Способ соединения токоведущих шин

Изобретение относится к способу соединения токоведущих шин алюминиевых электролизеров. В способе выполняют сквозные цилиндрические отверстия в токоведущих шинах, накладывают их друг на друга, совмещая отверстия. Затем вводят в отверстия болты и производят затяжку болтов. В не менее чем одно сквозное цилиндрическое отверстие устанавливают разрезную цилиндрическую контактную вставку с конической внутренней поверхностью, болтами с пружинными шайбами производят затяжку одной или двух металлических конических втулок, устанавливаемых внутри разрезной цилиндрической контактной вставки с возможностью скольжения. Разрезные цилиндрические контактные вставки изготавливают из низкоомного материала и выполняют с частичным или полным разделением на отдельные сектора. Выбор количества разрезных цилиндрических контактных вставок, углов для внутренних конических поверхностей разрезных цилиндрических контактных вставок и конических втулок и силы затяжки в болтовых соединениях производят из условия свободного скольжения конических втулок вдоль внутренней поверхности разрезных цилиндрических контактных вставок. Также соблюдают дополнительное условие равенства распределения электрического тока под болтовыми соединениями и разрезными цилиндрическими контактными вставками. На соединяемые поверхности разрезных цилиндрических контактных вставок и токоведущие шины перед их наложением друг на друга наносят уплотняющую проводящую пасту. Обеспечивается уменьшение падения напряжения на переходе более чем в два раза и стабилизация вариаций величины контактного соединения в рабочем диапазоне температур от -45 до +70°С на уровне 10-15% от максимального значения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для соединения токоведущих шин алюминиевых электролизеров.

Известен способ соединения токоведущих шин электролизеров с помощью болтовых соединений, который включает операции выполнения сквозных отверстий в токоведущих шинах, установку болтов в отверстия, установку пружинных шайб на болты и затяжку пакета шин гайками до обеспечения требуемого омического контакта соединения [1].

Данный способ имеет ряд недостатков. Для обеспечения требуемого омического контакта в болтовом соединении с учетом сохранения статической прочности конструкции необходимо точно контролировать уровень затяжки болтов. При использовании болтов, твердость которых выше твердости материала токоведущих шин и имеющих коэффициенты линейного температурного расширения, отличные от коэффициента расширения для материала шин, сезонные вариации температурных условий в корпусах электролиза приводят к неконтролируемым изменениям силы сжатия пакета токоведущих шин. В долговременном плане многократные циклические изменения температуры окружающей среды приводят к снижению силы сжатия пакета токоведущих шин с течением времени и, соответственно, к ухудшению омического контакта в токоподводах. В сочетании с возникновением коррозии в подболтовых областях соединения это снижает эффективность работы электролизеров и требует проведения периодической корректировки уровня затяжки болтовых соединений токоведущих шин.

Исключение недостатков, свойственных способу [1], в аналоге [2] обеспечивается за счет использования при сборке токоведущих шин помимо болтовых соединений дополнительно выполняемых сварных швов. Однако введение такой процедуры усложняет процесс сборки и разборки контактного соединения токоведущих шин электролизеров и требует дополнительных затрат. Известный способ принят за прототип.

Задачей изобретения является улучшение омического контакта в разборных контактных соединениях (РКС) токоведущих шин с сохранением простоты и удобства процессов их сборки-разборки, а также обеспечение стабильности работы соединений при изменении температурных условий их функционирования.

Решением задачи является способ соединения токоведущих шин, при котором в соединяемых токоведущих шинах выполняют сквозные цилиндрические отверстия, после чего токоведущие шины накладывают друг на друга, совмещая отверстия, вводят в отверстия болты и производят затяжку болтов, согласно известному способу для улучшения омического контакта и увеличения площади соединяемых токоведущих шин в не менее чем одно сквозное цилиндрическое отверстие устанавливают разрезную цилиндрическую контактную вставку с конической внутренней поверхностью и при помощи болтов с пружинными шайбами производят затяжку одной или двух металлических конических втулок, установленных внутри разрезной цилиндрической контактной вставки с возможностью скольжения металлических конических втулок внутри разрезной цилиндрической контактной вставки, причем разрезные цилиндрические контактные вставки изготавливают из низкоомного материала и выполняют с частичным или полным разделением на отдельные сектора.

Способ также определяется следующими частными отличительными признаками, направленными на решение поставленной задачи.

Для минимизации изменений переходного сопротивления в соединении токоведущих шин от изменений температуры выбор количества разрезных цилиндрических контактных вставок, углов для внутренних конических поверхностей разрезных цилиндрических контактных вставок и конических втулок, а также силы затяжки в болтовых соединениях производят из условия свободного скольжения конических втулок вдоль внутренней поверхности разрезных цилиндрических контактных вставок с соблюдением дополнительного условия равенства распределения электрического тока под болтовыми соединениями и разрезными цилиндрическими контактными вставками.

На соединяемые поверхности разрезных цилиндрические контактных вставок и токоведущие шины, перед их наложением друг на друга, наносят уплотняющую проводящую пасту.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема контактного соединения токоведущих шин, в котором центральная болтовая стяжка замещается на разрезную цилиндрическую контактную вставку; на фиг.2 приведена конструкция разрезной цилиндрической контактной вставки; на фиг.3 представлена зависимость контактного сопротивления от величины контактного давления [3] (кривая 1 соответствует повышению давления при сжатии; 2 - понижению давления).

РКС состоит из токоведущих шин 1, нескольких рядов болтов 2 с пружинными шайбами, затягиваемыми гайками. Часть болтов при этом заменена разрезными цилиндрическими контактными вставками 3. Для этого в токоведущих шинах выполнены цилиндрические сквозные отверстия, в которые вставлены разрезные цилиндрические контактные вставки 3 с коническими втулками 4, помещенными внутри. Затяжку конических втулок 4 производят при помощи болтов 5 с пружинными шайбами 6.

Разрезные цилиндрические контактные вставки изготавливаются из низкоомных электротехнических материалов (медь, алюминий и т.д.). Для конических втулок 4 могут быть использованы как низкоомные материалы (медь, латунь), так и конструкционные (сталь).

Переходное электрическое сопротивление контакта между соседними шинами R_b за счет болтовых соединений определяется как [1]:

где μ - крутящий момент при затяжке болтов, H·м; d - диаметр болтов, мм; n - количество болтов; l_k, h_k - длина и ширина контактного соединения, мм; i - число контактных плоскостей; k, a, b - величины, зависящие от материала соединяемых шин, известные из [1]. Изменение переходного электрического сопротивления контакта (1) при изменении температуры узла Т, возникающее из-за разности коэффициентов линейного расширения материала токоведущих шин из алюминия α_Al=24·10^-6 град^-1 и стальных болтов с α_b=12·10^-6 град^-1, вызывается изменением величины эффективного крутящего момента затяжки болтов:

где μ₀ - крутящий момент затяжки при температуре T₀; k_μ - коэффициент связи величины силы стяжки болтового соединения с крутящим моментом; Е_Al=7 ГПа - модуль упругости алюминия. Вследствие того, что α_Al>α_b, переходное электрическое контактное сопротивление болтовых соединений увеличивается при охлаждение и уменьшается при нагревании. Соответственно при температуре меньшей температуры первичной затяжки Т₀ происходит повышение переходного электрического сопротивления соединительного узла от исходного [1].

Использование разрезных цилиндрических контактных вставок позволяет компенсировать рост переходного сопротивления в силу того, что они обеспечивают обратную зависимость изменения переходного сопротивления при изменении температуры в сравнении с [2].

Переходное сопротивление между соседними токоведущими шинами за счет m разрезных цилиндрических контактных вставок определяется как:

где ρ_oν - объемное сопротивление материала вставки, Ом мм²/м при температуре T₀=20°С; γ - температурный коэффициент изменения объемного сопротивления; s - толщина анодной шины, мм; d_ν, d_c - соответственно, внешний и внутренний диаметр разрезной цилиндрической контактной вставки, мм; k_ν - коэффициент формы, определяющий объемное сопротивление полого цилиндра; ρ_k(P) - удельное контактное поверхностное сопротивление перехода разрезная цилиндрическая контактная вставка - токоведущая шина в зависимости от давления P_ν (фиг.3), Ом·мм²/м.

В режиме нагревания контактного узла давление на поверхности раздела разрезной цилиндрической контактной вставкой с токоведущей шиной остается выше некоторого минимального предела, равного:

где F - сила сжатия конических втулок болтами, N_s - число шин в пакете, α - половинный угол раствора конической втулки, v_cν - коэффициент трения покоя пары материалов конические втулки - разрезная цилиндрическая контактная вставка. При нагревании узла соотношение (4) поддерживается вследствие продвижения конических втулок внутрь разрезной цилиндрической контактной вставки под действием сил, обеспечивающихся болтами с пружинными шайбами. Максимальное значение достигается при α→0. Поскольку значения v_cv для металлических поверхностей не превышают 0.1-0.4 (при использовании проводящих смазок эта величина может быть существенно уменьшена), то с практической точки зрения достаточно выбрать угол конических втулок и, соответственно, внутренних конических поверхностей разрезных цилиндрических вставок в диапазоне величин

чтобы обеспечить величину

В результате переходное электрическое сопротивление разрезных цилиндрических контактных вставок в режиме нагревания не превышает (3) со значением Р_ν из (4), определяемым по (6). Использование уплотняющей проводящей пасты при сборке токоведущих шин с установкой в них разрезных цилиндрических контактных вставок помимо улучшения электрического контакта приводит также к снижению величины ν_cν и, соответственно, к росту величины . При этом максимальное значение величины оказывается ограниченным значением в пределе при стремлении v_cν→0

В результате имеем следующее: при повышении температуры токоведущих шин происходит снижение электрического сопротивления для контактного узла в целом за счет падения переходного электрического сопротивления в области болтовых соединений (1) (с учетом (2)) при сохранении переходного электрического сопротивления в области разрезных цилиндрических контактных вставок.

При понижении температуры токоведущих шин с учетом условия tgα<k (что автоматически выполняется при выборе углов для внутренних поверхностей разрезных цилиндрических контактных вставок и конических втулок в соответствии с условием (5)) сила трения в паре коническая втулка - разрезная цилиндрическая контактная вставка блокирует обратное перемещение конических втулок под действием сил их выдавливания наружу, что приводит к возникновению эффекта самообжатия разрезных цилиндрических контактных вставок на конических втулках. Вследствие этого величина давления на границе разрезная цилиндрическая контактная вставка - токоведущая шина растет как:

.

где коэффициент К_T вычисляется по формуле , [град^-1], а коэффициент k_Al в свою очередь определяется как:

.

где σ_Al коэффициент Пуассона для алюминия. Присутствующие в формуле для K_T коэффициенты А и В определяются следующими соотношениями:

где и ν - индексы, указывают на материал, из которого изготавливаются конические втулки и цилиндрические контактные вставки соответственно. Коэффициенты k_c и k_ν вычисляются по формуле (8) с использованием величин модуля Юнга и коэффициента Пуассона для материалов конических втулок и разрезных цилиндрических контактных вставок. Величины α_Al, α_c и α_ν есть, соответственно, коэффициенты линейного расширения материалов, а Т_max и Т - максимальная и текущая температура работы контактного узла.

В соответствии с (7) разрезная цилиндрическая контактная вставка имеет обратную температурную зависимость изменения переходного сопротивления по отношению к обычным болтовым соединениям (2), поскольку при охлаждении растет контактное давление на поверхности разрезная цилиндрическая контактная вставка - токоведущая шина. В результате сочетание в контактном соединении токоведущих шин болтовых соединений и цилиндрических разрезных контактных вставок позволяет стабилизировать колебания переходного сопротивления узла за счет подбора характеристик разрезных цилиндрических контактных вставок на уровне, соответствующем требованиям ТУ.

Расчет количества и параметров разрезных цилиндрических контактных вставок производится исходя из условия оптимизации характеристик соединения токоведущих шин.

Конкретно, параметры соединения токоведущих шин следует подбирать таким образом, чтобы электрический ток между болтовыми соединениями и разрезными цилиндрическими вставками распределялся в соотношении приблизительно 50/50%,

R_b≈R_v˜2R_s,

где R_s - требуемое значение сопротивления контактного узла в целом.

