Электрические контакты, типы, материал. Понятие переходного сопротивления.

 

Места соединения отдельных элементов, составляющих любую электрическую цепь, называются электрическими контактами. Слово «контакт» означает «соприкосновение», «касание». В электрической системе, объединяющей различные аппараты, машины, линии и т. д., для их соединения используется огромное число контактов. От качества контактных соединений в значительной степени зависит надежность работы оборудования и системы. Классификация электрических контактов По назначению и условиям работы контакты можно разделить на две основные группы — неразмыкаемые и размыкаемые контакты. Неразмыкаемые контакты, в свою очередь, подразделяется на неподвижные и подвижные контакты. В неподвижных неразмыкаемых контактах отсутствует перемещение одних контактных частей относительно других (например, болтовые соединения шин), в подвижных происходит их скольжение или качение. Размыкаемые контакты — подвижные. По роду соприкасающихся поверхностей различают также плоские, линейные и точечные контакты. Плоские контакты образуются при соприкосновении плоских контактных элементов (плоских шин и т. п.). Примером линейных контактов может служить соприкосновение двух цилиндров с параллельными осями, а точечных — двух сферических поверхностей. Особенности работы электрических контактных соединений Практически независимо от вида контактов соприкосновение контактных элементов всегда происходит по небольшим площадкам. Объясняется это тем, что поверхность контактных элементов не может быть идеально ровной. Поэтому практически при сближении контактных поверхностей сначала в соприкосновение приходят несколько выступающих вершин (точек), а затем но мере увеличения давления происходит деформация материала контактов и эти точки превращаются в небольшие площадки. Чем больше сила, приложенная к контактам, и мягче их материал, тем больше общая площадь соприкосновения контактных поверхностей и соответственно меньше активноеэлектрическое сопротивление в месте стыка (в зоне переходного слоя между контактирующими поверхностями). Это активное сопротивление называется переходным. Переходное сопротивление — один из основных параметров качества электрических контактов, так как оно характеризует количество энергии, поглощаемой в контактном соединении, которая переходит в теплоту и нагревает контакт. На переходное сопротивление могут оказывать сильное влияние способ обработки контактных поверхностей и их состояние. Например, быстро образующаяся пленка окиси на алюминиевых контактах может значительно увеличить переходное сопротивление. При прохождении тока через контакты они нагреваются, причем наиболее высокая температура наблюдается на контактной поверхности из-за наличия переходного сопротивления. В результате нагрева контакта увеличиваетсяудельное сопротивление материала контакта и соответственно переходное сопротивление. Кроме того, повышение температуры контакта способствует образованию окислов на его поверхности, что в еще более значительной степени увеличивает переходное сопротивление. И хотя при повышении температуры материал контакта может несколько размягчаться, что связано с увеличением поверхности соприкосновения, в целом этот процесс может привести к разрушению контактов или их свариванию. Последнее, например, для размыкаемых контактов весьма опасно, так как в результате аппарат с этими контактами не сможет отключить цепь. Поэтому для разных типов контактов установлена определенная предельно допустимая температура при длительно протекающем через них токе. Для уменьшения нагрева можно увеличить массу металла контактов и их охлаждаемую поверхность, что усилит теплоотвод. Чтобы снизить переходное сопротивление, необходимо повысить контактное давление, выбрать соответствующий материал и тип контактов. Например, размыкаемые контакты, предназначенные для работы на открытом воздухе, рекомендуется изготавливать из материалов, слабо поддающихся окислению, или покрывать их поверхность антикоррозийным слоем. К таким материалам относится, в частности, серебро, которым можно покрыть контактные поверхности. Медные неразмыкаемые контакты можно лудить (луженая поверхность труднее поддается окислению). Для тех же целей используют покрытие контактных поверхностей смазкой, например, вазелином. Хорошо предохраняются от коррозии без других специальных мер контакты, погруженные в масло. Это используется в масляных выключателях. Контакты любого типа должны обеспечить не только длительную работу без недопустимого перегрева в условиях нормального режима, но также и требуемую термическую и электродинамическую стойкость в режиме короткого замыкания. Подвижные размыкаемые контакты не должны также разрушаться под действием высокой температуры электрической дуги, которая образуется при их размыкании, и надежно замыкаться без приваривания и оплавления при включении на короткое замыкание. Рассмотренные выше меры способствуют также выполнению и этих требований. Особенно хорошо сопротивляются разрушающему действию электрической дуги контакты из металлокерамики, которая представляет собой смесь измельченных порошков меди с вольфрамом или с молибденом и серебра с вольфрамом. Такое соединение обладает одновременно хорошей электропроводностью вследствие использования меди или серебра и высокой температурой плавления благодаря использованию вольфрама или молибдена. Есть и другой путь для устранения существующего противоречия, заключающегося в том, что материалы, обладающие хорошей электропроводностью (серебро, медь и