Prelegeri privind cursul materialelor electrotehnice

6.2. Materiale pentru fire. Cupru. Aluminiu.

6.3. Materiale pentru contacte.

6.4. Materiale cu coeficient de rezistență scăzut la temperatură. Materiale pentru termocupluri.







Cu toate că, după cum se știe, energie electrică nu este transmis peste conductoare și dielectrice a spațiului dintre conductorii, cu toate acestea, conductorii sunt necesare pentru ghidarea fluxului de energie.

Principala caracteristică a unui conductor este conductivitatea sa electrică.

După cum știm, am considerat, de asemenea, această întrebare pentru 2 prelegeri, în orice organism, atunci când se aplică tensiune, un curent trebuie să curgă în conformitate cu expresia determinând densitatea curentului

Aici ni este concentrația purtătorilor de sarcină de tipul i, qi este valoarea de încărcare, vi este viteza de încărcare. Pentru metale, purtătorii de sarcină sunt electroni. Numărul aproximativ de electroni din metal este de aproximativ 10 22 buc / cm 3. Dacă estimăm concentrația atomilor unui metal tipic, va fi aproximativ aceleași valori. Aceasta înseamnă că toți atomii sunt ionizați, iar electronii nu aparțin fiecărui atom, ci sunt socializați în întregul cristal. Teoria clasică a electronilor metale considerate un gaz ideal, care particulele intra in coliziune cu defecte zăbrele, vibrațiile atomice, prin care viteza lor rămâne limitată în câmpul electric. Înainte de coliziune, electronul trebuie accelerat pentru o perioadă de timp t. Se poate arăta că calea medie liberă, de la mecanica clasică, se ridică la

O sarcină care curge printr-o singură zonă în timpul unui timp t umple un cilindru cu lungimea l cu densitatea n. Ecuația ln la produsul densității curente cu durata t. noi primim.

Din această expresie urmează legea lui Ohm pentru metale, expresia pentru conductivitatea electrică specifică va avea forma

Dacă se efectuează aceleași operații pentru transferul de căldură de către un gaz electron, valoarea conductivității termice k va fi

Aici k este constanta Boltzmann, iar T este temperatura. De aici, puteți obține cunoscut din practica de drept, că o mai mare conductivitatea metalului, cu atât mai mare conductivitatea termică se află sub o justificare teoretică. Într-adevăr, împărțind expresia (6.5) cu (6.4.) Și împărțind mai departe T, așa-numitul. numărul Lorentz

L = k ¤ (s × T) = 3 (k / e) 2.

și anume conductivitatea termică și conductivitatea electrică sunt proporționale unul cu celălalt. Într-adevăr, numerele Lorentz măsurate pentru diferitele metale diferă puțin una de cealaltă.

Valorile experimentale ale conductivității electrice a metalelor, în ordine de mărime, sunt (10 8 - 10 7) S / m.

Pentru practică, este important ca conductivitatea electrică a metalelor să depindă de temperatură. S-a stabilit experimental în mai multe cazuri că această dependență este aproape de o dependență liniară. De obicei este dat sub forma unei dependențe de temperatură a rezistivității.

Aici r (TO) este rezistivitatea la o anumită temperatură T0. de obicei este de 20 ° C. T K r este coeficientul de temperatură al rezistivității. Are dimensiunea 1 / K (sau 1 / ° C), pentru metalele T K r este întotdeauna pozitivă. Să estimăm semnificația acestui factor - dependența de temperatură a rezistivității. De exemplu, pentru cupru, este de 4,3 × 10 -3 1 / K, ceea ce înseamnă că rezistența se va dubla pe măsură ce temperatura va crește cu 232 de grade.

