Переходное сопротивление контакта

В месте перехода тока из одного проводника в другой возникает электрическое сопротивление, которое называется переходным сопротивлением контакта. Сопротивление контактного соединения R_к представляет собой сумму двух сопротивлений: металла контакта R и переходного R_п, т. е. . Сопротивление металла контакта R зависит от материала контактов и размеров соединения.

Переходное сопротивление контакта в основном обусловлено наличием поверхностных пленок окисления, препятствующих протеканию тока, и стягиванием линий тока в объеме контактирующих частей к площадке касания.

Рис. 1.2.15. Микроструктура электрического контакта

В судовой аппаратуре контактируемые поверхности обычно выполняются в виде накладок из серебра или металлокерамики. Поэтому поверхностные пленки окисления влияют на переходное сопротивление незначительно. Таким образом, переходное сопротивление контакта можно представить как результат резкого повышения плотности тока в площадках соприкосновения по сравнению с плотностью тока в самом контакте.

На рис. 1.2.15 схематично показана в увеличенном виде граница соприкосновения между двумя проводниками. Действительное сопротивление между ними происходит по микроскопическим бугоркам в точках А, В, С. В местах соприкосновения проводников ток проходит через участки с малым сечением, которые представляют собой большое сопротивление. Сужение сечения приводит к увеличению плотности тока в них, росту потерь и падению напряжения.

Рис. 1.2.16. Зависимость переходного сопротивления от силы нажатия

Рис. 1.2.17. Зависимость переходного сопротивления от температуры

Если контакты сжимаются относительно небольшой силой, то образование контактных площадок происходит в основном за счет пластической деформация выступов на контактируемых поверхностях. На переходное сопротивление оказывает влияние удельное сопротивление и предел прочности на смятие материала проводников контактного соединения. Чем меньше эти величины, тем меньше сопротивление контакта. Поэтому контакты, выполненные из твердого металла, покрывают более мягким. Медные и латунные контакты покрывают серебром, золотом или оловом, а стальные — оловом или кадмием.

На переходное сопротивление контакта существенное влияние оказывает также сила нажатия на соприкасающиеся контактные поверхности. Переходное сопротивление контакта тем меньше, чем больше эта сила, так как от нее зависит действительная площадь соприкосновения контактов. Зависимости переходного сопротивления контакта от силы нажатия на контактные поверхности в соответствии с уравнением приведены на рис. 1.2.16, а. Кривая 1 соответствует возрастанию контактного нажатия, кривая 2—уменьшению нажатия. Различный ход кривых объясняется наличием остаточных деформаций отдельных бугорков, по которым происходило соприкосновение. Нужно иметь в виду, что переходное сопротивление одного и того же контакта при одном и том же нажатии в случае каждого замыкания может быть несколько различным. Это объясняется тем, что размер и количество площадок соприкосновения при каждом замыкании получаются разными. Поэтому практически величина переходного сопротивления в зависимости от нажатия выражается не кривой, а областью, ограниченной двумя кривыми (рис. 1.2.16, б).

Обычно за норму силы нажатия берут максимальное давление, выше которого сопротивление контакта мало уменьшается при увеличении силы взаимного нажатия. Максимальное давление определяет собой усилие затяжки болтов, пружин и т. д. В неподвижных контактах для болтовых соединений сила взаимного нажатия должна быть такой, чтобы обеспечить малое переходное сопротивление и в то же время не вызвать в материале недопустимо больших напряжений.

Переходное сопротивление контактов является важным фактором, определяющим их нагревание. Однако оно зависит не только от давления, но и от температуры контактов. Особенно сильно влияет на переходное сопротивление окисление их поверхности.

На основании опытных данных получена зависимость переходного сопротивления контакта от температуры (рис. 1.2.17). Для обычных контактов данная зависимость справедлива в случаях, когда температура нагрева материала не превышает 200°, что соответствует участку 1 — 2 кривой на рис. 1.2.17. При достижении этой температуры происходит размягчение материала контакта, увеличение числа мест контактирования и уменьшение переходного сопротивления при неизменном нажатии (участок 2 — 3). Если температура продолжает расти, то наступает плавление контактов в точках касания, сваривание их и переходное сопротивление падает почти до нуля. Положение точек, соответствующих размягчению 2 и плавлению 4 материала контактов, практически не зависит от силы нажатия на контакты. При прохождении тока в контактной площадке из-за переходного сопротивления будет выделяться энергия. Так как теплоотдача в окружающую среду происходит с поверхности контакта, то температура контактной площадки будет выше средней температуры контакта. Превышение температуры контактной площадки над температурой поверхности теплоотдачи пропорционально квадрату падения напряжения в переходном сопротивлении контакта. Таким образом, с ростом температуры изменяется переходное сопротивление контакта. При нагревании контактных точек изменяются также удельное сопротивление материала и его механическая прочность. Материал размягчается и увеличивается действительная поверхность соприкосновения контактов. При расчете контактных соединений необходимо учитывать нормы допустимой плотности тока. По допустимой плотности тока выбирается размер поверхности соприкосновения контактов.

Переходное сопротивление зависит от состояния и обработки контактных поверхностей. Например, шлифовка контактных поверхностей приводит к сглаживанию на них выступов, уменьшению числа точек соприкосновения и их размеров. Поэтому переходное сопротивление шлифовальных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Контактные поверхности при отсутствии специальных мер защиты покрыты адсорбированными из окружающей среды молекулами газов. Эти молекулы вступают в химическую реакцию с материалом контакта, и на поверхности металла возникают пленки с очень высоким удельным сопротивлением. В процессе работы контактов пленка разрушается и осыпается, и это приводит к постепенному разрушению контактных поверхностей. Явление химического разрушения поверхности контактов называется коррозией.

Возрастание переходного сопротивления контактов из-за коррозии вызывает увеличение температуры контактного соединения и может привести к недопустимому перегреву. Неразмыкающиеся контактные соединения и длительно не выключаемые размыкающиеся контакты особенно подвержены окислению. Эффективным средством защиты их от коррозии является применение защитных антикоррозионных покрытий. Медные, латунные и бронзовые контакты покрывают слоем олова или серебра, алюминиевые — слоем цинка.

Серебро, олово и цинк мало подвержены окислению. Кроме того, окислы серебра имеют электропроводность того же порядка, что и чистое серебро. Размыкаемые контакты, длительно работающие под током, не выключаясь, выполняются из серебра или металлокерамики на основе серебра. Контакты, рассчитанные на малые токи и малые нажатия, могут выполняться из золота, платины. Во многих аппаратах пленка окислов разрушается при их включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого, либо за счет большого нажатия на контакты (самозачистка контактов).

Контактные соединения из разнородных металлов подвержены коррозии больше, чем соединения из однородных металлов. Разнородные металлы в контактных соединениях образуют микропару с определенной разностью потенциалов, что и усиливает коррозию.