др.), имеют, как правило, относительно низкую температуру плавления, а тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден) — низкую электропроводность. Это — использование двойной контактной системы, состоящей из параллельно включенных рабочих и дугогасительных контактов. Рабочие контакты выполняют из материала с высокой электропроводностью, а дугогасительные контакты — из тугоплавкого материала. В нормальном режиме, когда контакты замкнуты, основная часть тока протекает через рабочие контакты. При отключении цепи первыми размыкаются рабочие контакты, а затем дугогасительные. Поэтому фактически цепь разрывают дугогасительные контакты, для которых не представляет большой опасности даже ток короткого замыкания (при значительных токах короткого замыкания дополнительно используют специальные дугогасительные устройства). При включении цепи сначала замыкаются дугогасительные контакты, а затем уже рабочие. Таким образом, рабочие контакты фактически полного разрыва или замыкания цепи не осуществляют. Это исключает опасность их оплавления и сваривания. Для устранения возможности самопроизвольного размыкания контактов от электродинамических усилий при протекании токов короткого замыкания контактные системы конструируют так, чтобы электродинамические усилия при этих условиях обеспечивали дополнительное контактное давление, а для предотвращения возможного оплавления и сваривания контактов в момент включения цепи на короткое замыкание — ускоренное включение. Для того чтобы при этом устранить опасность значительного упругого удара контактных поверхностей, используют предварительное нажатие контактов специальными пружинами. В этом случае обеспечивается и большая скорость включения, и устранение возможной вибрации, так как пружина заранее сжата и после касания контактов сила нажатия начинает нарастать не с нуля, а с некоторого определенного значения. режима, но также и требуемую термическую и электродинамическую стойкость в режиме короткого замыкания. Подвижные размыкаемые контакты не должны также разрушаться под действием высокой температуры электрической дуги, которая образуется при их размыкании, и надежно замыкаться без приваривания и оплавления при включении на короткое замыкание. Рассмотренные выше меры способствуют также выполнению и этих требований. Особенно хорошо сопротивляются разрушающему действию электрической дуги контакты из металлокерамики, которая представляет собой смесь измельченных порошков меди с вольфрамом или с молибденом и серебра с вольфрамом. Такое соединение обладает одновременно хорошей электропроводностью вследствие использования меди или серебра и высокой температурой плавления благодаря использованию вольфрама или молибдена Основные конструкции контактов в электроустановках и электрических аппаратах Конструкция неподвижных (жестких) неразмыкаемых контактных соединений должна обеспечивать надежное прижатие контактных поверхностей и минимальное переходное сопротивление. Шины лучше соединять несколькими болтами меньшего диаметра, чем одним большим, так как при этом обеспечивается большее число точек соприкосновения. При стягивании шин накладками переходное сопротивление ниже, чем при использовании сквозных болтов, когда в шинах требуется сверлить отверстия. Высокое качество контактного соединения дает сварка шин. Подвижные размыкаемые контакты — основной элемент коммутационных аппаратов. В дополнение к общим требованиям для всех контактов они должны обладать дугостойкостью, способностью надежно включать и отключать цепь при коротком замыкании, а также выдерживать определенное число операций включения и отключения без механических повреждений. Простейший контакт этого типа — рубящий плоский. При включении подвижный нож входит между неподвижными пружинящими губками. Недостаток такого плоского контакта заключается в том, что соприкосновение контактирующих поверхностей получается в нескольких точках из-за неровностей этих поверхностей. Для получения линейного контакта на полосах ножа штампуют полуцилиндрические выступы, а для увеличения нажатия полосы сжимаются стальной пружинящей скобой. Контакты рубящего типа используют чаще всего в рубильниках и разъединителях.   Контактная часть пальцевого самоустанавливающегося контакта выполнена в виде пальцев, у пластинчатого — в виде пластин, у торцового — в виде плоского наконечника, у розеточного — в виде ламелей (сегментов), у щеточного — в виде щеток, набранных из упругих, тонких медных или бронзовых пластин. Указанные контактные части (детали) в ряде конструкций могут изменять в ограниченных пределах свое положение относительно неподвижных контактов. Для их надежного электрического соединения предусматриваются гибкие токоведущие связи. Упругость размыкающих контактов и необходимая сила давления достигаются обычно при помощи пластинчатых или спиральных пружин. Пальцевые и розеточные контакты применяют в аппаратах напряжением выше 1000 В на различные токи в качестве рабочих и дугогасительных контактов, а пластинчатые — в качестве рабочих. Торцовые контакты применяют на напряжение 110 кВ и выше, на токи не более 1 - 1.5 кА в качестве рабочих и дугогасительных. Щеточные контакты используют в аппаратах на различные напряжения и значительные токи, но только в качестве рабочих контактов, так как электрическая дуга может повредить сравнительно тонкие пластинки щеток.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ КОНТАКТОВ
На малые токи контакты выполняются в основном точечными.
Контакты, рассчитанные на средние и большие токи, делятся на следующие группы.

– РЫЧАЖНЫЕ – в них применяется проскальзывание подвижного контакта по неподвижному для стирания окислов, в качестве материала контактов применяется медь.

МОСТИКОВЫЕ – контакт осуществляется в точке сфера-сфера. Применяется для прямоходовых магнитных систем. В качестве материала используется серебро и его сплавы.

ВРУБНЫЕ – применяются в низковольтной аппаратуре (рубильники, предохранители). Материал – медь.

РОЛИКОВЫЕ – предназначены для токосъема.

ТОРЦЕВЫЕ – контактирование по плоскости, контакт имеет большое переходное сопротивление и используется преимущественно как дугогаситель.

КОНТАКТЫ С ПЛОСКИМИ КОНСОЛЬНЫМИ ПРУЖИНАМИ – слаботочная аппаратура, контакт в точке сфера-сфера, материал серебро и его сплавы.

ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ КОНТАКТ – содержащий главные контакты и дугогасительные контакты (большие токи – при включении замыкаются вначале дугогасящие, а потом главные, а при отключении наоборот).

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

РАСТВОР – наименьшее расстояние между полностью разомкнутыми контактами. Его величина определяется условиями гашения дуги, родом и величиной тока.

ПРОВАЛ – расстояние, которое проходит до полной остановки подвижный контакт после первого соприкосновения с неподвижным, если неподвижный убрать. Провал дает возможность скомпенсировать износ контактов, поэтому чем больше провал, тем больше срок службы контактов, но это требует и более мощную магнитную систему.

КОНТАКТНОЕ НАЖАТИЕ – это сила, сжимающая контакты деталей в месте их соприкосновения. Различают начальное контактное нажатие в момент первого соприкосновения контактов, т.е. когда провал равен 0. ,С – жесткость контактной пружины; - ее первоначальное сжатие

Конечное контактное сжатие при полностью выбранном провале ,
- дополнительное сжатие пружины при выборе провала.
ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ ВО ВКЛЮЧЕННОМ СОСТОЯНИИ
Существование переходного сопротивления контактов (ПСК) связано с:

наличием окисных пленок на поверхности контактов;

при соприкосновении контактов контактирование происходит не по поверхности, а в некоторых отдельных точках.

КАРТИНА ПРОТЕКАНИЯ ТОКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОНТАКТЕ

Суммарное сопротивление контактов: ,
Rпл – сопротивление плёнок;Rст – сопротивление стягивания.
Для слаботочных контактов наибольшее влияние оказывает первая составляющая - . Для сильноточных - .
ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАВИСИТ ОТ:

Величины контактного нажатия:

,
- величина контактного нажатия;
- показатель степени, зависящий от формы контактов: =0,5 – для точечных;
=0,5 0,8 – для линейных; =1 – для поверхностных;
- коэффициент, зависящий от материала контакта.

От температуры:

, - температурный коэффициентПСК.

 

I – нарастание переходного сопротивления (ПС) до температуры, при которой происходит
II – уменьшение ПС при рекристаллизации (происходит размягчение контактов и их смятие);
III – при дальнейшем повышении температуры ПС возрастает до температуры плавления материала
IV – на этом участке при температуре плавления контакты свариваются и практически падает до 0 (tпл для меди примерно равна 1100 °С).

От состояния поверхности контактов

Шлифовка контактной поверхности увеличивает ПС. Контакты сильноточных аппаратов должны зачищаться только крупнозернистыми напильниками, но не наждачной шкуркой. При шлифовке бугорки на поверхности становятся более пологими и смятие их затрудняется.

От материала контактов

У меди ПС с течением времени увеличивается в 1000 раз в отключенном состоянии и в сотни раз во включенном. Поэтому для медных контактов, находящихся длительное время во включенном состоянии, необходимо через каждые 8 часов отключать контакты и пару раз включить их под нагрузкой. При этом сжигаются (дуга) окислы и ПС уменьшается. Окислы серебра имеют практически такое же сопротивление как и серебро, поэтому с течением времени это сопротивление не изменяется.
ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ
При размыкании контактов количество площадок контактирования уменьшается и, наконец, остается одна площадка, которая под действием тока разогревается, металл в этом месте расплавляется и возникает жидкометаллический мостик, который впоследствии рвется. Вследствие чего возникает либо электрическая искра, либо электрическая дуга. Все определяется порогом дугообразования
ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ МАЛЫХ ТОКАХ
Если а появляется электрическая искра. Возможны 2 процесса износа:

износ, связанный с образованием окисных пленок или коррозия;

износ, связанный с переносом материала контактов с одного на другой и в окружающую среду под действием электрического поля. Он называется эрозией контакта.

