6.2. Матеріали для проводів. Мідь. Алюміній.
6.3. Матеріали для контактів.
6.4. Матеріали з малим температурним коефіцієнтом опору. Матеріали для термопар.
Хоча, як відомо, електроенергія передається не по провідникам, а по діелектричних простору між провідниками, проте, провідники необхідні для направлення потоків цієї енергії.
Основна характеристика провідника - це егоелектропроводность.
Як відомо, і ми розглядали це питання на 2 лекції, в будь-якому тілі при додатку напруги повинен протікати струм у відповідності з виразом, що визначає щільність струму
Тут ni - концентрація носіїв заряду i-ого сорту, qi - значення заряду, vi - швидкість заряду. Для металів носіями заряду є електрони. Приблизна кількість електронів в металі становить близько 10 22 шт / см 3. Якщо оцінити концентрацію атомів типового металу, то вона складе приблизно ті ж значення. Це означає, що всі атоми ионизована і електрони не належать кожному атому, а усуспільнено у всьому кристалі. Класична теорія металів розглядала електрони як ідеальний газ, частинки якого стикаються з дефектами решітки, коливаннями атомів, за рахунок чого їх швидкість залишається обмеженою в електричному полі. До зіткнення електрон повинен прискорюватися протягом часу t. Можна показати, що довжина вільного пробігу, з класичної механіки, складе
Заряд, який протікає через одиничну площадку протягом часу t заповнює циліндр довжиною l з щільністю n. Прирівнюючи l n добутку щільності струму на тривалість t. отримаємо.
З цього виразу випливає закон Ома для металів, вираз для питомої електропровідності матиме вигляд
Якщо ті ж операції провести для перенесення тепла електронним газом, то значення питомої теплопровідності k складе
Тут k - постійна Больцмана, Т - температура. Звідси можна отримати, що відома з практики закономірність, що чим більше електропровідність металу, тим більше його теплопровідність має під собою теоретичне обгрунтування. Дійсно, поділивши вираз (6.5) на (6.4.) І додатково розділивши на Т отримаємо, т.зв. число Лоренца
L = k ¤ (s × Т) = 3 (k / e) 2.
тобто теплопровідність і електропровідність пропорційні один одному. Дійсно, виміряні числа Лоренца для різних металів слабо відрізняються один від одного.
Експериментальні значення питомої електропровідності металів, своєю чергою величини складають (10 8 - 10 7) См / м.
Для практики важливо, що електропровідність металів залежить від температури. Експериментально встановлено в ряді випадків, що ця залежність близька до лінійної залежності. Зазвичай її приводять у вигляді температурної залежності питомого опору.
Тут r (T0) - питомий опір при якійсь температурі T0. зазвичай це 20 ° С. T До r - температурний коефіцієнт питомого опору. Він має розмірність 1 / К (або 1 / ° С), для металів T До r завжди позитивний. Оцінимо значимість цього чинника - температурної залежності питомого опору. Наприклад для міді він становить 4.3 × 10 -3 1 / К, що означає, що опір подвоїться при збільшенні температури на 232 градусів.
Для електричних проводів значення питомого опору є найважливішим фактором. Він визначає питому потужність втрат електроенергії в проводах, тобто потужність в одиниці об'єму дроти
Проведемо оцінку для енерговиділення, наприклад визначимо, через який час матеріал проводів нагріється на 1 градус. Взявши в якості матеріалу проводів алюміній, r = 2.8 × 10 -8 Ом · м, для щільності струму візьмемо два значення j = 10-100 А / мм 2. Отримаємо для питомої потужності втрат рпотерь = (2.8-280) МВт / м 3 . Багато це чи мало? Потужність Новосибірської ГЕС становить близько 500 МВт в період максимальної потужності. Наскільки швидко при цьому нагріваються дроти? Порівняємо з відомим виразом для теплової потужності, необхідної для нагріву матеріалу dQ / dt = cddT / dt. де d-щільність матеріалу d = 2.7 10 3 кг / м 3. с- теплоємність, з = 386 Дж / (кг × К). Прирівнюючи теплову потужність електричної потужності втрат отримаємо
Нижня межа, при j = 10 А / мм 2 означає, що провід може нагрітися приблизно на 2 градуси за 1 секунду, верхня - на 200 градусів за 1 секунду. Ясно, що друге значення щільності видається занадто великим.
