Скользящий контакт электрических машин - Щетки для электрических машин, эксплуатируемых в особых климатических условиях

Щетки для электрических машин, эксплуатируемых в особых климатических и других условиях.
Среди рассмотренных областей использования электрических скользящих контактов особое место занимали контакты синхронных компенсаторов с водородным охлаждением, контакты погружных электродвигателей и контакты электрических машин летательных аппаратов. В первом и втором из отмеченных случаев имела место замена воздушной среды, окружающей контакт, средой водорода и трансформаторного масла, а в третьем — изменение состояния окружающей среды вызывалось подъемом летательных аппаратов в верхние слои атмосферы. Во всех этих случаях нормальная работа электрооборудования оказывалась возможной либо благодаря применению специальным образом обработанных электрощеток, либо благодаря соответствующему изменению их конструкции. Аналогичным образом решается рассматриваемая задача и в ряде других случаев изменения состояния и состава среды, окружающей контакт. Из их числа наибольший практический интерес представляют случаи эксплуатации электрооборудования в различных географических областях. Низкие температуры районов высоких широт и специфические условия тропиков предъявляют к электрическому скользящему контакту ряд дополнительных требований, главнейшими из которых являются термостойкость, влагостойкость, способность противостоять действию морского тумана и плесневых грибков. Специальными исследованиями, в которых изучалась способность электрощеток удовлетворять перечисленным требованиям [Л. 9-23], установлено, что низкие температуры (порядка —40 °C) не влияют на внешний вид и геометрические размеры электрощеток. При воздействии указанных температур остаются неизменными значения удельного электрического сопротивления и твердости электрощеточных материалов. Циклические изменения температуры от —60 до +120 °C и от —60 до +180 °C и длительное воздействие температуры +120 и +180 °C не оказали влияния на твердость и механическую прочность электрощеток. Что касается удельного электрического сопротивления и геометрических размеров, то при температуре свыше +120 °C в изделиях, изготовленных из металлсодержащих материалов (материалы I класса), эти характеристики изменяются в сторону увеличения. У электрографитированных электрощеток значения перечисленных характеристик остаются постоянными.
Только что описанные соотношения остаются справедливыми и при возрастании влажности, характерной для районов влажных тропиков. У электрографитированных электрощеток названный фактор не оказывает никакого влияния на удельное электрическое сопротивление, твердость, механическую прочность, внешний вид и габаритные размеры. У электрощеток, изготавливаемых из материалов I класса (т. е. содержащих металл), повышенная влажность вызывает возрастание удельного электрического сопротивления и геометрических размеров.
Пребывание электрощеток в среде, зараженной спорами плесневых грибков, показало, что эта среда не оказывает вредного воздействия на электрощетки.
Изложенные сведения о влиянии климатических факторов относились к материалам, из которых изготовляются электрощетки. Количественная оценка этого влияния, равно как имеющийся опыт эксплуатации электрооборудования в различных климатических районах, свидетельствует о том, что эти материалы сами по себе могут считаться удовлетворяющими предъявляемым к ним дополнительным требованиям. Что касается изготовленных из этих материалов электрощеток, то находящиеся на них металлические элементы армировки и место заделки токоведущего провода в тело изделия оказываются весьма чувствительными к воздействию влажности, высоких температур и морского тумана. При указанных воздействиях происходят интенсивная коррозия армирующих элементов и возрастание переходного сопротивления в месте заделки. С целью предотвращения этих нежелательных явлений арматура электрощеток, предназначенных для использования в районах с тропическим климатом, должна снабжаться защитным покрытием в виде слоя олова (лужение). Зерна медного порошка, используемого при заделке токоведущего провода способом конопатки, принято покрывать слоем серебра.
Влияние климатического фактора на совместную работу элементов электрического скользящего контакта частично освещалось в главах, где речь шла о зависимости характеристик 2ΔU, μ и Δh от влажности и температуры. 

Для рассматриваемых здесь вопросов обеспечения нормальной работы электрощеток в различных климатических условиях большое значение имеет вопрос о сочетании названных показателей состояния атмосферы. Общеизвестно, что для нормального функционирования электрического скользящего контакта требуется присутствие в атмосфере определенного количества влаги. По мере уменьшения этого количества антифрикционные свойства электрощеточных материалов ухудшаются, а когда содержание влаги упадет ниже некоторого критического предела, работа контакта нарушается: исчезает политура и катастрофически распыляются электрощетки. Нижний предел содержания водяного пара в воздухе первоначально был определен в количестве 4,6 г/м³. В последующем эта цифра подвергалась уточнению, и в настоящее время считают, что критическое содержание водяного пара лежит в пределах 1—3 г/м³. Для того чтобы не произошло нарушения нормальной работы элементов электрического скользящего контакта, необходимо, чтобы абсолютная (объемная) влажность окружающего контакт воздуха не снижалась до критического предела, а превышала его. Данные, характеризующие объемную влажность воздуха при его различной относительной влажности и температуре, приведены в табл. 9-45.
При состояниях атмосферы в пределах зоны I, в которой объемная влажность ниже 1 г/см³, узел токосъема нормально функционировать не может. При состояниях атмосферы в пределах зоны II, в которой объемная влажность колеблется от 1 до 3 г/м³, скользящий контакт будет работать неустойчиво, и только при состояниях атмосферы, характеризуемых зоной III, когда в 1 м³ воздуха содержится 3—20 г водяных паров, будет обеспечена нормальная работа деталей узла токосъема. С переходом в зону IV эта работа , ухудшается. Работа в последней зоне может иметь место при эксплуатации электрооборудования в районах влажного тропического климата; работа в зоне I может возникнуть в случае использования электрических машин в высокоширотных областях. Последний случай наиболее опасен, так как приводит к форсированному изнашиванию электрощеток. 

Таблица 9-45
Объемная (абсолютная) влажность воздуха, г/м³, при различных значениях относительной влажности

Ликвидировать это явление можно применением пропитанных электрощеточных изделий. Однако практика в данном случае пошла по другому пути: вместо применения пропитанных электрощеток устраняют причину, вызвавшую их износ. Это достигается введением влажного пара в воздушный поток, охлаждающий машину. Впрыскивание влаги менее целесообразно, так как при этом может происходить загрязнение машины.
Еще одним практически важным случаем изменения состава среды, в котором происходит эксплуатация электрооборудования, является случай появления в этой среде кремний-органических соединений. Источником их выделения могут явиться кремний-органические изоляционные материалы, использованные при изготовлении электрических машин, смазочные масла с кремний-органическими добавками и т. п. При термическом старении перечисленных материалов из них выделяются летучие фракции, содержащие кремний, — так называемые силиконы. При циркуляции во внутреннем объеме электрической машины силиконы вступают во взаимодействие с нагретыми частями узла токосъема — электрощетками, коллектором и покрывающей его политурой. Результатом этого взаимодействия является нарушение нормального функционирования скользящего контакта, проявляющееся в катастрофическом (в несколько десятков раз) возрастании скорости изнашивания электрощеток, а в отдельных случаях и в расстройстве коммутационного процесса. Существует несколько гипотез, объясняющих механизм описываемых явлений [Л. 3-13, 9-24 и 9-25]. В своей основе эти гипотезы не являются взаимоисключающими, так как все они признают решающую роль силиконов в рассматриваемом процессе. Подобное обстоятельство является решающим при разработке практических мер улучшения эксплуатационных свойств деталей узла токосъема электрических машин, работающих в атмосфере, содержащей силиконы. Главнейшими из этих мер являются следующие:
1) размещение внутри машины в области щеточноколлекторного узла веществ, активно поглощающих силиконы; 2) разработка систем и конструкций вентиляции электрических машин, уменьшающих или исключающих возможность попадания в зону скользящего контакта силиконов; 3) рациональный выбор или создание специальных марок электрощеток, способных противостоять воздействиям силиконов и обеспечивающих нормальную работу скользящего контакта.

Возможность использования первых двух способов нормализации работы скользящего контакта должна предусматриваться на стадии проектирования электрической машины. Иное дело, когда подобная задача решается за счет применения соответствующих электрощеток.
При описании механизма нарушения нормальной работы узла токосъема отмечалась роль силиконов в рассматриваемом процессе и их взаимодействие с коллекторной политурой. Очевидно, если организовать удаление поверхностного слоя политуры, содержащего силиконы, то нарушения работы контакта произойти не должно. Подобное удаление можно осуществлять с помощью электрощеток, изготовив их из материалов, обладающих тонкими полирующими свойствами. К числу таковых относятся электрощеточные материалы на графитовой основе, содержащие зольные примеси (материалы группы ШГ). Однако поскольку подобные материалы обладают невысокими коммутирующими свойствами, их использование ограничено машинами, малонапряженными в коммутационном  отношении; для обеспечения нормальной эксплуатации современных мощных высокоиспользуемых электрических машин, находящихся в среде, содержащей силиконы, необходимо применять электрощетки марок ЭГ74к (СССР), EG123, EG124 и EG206 (Англия). Характеристики перечисленных электрощеточных материалов следующие:

Опыт использования электрощеток марки ЭГ74к показывает, что они полностью нормализуют работу электрооборудования в среде, содержащей кремний-органические соединения и средняя скорость их изнашивания в 100 из 140 исследованных случаев не превысила 5 мм/1 000 ч эксплуатации. Скорость изнашивания коллекторов при этом не превышала 0,11 мм/10 000 ч по радиусу [Л. 9-26].
При рассмотрении различных областей использования электрических машин и изложении рекомендаций по выбору пригодных для них электрощеток всегда приводились количественные оценки износных свойств последних. Характеристика износа не является единственным показателем, оценивающим эксплуатационные свойства  элементов электрического скользящего контакта. Поскольку получению этой характеристики в соответствии с принятой методикой ее определения предшествует многомесячный период эксплуатации оборудования [Л. 1-4], то, как уже отмечалось ранее, сам факт ее получения: свидетельствует о том, что все прочие показатели работы деталей узла токосъема электрических машин удовлетворяют предъявленным к ним требованиям. Приведенные параметры кривых распределения скорости изнашивания электрощеток отражают уровень их развития, и получение описанных здесь значений оказывается возможным во всех случаях, когда обеспечено создание оптимальных условий для работы элементов контакта. Описанию этих условий посвящены гл. 1—8. К сожалению, в практике эксплуатации электрооборудования выполнению этих условий не всегда уделяется достаточное внимание, в результате чего нормальная работа скользящего контакта нарушается. Для устранения возникших нарушений в работе контакта необходимо выявить причины, вызывающие эти нарушения. Значительную помощь в решении этой последней задачи может оказать приводимая далее в приложении III сводка наблюдаемых нарушений в работе элементов скользящего контакта и наиболее вероятных причин, которые эти нарушения вызывают. Зная последние и приняв меры к их устранению, удается нормализовать работу скользящего контакта электрических машин, эксплуатируемых в самых различных областях народного хозяйства.

* Библиографические справки о работах по электрическим контактам (в том числе и скользящим), опубликованных в 1835—1943 гг., составлялись Комитетом Б-4 американского общества испытания материалов. Первое издание упомянутой библиографии (Bibliography Abstracts on Electrical Contacts) вышло в 1943 г. В последующем к библиографии издавались дополнения (Supplements tu the Bibliography Abstracts on Electrical Contacts), в которых производились справки о работах, опубликованных в 1943—1953 гг. С переводами этих изданий можно познакомиться в Ленинградской публичной библиотеке им. Салтыкова-Щедрина, где они числятся под индексом.
* В самом широком смысле этого слова, включая и электродинамическое взаимодействие.