Pentru firele electrice, valoarea rezistivității este cel mai important factor. Aceasta determină pierderea specifică a puterii de electricitate din fire, adică puterea pe unitatea de volum de fir

Să estimăm că pentru eliberarea energiei, de exemplu, vom determina, după ce timpul va fi încălzit materialul de cabluri cu 1 grad. Luând aluminiu ca material, r = 2,8 × 10 -8 Ω · m, luăm două valori j = 10-100 A / mm2 pentru densitatea curentului, obținem pentru puterea specifică a pierderilor: = 2.8-280 MW / m 3 E ceva mai mult sau mai puțin? Capacitatea centralei termice din Novosibirsk este de aproximativ 500 MW în timpul perioadei de putere maximă. Cât de repede se încălzește firul? Comparăm-o cu expresia cunoscută pentru puterea termică necesară pentru încălzirea materialelor dQ / dt = cddT / dt. unde d este densitatea materialului d = 2,7 10 3 kg / m 3. c este capacitatea de căldură, c = 386 J / (kg × K). Echizând puterea termică a puterii de pierdere electrică, obținem

Limita inferioară, la j = 10 A / mm 2, înseamnă că firul poate fi încălzit cu aproximativ 2 grade în 1 secundă, cel superior cu 200 de grade în 1 secundă. Este clar că a doua valoare a densității este prea mare.

Expresia (6.7) poate fi adusă la valorile măsurate: zona curentă I și a secțiunii transversale a firului S., care o descriu pentru pierderile din sârmă, pe unitate de lungime (1 m)

Рпотери = I 2 × r / S 2

În funcție de densitatea curentului din fire, pierderile pot varia foarte mult. Este clar că atunci când o anumită putere este transmisă prin linia electrică, de exemplu pentru o linie trifazată P = 3 Ua I, cu atât tensiunea rețelei este mai mare, cu atât puterea este mai mare la aceeași valoare curentă. Deoarece pierderile sunt determinate de curent, iar puterea transmisă este produsul curentului prin tensiune, este mai profitabil să se treacă la clase de tensiune mai înaltă. Prin urmare, ele trec la tensiuni tot mai mari, astfel încât o fracțiune relativ mai mică din energie este pierdută în fire. Cu toate acestea, așa cum se va spune în prelegerea privind caracteristicile dielectrice ale aerului, este imposibilă creșterea tensiunii pe termen nelimitat.

De asemenea, este clar că, cu cât curentul, cu atât mai mare putere, relația este liniară. Cu toate acestea, odată cu creșterea pierderilor de energie ale actualei quadratically de îngrășare, adică mult mai puternic decât creșterea puterii de transmisie. Creșterea de sârmă aria secțiunii transversale reduce problema, dar pe de altă parte, există o creștere a costului de construire a liniilor electrice, după cum neferoase fire metalice costuri semnificative. În plus, creșterea în greutate a firelor atrage după sine o creștere a turnurilor de masă, complicații de asamblare și similare Ca urmare a unui compromis între creșterea pierderilor și de construcție a fost de acord a crescut cabluri de linie conta un anumit compromis densitate de curent, așa-numitele densitatea economică actuală. Conform Regulamentului de dispozitive electrice (PUE), pentru cupru este de 2,5 A / mm2 în cazul sîrmei deschise în timpul funcționării 1000-3000 ore pe an și se reduce la 1,8 A / mm2 în timpul funcționării peste 5000 pe an. Pentru aluminiu, toate cifrele este de aproximativ de două ori mai mic. Pentru cabluri toate determinate de condițiile de îndepărtare a căldurii prin teaca de izolare și cabluri, SAE densitatea curentului admisibil este normalizat pentru fiecare cablu separat, densitatea de curent de obicei admisă este chiar mai mic.







Din materiale de conductor cu căldură ridicată și conductivitate electrică, cel mai remarcabil material pentru fire ar fi argintul. Rezistența sa specifică la temperatura camerei este de aproximativ 1,4 × 10 -8 Ω × m, conductivitatea termică fiind de 418 W / (m × K). Cu toate acestea, acest material este prea scump și rare, astfel încât argintul este folosit doar pentru contacte responsabile, pentru că nu este doar un conductor ideal, dar nu este oxidat în timpul funcționării, astfel încât proprietățile de contact cu timpul nu se deteriorează. Rețineți că alți conductori mai convenționali, cum ar fi cuprul sau aluminiu, sunt oxidați de oxigenul din aer, transformându-se în oxizi neconductori, agravând sau chiar împiedicând contactul ohmic. Pentru fire sunt folosite aceștia, deoarece, în funcție de conductivitatea electrică, pot fi plasați pe locul 2 și 3 după argint.