Износ контактов при малых токах определяется по формуле: ,
gи – коэффициент, характеризующий материал контакта;q – количество электричества.
Износ контактов при малых токах появляется из-за наличия цепи с индуктивностью. При резком снижении тока появляется разность потенциалов, обусловленная ЭДС самоиндукции, из-за этого возникает искровой разряд. Для уменьшения износа под действием искрового раз ряда применяют искрогасительные цепочки.
В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается.
ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ БОЛЬШИХ ТОКАХ
Возникает, если , т.е. появляется электрическая дуга.
Износ зависит:1) От количества размыканий контактов (линейная зависимость от числа размыканий)
,
- суммарный износ; - одно размыкание; - количество размыканий.
2) От напряженности магнитного поля (с увеличением износ уменьшается).

При малых дуга горит в основном на одних и тех же опорных площадках (точках) – износ достаточно велик.

При увеличении дуга перемещается к поверхности контакта – износ снижается.

При дальнейшем нарастании магнитного поля часть материала контактов выбрасывается этим полем за пределы межконтактного промежутка и износ увеличивается. При еще большем увеличении поля уже весь материал из расплавленного перешейка выбрасывается за пределы контактного промежутка и износ стабилизируется (мы отмечали, что на расходящихся контактах появляется перешеек из расплавленного металла).

От напряжения. При наличии магнитного поля дуга покидает межконтактный промежуток уже при зазоре 1...2 мм, поэтому износ от практически не зависит.

От тока (зависимость линейная). Чем больше ток, тем больше износ контактов.

От скорости расхождения контактов. При наличии поля износ от скорости практически не зависит. При отсутствии поля зависимость обратная, т.е. чем больше скорость расхождения, тем износ меньше.

ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ

Износ контактов при включении имеет дуговой характер и существует за счет дребезга контактов.
- максимальный ход контактов (максимальная величина отброса контакта).
- величина упругого восстановления деформации материала контактов.
Пусть контакты соприкоснулись в т. А, появился ток в цепи. Под действием силы натяжения контактной пружины контакты продолжают двигаться навстречу друг другу. В т. В движение заканчивается и под действием упругих сил начинается обратный ход контактов. В т. С контакты размыкаются. В т. Д они снова замыкаются под действием контактной пружины и т.д. В промежуткеСД появляется электрическая дуга, т.е. условия появления электрической дуги
Через 2-3 периода это условие не выполняется и дребезг контактов прекращается.
Износ контактов при включении зависит от:

предварительной деформации контактной пружины или начального контактного нажатия

с уменьшается до некоторых пор. При дальнейшем нарастании возможен отброс контактов и появления дуги, износ .
с уменьшается до некоторых пор. При дальнейшем нарастании возможен отброс контактов и появления дуги, износ .

жесткости контактной пружины - с увеличением жесткости ;

соотношения тяговой и механической характеристик

,
- избыточное усилие (разность между тяговой и механической характеристиками). Чем больше , тем больше скорость отброса якоря, больше энергия отброса контактов, больше износ контактов (кривая 4).

11 – механическая характеристика;22,3,4 – тяговые характеристики.
При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа.
Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ
Основные требования:

высокая электро- и теплопроводность;

высокая коррозионная стойкость;

стойкость к образованию окисных пленок с высоким удельным сопротивлением;

высокая твердость для исключения механического износа при частых коммутациях;

малая твердость для уменьшения силы контактного нажатия;

высокая дугостойкость ();

простота обработки и низкая стоимость.

МЕДЬ
Достоинства:

высокая электро- и теплопроводность;

высокие значения порогов дугообразования;

относительно малая стоимость.

Недостаток: - наличие окисных пленок с высоким удельным сопротивлением.
Область применения: шины, контакты аппаратов, рассчитанные на сильно высокие токи.
СЕРЕБРО
Достоинства:

высокая проводимость;

малое удельное сопротивление.

Недостатки:

твердость;

высокая стоимость.

Область применения: контакты, накладки главных контактов 2х ступенчатых контактных систем.
АЛЮМИНИЙ
Достоинства:

легкий в обработке;

низкая цена.

Недостаток: неудаляемость окисной пленки с высоким удельным сопротивлением.
Область применения: шины, провода.
ПЛАТИНА, ЗОЛОТО
Достоинства: что и у серебра.
Недостатки:

малая дугостойкость;

высокая стоимость.

 

ВОЛЬФРАМ
Достоинства:

высокая дугостойкость и твердость;

стойкость против эрозии и сваривания.

Недостатки:

• высокое удельное сопротивление;
• образо вание сульфидных и окисных пленок.9