Вираз (6.7) можна привести до вимірюваних величин: струму I і площі перетину дроту S. перерахувавши його на втрати в проводі, на одиниці його довжини (1 м)
Рпотері = I 2 × r / S 2
Залежно від щільності струму в проводах втрати можуть сильно відрізнятися. Ясно, що при пропущенні певної потужності по лінії електропередач, наприклад для трифазної лінії Р = 3 Ua I, чим більше напруга мережі, тим більше потужність при тому ж значенні струму. Оскільки втрати визначаються струмом, а передана потужність твором струму на напругу, то вигідніше переходити на більш високі класи напруги. Тому переходять на все більш високі напруги, щоб відносно менша частка енергії губилася в проводах. Однак, як буде розказано в лекції по діелектричних характеристик повітря, неможливо нескінченно підвищувати напругу.
Ясно також, що чим більше струм, тим більше потужність, причому залежність лінійна. Однак зі зростанням струму втрати енергії зростають квадратично, тобто набагато сильніше, ніж зростання переданої потужності. Збільшення площі перетину дроту послаблює проблему, але, з іншого боку, відбувається збільшення вартості будівництва лінії електропередач, тому що вартість кольорового металу проводів значна. Крім того, збільшення ваги проводів спричиняє збільшення маси опор, ускладнення монтажу і т.п. В результаті компромісу між збільшенням втрат і збільшенням будівництва домовилися розраховувати дроти лінії на певну компромісну щільність струму, т.зв. економічну щільність струму. Згідно з Правилами улаштування електроустановок (ПУЕ), для міді вона складає 2,5 А / мм 2 в разі відкритих проводів при експлуатації 1000-3000 годин на рік, і знижується до 1.8 А / мм 2 при експлуатації понад 5000 в рік. Для алюмінію все цифри приблизно в два рази нижче. Для кабелів все визначається умовами тепловідводу через ізоляцію і оболонку кабелів, в ПУЕ допустима щільність струму нормується для кожного виду кабелів окремо, як правило допустима щільність струму ще нижче.
З провідникових матеріалів з високою тепло- і електро- проводового самим чудовим матеріалом для проводів було б срібло. Його питомий опір при кімнатній температурі становить приблизно 1.4 × 10 -8 Ом × м, теплопровідність 418 Вт / (м × К). Однак цей матеріал дуже дорогий і рідкісний, тому срібло використовують тільки для відповідальних контактів, тому що воно не тільки ідеальний провідник, але і не окислюється в процесі роботи, значить не погіршуються властивості контакту з часом. Відзначимо, що інші, більш звичні провідники, такі як мідь або алюміній окислюються киснем повітря, перетворюючись в непровідні оксиди, погіршуючи або навіть запобігаючи омічний контакт. Для проводів саме їх і використовують, тому що по електропровідності їх можна поставити на 2-е і 3-е місце після срібла.
Властивості міді.
Мідь - м'який матеріал червонуватого відтінку.
Атомний номер - 29
Атомна маса - 63.7
Валентність 1 і 2
Щільність при 20 ° С 8.89 т / м 3
Питомий опір при 20 ° С 1.7 10 -8 Ом × м.
Температурний коефіцієнт опору 4.3 10 -3 1 / К
Теплоємність 386 Дж / (кг × К)
теплопровідність
400 Вт / (м × К)
Температура плавлення 1083 ° С
Міцність при розтягуванні 200 МПа
Застосування міді в енергетиці досить широко - різні провідники, кабелі, шнури, шини, плавкі вставки, обмотки трансформаторів і котушок.
Властивості алюмінію.
Алюміній - м'який матеріал світло-сірого кольору.
Атомний номер - 13
Атомна маса - 27
валентність 3
Щільність при 20 ° С 2.7 т / м 3
Питомий опір при 20 ° С 2.8 10 -8 Ом × м
Температурний коефіцієнт опору 4 10 -3 1 / К
Теплоємність 950 Дж / (кг × К)
теплопровідність
200 Вт / (м × К)
Температура плавлення 660 ° С
Міцність при розтягуванні 80 МПа
Зіставлення цих матеріалів по найбільш важливим для практики параметрам показує, що вони сильно відрізняються по щільності, теплоємності, міцності при розтягуванні. Цікаво, що твір теплоємності на щільність - мало відрізняється у цих матеріалів (
30%) Той факт, що у алюмінію мала механічна міцність змушує армувати алюмінієві дроти сталевими сердечниками. При цьому струм протікає по алюмінію (у стали питомий опір приблизно в 5-10 разів вище ніж у алюмінію), а механічну міцність забезпечує сталь.
Для виготовлення проводів використовують алюміній, мідь, бронзу, а також поєднання цих елементів зі сталлю. При перетині до 10-15 мм 2 зазвичай використовують однопроволочние дроти, при більшому перетині - багато дротові, скорочення дроти. Марки проводів А, АЖ, АН, АКП, АС, Б, БРФ, М, Мк і т.п. Найбільш популярні дроти для ВЛ - сталеалюмініевие марки АС, наприклад АС 95/16 означає, що в поперечному перерізі 95 мм 2 алюмінію і 16 мм 2 стали.
Провідники в місці контакту відрізняються від провідників в обсязі проводів декількома обставинами їх функціонування.
По - перше, неможливо зробити площу контакту такий же або більшої, ніж площа перерізу проводів. Тому щільність струму і енерговиділення завжди вище в області контакту. По-друге, в місці контакту виникають мікропробоі, а іноді і макропробоі, що переходять в дугу (розмикання контактів вимикача) з локальним високим енерговиділенням, що призводить до деформації матеріалу в області контакту, локальному розплавлення і т.п. По-третє, в контакті виникає тертя при русі однієї частини контакту про іншу. По-четверте, контактні поверхні в розімкнутому стані не повинні взаємодіяти з навколишнім середовищем. Тому матеріали для контактів повинні володіти особливими властивостями. Вони повинні бути стійкими проти корозії, стійкими проти електричної ерозії і виносу матеріалу, що не зварюються. мати високу зносостійкість на стирання, легко оброблятися, притиратися один до одного, мати високу тепло і електропровідність, мати невисоку вартість.
Ідеальних матеріалів для контактів - немає.
Для слабкострумових контактів зазвичай використовують благородні або тугоплавкі метали: срібло, платину, паладій, золото, вольфрам і сплави на основі цих металів.
Срібло - недоліком срібла є утворення непровідних сірих плівок сульфіду срібла в результаті взаємодії з вологим сірководнем. Іншим недоліком є зварювання контактів зважаючи на малу температури плавлення срібла 960 ºС. Для поліпшення властивостей в срібло додають кадмій, мідь, золото, паладій або кремній.
Золото. само по собі, рідко використовується через його м'якості, хоча воно зовсім не окислюється. У місці контакту через м'якість металу легко утворюється ерозія, голки з металу. винесення матеріалу. Для поліпшення властивостей в золото додають срібло (до 50%), нікель і цирконій, платину. В результаті можна отримати не окислюється, тверді контакти зі слабкою ерозією.
Вольфрам є одним з поширених контактних матеріалів. Він краще за всіх протистоїть дуговим розрядами, практично не зварюється, (завдяки високій температурі плавлення), не зношується (завдяки високій твердості). Однак вольфрам не стійкий проти корозії і окислення, найкраще працює у вакуумі, в атмосфері водню або азоту. Крім того, для контактів з малим натисканням вольфрам непридатний.
Для потужнострумових контактів чисті метали не застосовні. Для них використовують т.зв. псевдосплави, одержувані методами порошкової металургії.
Псевдосплав - спечена суміш двох порошків, один з яких є більш тугоплавким. При цьому більш легкоплавка компонента може розплавитися в процесі роботи, але наявність каркаса з тугоплавкої компоненти утримує рідину за рахунок капілярних сил. Легкоплавка компонента зазвичай є більш тепло- і електропровідної. Використовують наступні псевдосплави:
срібло-окис кадмію, срібло-графіт, срібло-нікель, срібло-вольфрам, мідь-графіт, мідь-вольфрам.
Для потужних ланцюгів контакти роблять накладними, на мідь зміцнюють пластини з Ag + W. або З u + W псевдосплавів.
Для потужних спорогенезів контактів з великими струмами дуги (до 100 кА) використовують мідь-графіт контакти. Вони гірше зварюються, проте сильно зношуються під дією дуги. Псевдосплав з великою кількістю графіту (більше 5%) використовується в якості щіток в ковзних контактах.
Повертаючись до температурного коефіцієнту для провідникових резистивних матеріалів слід згадати про існування матеріалів з практично нульовим температурним коефіцієнтом опору. Це манганин, матеріал для точних прецизійних резисторів, і константан. У самій назві константана закладена інформація про сталість опору. Склад манганина - марганець 11.5-13.5%, нікель - 2.5-3.5%, решта - мідь. Склад константана - нікель - 40%, марганець 1-2%, решта - мідь.
По складу родинними є матеріали, що використовуються для термопар. Це хромель - сплав нікелю і хрому (90% Ni + 10% Cr), алюмель - сплав нікелю (94%) з алюмінієм, кремнієм і марганцем, копель - сплав міді з кобальтом та нікелем. Використовуються також константан і платина. Якщо до кінців зволікання з одного з таких матеріалів приварити зволікання з іншого матеріалу, вийде термопара, а місця спаїв підтримувати при різній температурі, то на на розімкнутих кінцях зволікання з'явиться ЕРС, так звана термоЕРС. Це називається ефект Зеєбека. Значення термоЕРС, в залежності від сполучень матеріалів становить приблизно 1-10 мВ при різниці температур 100 К. Якщо помістити один спай при відомій температурі, то вимір виникаючої напруги дозволяє визначити температуру того місця, де знаходиться другий спай.