Выполнение устройства согласно изобретению иллюстрируется примером осуществления разборного контактного соединения алюминиевых шин сечением (515×70 мм²) с 4 подводными и 4 токосъемными шинами с 1 разрезной цилиндрической контактной вставкой и 8 болтовыми соединениями. В пакете токоведущих шин выполняют цилиндрические сквозные отверстия. Изготавливают разрезные цилиндрические контактные вставки из низкоомного материала с конической внутренней поверхностью и внешним диаметром, равным диаметру сквозных цилиндрических отверстий в пакете шин. Цилиндрические контактные вставки вставляют в цилиндрические сквозные отверстия в пакете шин и зажимают болтами с пружинными шайбами с использованием конических втулок из материала, твердость которого выше твердости материала цилиндрических контактных вставок. Одну или две конические втулки устанавливают внутри разрезной цилиндрической контактной вставки с возможностью скольжения.

Расчетная величина переходного сопротивления такого соединения за счет болтовых соединений равна (фиг.1):

Контактное сопротивление разрезной цилиндрической контактной вставки, выполненной из алюминия, диаметром d_ν=75 мм с коническими втулками из стали с d_c=30 мм (конструктивный диапазон для давления на поверхности разрезной цилиндрической контактной вставки выбирается равным ˜3-5 МПа (0,3-0,5 кг/мм²) [3] на контактной поверхности) составляет:

Полное контактное сопротивление в РКС при этом равно:

Таким образом, замена одного болта в РКС на разрезную цилиндрическую контактную вставку из алюминия снижает общее расчетное контактное сопротивление узла в стандартном исполнении в 1.6 раза по сравнению с использованием 9 болтов (R_b=0.034 мкОм).

Для улучшения электрического контакта в процессе сборки и эксплуатации, а также снижения коэффициентов статического трения, в разрезных цилиндрических контактных вставках для РКС рекомендуется применять уплотняющие проводящие пасты или смазки. В качестве таковых могут быть использованы покрытия типа БРОС 10-1,5, смазка ЭКС-200, контактная смазка ТЭП 300, а также обычная графитовая смазка.

Результаты промышленных испытаний показали, что использование РКС с одной разрезной цилиндрической контактной вставкой с применением проводящей пасты уменьшает падение напряжения на переходе более чем в два раза и обеспечивает стабилизацию вариаций величины контактного соединения в рабочем диапазоне температур от -45 до +70°С на уровне 10-15% от максимального значения.

Литература

1. Бойченко В.И., Дзекцер Н.Н. Контактные соединения токоведущих шин. Л., Энергия, 1978, с.144.

2. Авторское свидетельство СССР SU №1681587 А1, кл. С25С 3/16, 1989 (прототип).

3. Справочник «Алюминиевые электрические провода» Изд. В 1989 г. The Aluminium Association 900 19^Th Street, N.W.Washington, O.C. 2006.

1. Способ соединения токоведущих шин, включающий выполнение сквозных цилиндрических отверстий в соединяемых токоведущих шинах, наложение токоведущих шин друг на друга с совмещением отверстий, введение в отверстия болтов и проведение затяжки болтов, отличающийся тем, что для улучшения омического контакта и увеличения площади соединения токоведущих шин не менее чем в одно сквозное цилиндрическое отверстие устанавливают разрезную цилиндрическую контактную вставку с конической внутренней поверхностью, в которую устанавливают одну или две металлические конические втулки, и при помощи болтов с пружинными шайбами производят затяжку одной или двух металлических конических втулок с обеспечением возможности скольжения металлических конических втулок внутри разрезной цилиндрической контактной вставки, причем разрезные цилиндрические контактные вставки изготавливают из низкоомного материала и выполняют с частичным или полным разделением на отдельные сектора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для минимизации изменений переходного сопротивления в соединении токоведущих шин от изменений температуры выбор количества разрезных цилиндрических контактных вставок, углов для внутренних конических поверхностей разрезных цилиндрических контактных вставок и конических втулок и силы затяжки в болтовых соединениях производят из условия свободного скольжения конических втулок вдоль внутренней поверхности разрезных цилиндрических контактных вставок с соблюдением условия равенства распределения электрического тока под болтовыми соединениями и разрезными цилиндрическими контактными вставками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на соединяемые поверхности разрезных цилиндрических контактных вставок и токоведущие шины перед их наложением друг на друга наносят уплотняющую проводящую пасту.