Proprietățile cuprului.
Cuprul este un material moale de nuanță roșiatică.
Numărul atomic - 29
Greutate atomică - 63,7
Valence 1 și 2
Densitate la 20 ° C 8,89 t / m 3
Rezistență specifică la 20 ° С 1,7 10 -8 Ohm × m.
Coeficient de temperatură de rezistență 4.3 10 -3 1 / K
Capacitatea termică este de 386 J / (kg × K)
Conductivitate termică

400 W / (m × K)
Punct de topire: 1083 ° C
Rezistența la întindere 200 MPa

Utilizarea cuprului în industria energetică este destul de largă - diferiți conductori, cabluri, cabluri, anvelope, siguranțe, înfășurări ale transformatoarelor și bobine.

Proprietăți de aluminiu.
Aluminiu este un material moale de culoare gri deschis.
Numărul atomic - 13
Masa atomică - 27
Valence 3
Densitate la 20 ° С 2,7 t / m 3
Rezistență specifică la 20 ° С 2.8 10 -8 Ohm × m
Coeficientul de rezistență 4 10 -3 1 / K
Capacitatea de căldură 950 J / (kg × K)
Conductivitate termică

200 W / (m × K)
Punct de topire: 660 ° C
Rezistența la rupere 80 MPa

Comparația acestor materiale pentru parametrii cei mai importanți pentru practică arată că diferă foarte mult în ceea ce privește densitatea, capacitatea de căldură, rezistența la tracțiune. Este curios că produsul capacității de căldură prin densitate diferă foarte puțin de aceste materiale (

30%) Faptul că aluminiu are rezistențe mecanice reduse forțează armături de aluminiu cu miezuri de oțel. În acest caz, curentul curge prin aluminiu (oțelul are o rezistență specifică de aproximativ 5-10 ori mai mare decât cea a aluminiului), iar rezistența mecanică este asigurată de oțel.

Pentru fabricarea firelor folosiți aluminiu, cupru, bronz, precum și combinația acestor elemente cu oțel. Atunci când secțiunea transversală de 10-15 mm 2 utilizate în mod obișnuit un singur fir, la o secțiune transversală mai mare - mulți, sârmă catenară. Nivelul sârmei А, АЖ, АН, АКП, АС, Б, БрФ, М, Мк, etc. Cel mai popular sârmă pentru VL - AC oțel clasa-aluminiu, de exemplu, AU 95/16 înseamnă că, într-o secțiune transversală de 95 mm2 din aluminiu și 16 mm 2 din oțel.

Conductorii de la locul de contact diferă de conductorii din volumul cablurilor prin mai multe circumstanțe ale funcționării lor.

În primul rând, este imposibil ca zona de contact să fie aceeași sau mai mare decât aria secțiunii transversale a firelor. Prin urmare, densitatea curentului și eliberarea de energie sunt întotdeauna mai mari în regiunea de contact. În al doilea rând, punctul de contact acolo microbreakdown și, uneori, makroproboi transformându-se într-un arc (deschidere contacte de comutare) cu eliberare ridicată locală de energie, ceea ce duce la deformarea materialului în zona de contact, topitura locale etc. În al treilea rând, frecare apare în contact atunci când o parte a contactului se deplasează în jurul celuilalt. În al patrulea rând, suprafețele de contact în stare deschisă nu ar trebui să interacționeze cu mediul. Prin urmare, materialele de contact trebuie să aibă proprietăți speciale. Ele trebuie să fie rezistente la coroziune, rezistente la eroziunea electrică și antrenarea materialelor, nu sudate. au o rezistență mare la uzură la abraziune, sunt ușor de manevrat, se înfășoară una în alta, au căldură și conductivitate ridicată, au un cost redus.

Materiale ideale pentru contacte - nr.

