НИЗКОВОЛЬТНЫЕ КОНТАКТОРЫ
Серебро или слоистые контакты?

Контакторы, предназначенные для включения-отключения электродвигателей напряжением до 1000 В и номинальным током до 60–65 А, являются наиболее массовой и одновременно технически достаточно сложной коммутационной низковольтной аппаратурой.
В то же время производство аппаратов этих типов характеризуется наименьшей величиной добавленной стоимости, то есть значительную часть в цене аппаратов составляет стоимость покупных комплектующих и материалов. Об одной из главных составляющих стоимости – в материале истринских и чебоксарских специалисто

Михаил Афонин, академик МАИ, директор ЗАО «НПО «Благовест», г. Истра Московской обл.
Марина Овчинникова, к.т.н., директор ЗАО «Благовест-Истра», г. Истра Московской обл.
Евгений Егоров, профессор, заведующий кафедрой электрических и электронных аппаратов Чувашского государственного университета, г. Чебоксары

Основной составляющей себестоимости контакторов является стоимость серебросодержащих электрических контактов. Рассмотрим конкурентную ситуацию на рынке контакторов России в свете изменения стоимости сырьевых ресурсов.
До 1978 года цены на серебро не превышали $100 за 1 кг. Значительный рост цен на серебро в последующие годы был вызван высоким уровнем мировой инфляции и энергетическим кризисом, когда серебро наряду с другими драгоценными металлами стало предметом инвестирования свободных средств. К концу 80-х годов прошлого века среднегодовые цены стабилизировались на уровне $150–170 за 1 кг. Такие цены продержались довольно долго, но с середины 90-х годов растущий спрос на серебро стал постоянно превышать добычу. Аналитики предсказывали неизбежное повышение цен начиная с 2000–2001 года. Прогнозировался 2–3-кратный рост цен на серебро. Этот прогноз с некоторым опозданием начал сбываться в конце 2003 – начале 2004 года (рис. 1).
С этого периода стоимость серебра в основном возрастала, достигнув в I квартале 2008 года максимального за последние 23 года значения $650 за 1 кг и выше.
Рыночное развитие ситуации предполагает уменьшение спроса на серебро, рост предложения за счет расконсервации нерентабельных при меньших ценах на металл рудников и, как следствие, снижение цен на серебро и стабилизацию цен на некотором новом уровне. Поскольку отношения на рынках серебра и золота в сравнении с отношениями на многих других сырьевых рынках наиболее близки к совершенному рынку, такой прогноз представляется реалистичным.
Вместе с тем, оценивая новый уровень стабилизации цен, надо учитывать и новые тенденции в мировой экономике, к числу которых следует отнести глобализацию и, как результат, усиление монополизации практически всех рынков, а также существенное падение курса американского доллара по отношению к основным мировым валютам. Оба фактора вряд ли позволят цене на серебро опуститься ниже уровня $300 за 1 кг, и такой прогноз следует принять при оценке среднесрочной перспективы.
При сохранении высоких цен на серебро доля стоимости серебросодержащих контактов в цене рассматриваемых в рамках статьи и изготавливаемых в России и СНГ контакторов достигает значительной величины 35%.
Соразмерное повышение цен на коммутационные аппараты снижает их конкурентоспособность, заставляя группы покупателей с высокой ценовой чувствительностью обращаться к зарубежной коммутационной аппаратуре, производимой в странах с низким уровнем оплаты труда. Это дает основание рассматривать снижение содержания серебра в применяемых контактах как один из наиболее эффективных способов повышения ценовой конкурентоспособности контакторов.

КОММУТАЦИОННАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Снижение содержания серебра возможно при уменьшении размеров контактов, которое в свою очередь может достигаться либо путем повышения качества материала контактов и конструкции контактной системы, либо путем уменьшения коммутационной износостойкости аппаратов. Разумность последнего пути на первый взгляд может показаться спорной, однако при неодинаковом дефиците различных ресурсов, используемых при изготовлении коммутационных аппаратов, и тем более в условиях рынка этот путь является вполне обоснованным.
В СССР остродефицитным ресурсом считалось серебро. Именно поэтому под контролем Комитета по драгоценным металлам и силами ряда головных институтов и специалистов Министерства электротехнической промышленности был накоплен и реализован значительный опыт научно обоснованного сегментирования областей применения низковольтных коммутационных аппаратов по необходимой величине коммутационной износостойкости.
Доля контакторов класса «В», коммутационная износостойкость которых устанавливалась в 300 тысяч циклов включения-отключения тока в режиме АС3, в общем объеме потребности в контакторах была определена на уровне 60–65%. Доля контакторов класса «Б» с коммутационной износостойкостью 1 млн циклов составляла около 30%. И, наконец, небольшая доля от общей потребности приходилась на контакторы класса «А» с коммутационной износостойкостью 2 млн циклов.
В итоге в контакторах классов «Б» и «В» стали применяться контакты меньших, чем в аппаратах класса А, размеров. Разница в содержании серебра в аппаратах класса «А» и «В» доходила до 2–3 раз. Однако уменьшение размеров контактов и, следовательно, содержания серебра в них имело свои ограничения. В частности:

• уменьшению размеров мешала обусловленная технологией несоосность контактов;
• уменьшению высоты препятствовали конструктивные требования к провалам и растворам контактов;
• уменьшение размера и массы контактов приводило также к недопустимому снижению теплопроводности и теплоемкости и, как следствие, к снижению эрозионной стойкости материала контактов и стойкости контактов к свариванию.

СЛОИСТЫЕ КОНТАКТЫ

Очередным шагом в решении проблемы экономии серебра стало создание в середине 90-х годов прошлого века так называемых слоистых контактов. В этих контактах ресурс работы обеспечивался достаточно тонким рабочим слоем, а габаритные размеры сохранялись за счет балластного слоя из недрагоценного материала. При создании контактов была решена сложная и долгие годы нерешаемая техническая проблема обеспечения прочности соединения рабочего серебросодержащего слоя и слоя из недрагоценных металлов. А за счет создания анизотропной структуры достигнута высокая эрозионная стойкость материала рабочего слоя [1]. Контакты марки КМКПА36/М/СрМ70 при толщине рабочего слоя от 0,7 до 1,0 мм и габаритной толщине контакта 1,6–2,0 мм стали успешно применяться в контакторах класса «В» типов ПМЕ, ПМА, ПМЛ, ПМ12 на номинальный ток от 25 до 63 А. При этом новые контакты содержали в 1,5–2,5 раза меньше серебра, чем заменяемые контакты марки КМКА10м. Для контакторов класса «В» был, таким образом, достигнут не обеспеченный ранее оптимум в содержании серебра в аппаратах и созданы условия для формирования конкурентоспособной цены.
В то же время потенциальные возможности технологии производства слоистых материалов позволяют изготавливать контакты с любой сколь угодно малой толщиной рабочего слоя. Это открывает возможности для производства экономичных аппаратов с еще меньшей, чем у аппаратов класса «В», коммутационной износостойкостью. Например, для контакторов экономкласса (класса «Э») коммутационная износостойкость для применения в режиме, соответствующем категории АС3, установлена на уровне 10 тысяч циклов. Целесообразность такого решения имеет двоякое обоснование.

ЧАСТОТА КОММУТАЦИЙ

Во-первых (и этот аргумент является главным), исследованиями различных авторов установлено, что в ряде областей применения частота включения контакторов составляет от 1 до 30 включений в сутки [2, 3]. Это относится к контакторам, управляющим работой электродвигателей транспортеров, прессов, обдувочных, вытяжных и приточных вентиляторов, а также механизмов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. В работе [3] результаты таких исследований обобщены в виде зависимости фактической наработки контакторов в режиме АС3 за 10 лет от доли контакторов в общем объеме применения (рис. 2). Как следует из этих результатов, коммутационная износостойкость в 10 тысяч циклов является достаточной для надежной эксплуатации в течение 10 лет для более чем 50% контакторов от общего количества применяемых аппаратов.
Во-вторых, практика использования контакторов предполагает определенную недозагрузку по коммутируемой мощности [2].
Подобная ситуация обусловлена не только неправильным выбором коммутационной аппаратуры, что не может приниматься во внимание при выработке технически обоснованных подходов к сегментированию рынка, но и условиями применения контакторов.
Так, например, контактор на номинальный ток 40 А должен применяться для пуска и регулирования асинхронных электродвигателей, мощность которых соответствует токам в диапазоне от 40 до ориентировочно 25 А (то есть до значения, которому отвечает предыдущий контактор в линейке номинальных токов). При этом набор сменных нагревательных элементов теплового реле, которым комплектуется контактор, обеспечивает защиту от перегревов электродвигателей всех номинальных мощностей в регулируемом диапазоне. То есть контактор номинальным током 40 А, укомплектованный тепловым реле на 30 А, будет эксплуатироваться в режимах контактора с номинальным током 30 А.
Результаты обследования электрооборудования, выпускаемого станкостроительными заводами, приведенные в работе [2], показали, что значительная часть контакторов оказалась недозагруженной по коммутируемым токам (табл. 1).
Если в соответствии с вышеизложенным допустить, что половина от общего числа контакторов фактически отключает ток, составляющий только 0,75 от номинального, то следует согласиться, что реальная коммутационная износостойкость значительного числа контакторов класса «Э» будет выше установленной величины в 10 тысяч циклов.

ФАКТИЧЕСКАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Для определения фактической коммутационной износостойкости в режиме АС3 можно воспользоваться формулой, представленной в работах [4, 5]:

где N_{факт.АС3} – фактическая коммутационная износостойкость в режиме АС3;
I_{ном.раб.} и N_{ном.раб.} – номинальный рабочий ток аппарата и соответствующая этому току установленная величина коммутационной износостойкости;
I₀ – фактический отключаемый ток;
m – показатель степени, равный 1,75 для режима АС3.
Подставляя в формулу численные значения, получим значение фактической коммутационной износостойкости:

где N_{факт.АС3} и N_{факт.АС4} – фактическая износостойкость в режимах АС3 и АС4 соответственно (коэффициент m режима АС4 равен 2);
D – доля режима АС4 от общего числа коммутаций.
При этом, однако, общий вывод о том, что в силу особенностей применения контакторов их фактическая износостойкость превышает декларируемую износостойкость при установленном номинальном токе, не изменяется.

Дополнительно следует обратить внимание на то обстоятельство, что работоспособность контакторов классов «А», «Б», «В» и «Э» отличается только назначенной величиной коммутационной износостойкости. При этом все показатели надежности в пределах ресурса коммутационной износостойкости сохраняются.
Таким образом, и в силу небольшой частоты включения контакторов, реализуемой не менее чем у 50% потребителей, и в силу особенностей применения контакторов, предопределяющих при управлении и защите электродвигателей коммутацию меньшей по сравнению с номинальной мощности, объективно существует значительный сегмент рынка, на котором могут применяться контакторы с декларируемой в режиме АС3 коммутационной износостойкостью на уровне 10 тысяч циклов.
Для обеспечения работоспособности контакторов с таким ресурсом коммутационной износостойкости необходимы и достаточны контакты КМКПА36/М/СрМ70 с толщиной рабочего слоя около 0,2 мм. Расчеты показывают, что их стоимость на 25–35% ниже, чем у контактов аппаратов класса «В», а снижение издержек изготовителя контакторов экономкласса только от применения контактов с рабочим слоем уменьшенной толщины составит до 10%. При этом важно подчеркнуть, что в течение всего времени эксплуатации до полного износа материала рабочего слоя сохраняются высокие контактные свойства и такой результат может быть обеспечен только применением слоистых контактов.

Важным для производителей контакторов является также то, что реализованные в слоистых контактах технические решения имеют патентно-правовую защиту, а технология производства контактов содержит ряд «ноу-хау». Это в свою очередь означает, что появление на российском рынке магнитных пускателей из стран дальнего зарубежья, низкие цены на которые достигнуты применением подобных контактов, будет нарушать исключительные права правообладателя, а сами аппараты явятся контрафактным товаром.
Применение слоистых контактов делает потенциально возможным производство контакторов экономкласса и на номинальные токи ниже 25 А, где до настоящего времени используются биметаллические контакты заклепочного типа с минимально достижимой толщиной рабочего слоя 0,3 мм. В отличие от последних слоистые контакты могут изготавливаться с рабочим слоем существенно меньшей толщины. Например, контакты марки МАН, применяемые в автоматических выключателях, имеют толщину рабочего слоя около 0,02 мм.

ВЫВОД

Таким образом, появление в производственной программе изготовителей коммутационной аппаратуры контакторов экономкласса (класса «Э») достижимо при современном уровне развития контактных материалов, обеспечивает превосходное конкурентное преимущество контакторов, соответствует реальным потребностям и при надлежащей рекламе будет способствовать формированию нового сегмента рынка коммутационной аппаратуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Афонин М.П., Овчинникова М.Н. Применение серебра при производстве электрических контактов. Новые разработки. Спрос и предложение на европейском рынке // Драгоценные металлы. – 2002. – № 9 (105). – C. 104–109.
2. Егоров Е.Г., Пономарев Д.П., Николаев Г.Н. и др. Действительные режимы работы магнитных пускателей по результатам обследования и согласования применения // Материалы 4-й Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения». – М.: Информэлектро, 1981. – C. 51–52.
3. Кобленц М.Г. Герметические коммутирующие устройства. – М.: Энерго- атомиздат, 1986. – C. 17.
4. Гольцман Э.Р., Егоров Е.Г., Чеботарев В.Е. Расчет зависимостей коммутационной износостойкости магнитных пускателей от коммутируемых нагрузок // Тезисы докладов научно-технической конференции, посвященной 25-летию Всесоюзного научно-исследовательского, проектноконструкторского и технологического института релестроения. – Чебоксары: ВНИИР, 1986. – C. 131–132.
5. Чунихин А.Н., Акимов Е.Г., Коробков Ю.С. и др. Выбор электрических аппаратов для промышленных установок. – М.: МЭИ, 1990. – С. 11, 14–17, 55–63, 156.

Мнение экспертов

Поделиться своими соображениями по поводу данной статьи мы попросили наших постоянных авторов, специалистов в области производства низковольтных аппаратов и проектирования электроустановок, Георгия Андреевича Бугаева и Владимира Семеновича Фишмана.

Георгий Бугаев, к.т.н., старший научный сотрудник
ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары:

– Вполне обоснован и своевременен призыв авторов статьи к введению в номенклатуру контакторов экономкласса с минимальным содержанием серебра. Допустимость снижения коммутационной износостойкости таких контакторов обоснована результатами анализа эксплуатационных режимов их работы, приведенными в статье. Дополнительно можно отметить, что в последние годы в каталогах зарубежных компаний всё чаще встречаются исполнения контакторов с невысокой коммутационной износостойкостью и именно они успешно завоевывают рынок.
Технической базой реализации предложения авторов является разработанная отечественная технология производства слоистых контактных материалов, имеющая правовую защиту применяемых технических решений. Это обстоятельство обеспечит конкурентное преимущество контакторов экономкласса, к выпуску которых российским предприятиям весьма целесообразно и возможно приступить в самый короткий срок без ощутимых затрат на их внедрение.

Владимир Фишман, главный специалист,
Группа компаний «Электрощит-ТМ-Самара»,
Филиал «Энергосетьпроект-НН-СЭЩ», г. Нижний Новгород

– Авторы правы в том, что в большинстве случаев контакторы на практике оказываются недогруженными, поэтому сектор более дешевых контакторов с меньшим нормативным коммутационным ресурсом и меньшим содержанием серебра можно было бы расширить.
Однако, я полагаю, что это вряд ли заметно увеличит спрос на российские контакторы и повысит их конкурентоспособность по сравнению с зарубежными образцами. Объяснение простое: уменьшение стоимости (которое на практике вряд ли будет существенным) не будет являться основным побудительным мотивом к их применению. Учитывая относительно малый процент стоимости контакторов в современных вновь строящихся объектах, приоритет при их выборе отдается таким показателям, как надежность, безотказность, отсутствие необходимости постоянного контроля и обслуживания в эксплуатации (по принципу «смонтировал и забыл»).
В этом отношении отечественная коммутационная аппаратура, на мой взгляд, пока еще значительно уступает лучшим зарубежным образцам и именно в этом направлении нужно работать нашим производителям. Для таких состоятельных потребителей, как нефтянники, газовики, металлурги, атомные энергетики, некоторое понижение цены контакторов не станет определяющим фактором при их выборе, если не будут улучшены упомянутые показатели – надежность, безотказность и т.п.