминиево-магниевых 
сплавов типа АД31Т1.

В табл. 1.1 приведены основные физико-механические свойства 

наиболее распространённых проводниковых материалов.

Та б л и ц а  1.1

Физико-механические свойства основных проводниковых 

материалов

Свойства
Медь шинная
Алюминий 

шинный

Алюминиевый 
сплав АД31Т1

Плотность, кг/м3
8940
2710
2710

Удельное 
сопротивление 

при 20 °С, Ом·м·10-9

17,8
29,2
32,5

Температурный коэффициент электрического сопротивления × 10-3, 1/К

4,3
4,3
4,3

Коэффициент 
линейного 

расширения × 10-6, 1/К

16,5
23,8
24,3

Теплопроводность 
при 

293 К, Вт/(м·К)

385
210
190

Номинальный электрохимический потенциал при 
25 °С, В

+0,345
–1,34
–1,34

Предел прочности, Па·107
20
7
20

Предел текучести, Па·107
16
–
15

Температура плавления, К
1350
730
920

До внедрения в электроустановки алюминия повсеместно для то
копроводов применялись медные шины. Болтовые соединения этих 
шин являются достаточно надёжными и стабильными контактами. 
Замена медных шин алюминиевыми и соединение последних теми 
же методами, что и медных, привели из-за пониженных контактных 

свойств алюминия к дополнительному росту потерь в контактах 
и понизили эксплуатационную надёжность электроустановок. Всё 
это, как уже было подчёркнуто выше, значительно усложняет проблему контактов.

Контактные соединения токопроводов выполняются разборны
ми и неразборными. Наиболее распространённый вид контакта – 
это соединение плоских проводников.

Коробчатые и трубчатые токопроводы, как правило, соединяют
ся сваркой, а для подключения к выводам электрооборудования эти 
токопроводы предварительно оконцовываются с помощью сварки гибкими прямоугольными компенсаторами. Таким образом, 
и в этом случае в конечном итоге имеет место плоское разборное 
соединение.

Если в настоящее время задача передачи больших токов ещё мо
жет быть решена традиционно: увеличением сечения проводника, 
строительством параллельных линий, то в недалёком будущем потребуется преодолеть принципиальные ограничения, присущие 
существующим системам. За сравнительно короткие сроки параметры токопроводов оказались близки к физическим и техническим 
пределам. По мнению авторов, предел для многоамперных токопроводов составляет 230–270 кА. Поэтому весьма актуальна задача 
поиска новых решений, которые позволили бы расширить границы 
современной техники передачи электрической энергии.

Новыми направлениями в схемах электроснабжения являются 

применение нетрадиционных проводниковых материалов и диэлектриков, а также охлаждение токопроводящих элементов.

В 60-х годах в США было смонтировано примерно 20 км кабелей 

с натриевыми жилами и полиэтиленовой изоляцией напряжением 
до 35 кВ. Эти кабели обладают многими достоинствами: их проводимость на единицу массы в 1,7 раза больше, чем у алюминия, 
и в 3,3 раза – чем у меди, они дёшевы, гибки и т. п. Но ввиду низкой коррозионной стойкости и неудовлетворительных контактных 
свойств кабели с натриевыми жилами широкого распространения 
не получили. 

Перспектива повышения пропускной способности в ближай
шие годы связана с созданием линий переменного тока в трубах 
с использованием сжатых газов (ТСГ) в качестве изоляции. По срав