Pentru contactele cu curent scăzut se folosesc de obicei metale nobile sau refractare: argint, platină, paladiu, aur, tungsten și aliaje pe baza acestor metale.

Argintul - lipsa de argint este formarea de filme de sulf negru de argint neconductoare, ca rezultat al interacțiunii cu hidrogen sulfurat umed. Un alt dezavantaj este sudarea contactelor datorită punctului de topire scăzut al argintului de 960 ° C. Pentru a îmbunătăți proprietățile din argint, adăugați cadmiu, cupru, aur, paladiu sau siliciu.

Aur. în sine, este rar folosit din cauza moliciunii sale, deși nu este complet oxidat. În locul contactului, datorită moliciunii metalului, se formează ușor eroziunea, acele de metal. antrenarea materialelor. Pentru a îmbunătăți proprietățile argintului adăugați argint (până la 50%), nichel și zirconiu, platină. Ca urmare, este posibil să se obțină contacte neoxidabile, solide, cu eroziune slabă.

Tungstenul este unul dintre materialele de contact comune. Este cel mai bun împotriva tuturor descărcărilor cu arc, aproape neacoperite (datorită punctului de topire ridicat), nu se uzează (datorită durității ridicate). Cu toate acestea, tungstenul nu este rezistent la coroziune și oxidare, funcționează cel mai bine într-un vid, într-o atmosferă de hidrogen sau azot. În plus, pentru contactele cu o mică presiune de tungsten nu se aplică.

Pentru contactele cu curent înalt, metalele pure nu se aplică. Pentru ei, folosiți așa-numitul. pseudoaliaje obținute prin metode de metalurgie a pulberilor.

Pseudo aliajul este un amestec sinterizat de două pulberi, dintre care unul este mai refractar. În acest caz, componenta mai fuzibilă se poate topi în timpul funcționării, dar prezența unei carcase a componentei refractare păstrează lichidul datorat forțelor capilare. Componenta ușor topită este, de obicei, mai căldură și conductivă electrică. Sunt utilizate următoarele pseudo alloide:

oxid de argint-cadmiu, argint-grafit, argint-nichel, argint-tungsten, cupru-grafit, cupru-tungsten.

Pentru circuite puternice, contactele sunt realizate deasupra capului, plăcile de cupru sunt armate cu Ag + W. sau C u + W a unui pseudo-aliaj.

Pentru contactele cu deconectare de înaltă tensiune cu curenți mari de arc (până la 100 kA) se folosesc contacte din cupru și grafit. Ele sunt mai slabe sudate, dar se poartă puternic sub acțiunea arcului. Un pseudo aliaj cu o cantitate mare de grafit (mai mult de 5%) este folosit ca perii în contactele culisante.

Revenind la coeficientul de temperatură pentru materialele rezistive conductive, se menționează existența materialelor cu un coeficient de rezistență practic la zero. Este mangan, un material pentru rezistențe precise de precizie și constantan. Numai numele constantanului conține informații despre constanța rezistenței. Compoziția de mangan este manganul 11,5-13,5%, nichelul este 2,5-3,5%, restul fiind cuprul. Compoziția constanților - nichel - 40%, mangan 1-2%, restul - cupru.

În compoziție sunt materiale similare folosite pentru termocupluri. Acest Chromel - nichel și aliaje de crom (90% Ni + 10% Cr), alumel - aliaj de nichel (94%) cu aluminiu, siliciu și mangan, Kopel - aliaj de cupru cu cobalt și nichel. Folosit ca constantan și platină. Dacă capetele firului de la unul dintre materialele suda sârmă din orice alt material, va termocuplă intersecții și locuri menținute la temperaturi diferite, apoi la capătul deschis al firului va EMF, așa-numitul Seebeck. Aceasta se numește efectul Seebeck. Valoarea puterii termice, în funcție de combinația de materiale este de aproximativ 10,1 mV, cu o diferență de temperatură de 100 K. Dacă plasat un nod de la o anumită temperatură, măsurarea tensiunii rezultante pentru a determina temperatura locului unde a doua intersecție.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: