Зависимость переходного сопротивления от свойств материала контактов

Классификация электрических контактов

Контактные явления в электрических аппаратах

Электрический контакт – соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются также контактами или контакт-деталями.

Виды контактных соединений, наиболее часто встречающиеся в электрических аппаратах, классифицируются по различным признакам. По виду соединения электрические контакты могут быть:

- взаимонеподвижные: разъёмные (болтовое соединение); неразъёмные (сварные, паяные, напылённые);

- взаимоподвижные: неразмыкающиеся – предназначенные для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижные или наоборот: гибкие связи типа «косичка», щёточные скользящие, жидкометаллические, роликовые;

- размыкающиеся – расходящиеся в процессе работы: мостиковые контакты, розеточные контакты, пальцевые или ножевые, с плоскими пружинами (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Виды размыкающихся контактов

1.2.2. Контактная поверхность и контактное сопротивление

Для выяснения сущности явления электрического контакта рас­смотрим механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам. Обычно, для обеспечения надежного протекания электрического тока, контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия. Эта сила может создаваться при затяжке болтов, при обжатии контактного наконеч­ника на конце провода или кабеля или из-за деформации пружин контактной системы. При этом мик­ровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируют­ся; в соприкосновение могут прийти другие выступы и они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Контакт твёрдых тел

Давление в разных точках поверхности контактных площадок в общем случае не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации.

Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках, а при сжатии их силой - по отдельным площадкам.

Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называ­ется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации микровыступов, которые воспринимают усилие. Эта часть кон­тактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей усилие.

Очевидно, что электрический ток может проходить только в точках контактной поверхности, в которых имеет место механиче­ский контакт, т. е. через точки поверхности, воспринимающие уси­лие. Однако условие механического контакта является необходимым, но недостаточным для протекания тока.

При ближайшем рассмотрении поверхности, воспринимающей усилие, можно видеть, что она весьма неоднородна, а именно: в общем случае одна часть ее покрыта плёнками оксидов, другая – адгезионными слоями атомов кислорода и, наконец, третья часть представляет собой чисто металлическую поверхность.

Для прохождения электрического тока поверхность, покрытая оксидными пленками, обладает большим электрическим сопротивле­нием, поскольку удельное сопротивление оксидов на несколько по­рядков выше удельного сопротивления чистых металлов.

Через поверхность, покрытую адгезионными слоями кислорода, электрический ток может протекать за счет туннельного эффекта, заключающегося в проникновении электронов через потенциальный барьер. Этот участок поверхности имеет квазиметал­лический характер проводимости.

И, наконец, третья часть поверхности проводит свободно электри­ческий ток благодаря чисто металлической проводимости.

Квазиметаллические и металлические поверхности контакта при­нято называть -пятнами. Это именно те части контактной поверхности, через которые в электрических контактах протекает ток.

В электрических контактах ток проходит только через небольшую часть кажущейся контактной поверхности, и, следовательно, он должен испытывать сопротивление при прохождении через зону контакта.

Рассмотрим однородный линейный проводник постоянного попе­речного сечения (рис. 2.3), по которому протекает постоянный ток I. Между точками а и б, находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U ₁. Тогда активное сопротивление участка проводника R ₁ = U ₁ /I.

Рис. 2.3. К определению переходного сопротив­ления контактов: а - проводник;

б - проводник с контактом.

Разрежем проводник в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой Р. При протекании того же тока I получим разность потенциалов между точками а и б равную U ₂ и отличную от разности потенциалов U ₁. В этом опыте сопротивление R ₂ = U ₂ /I. Разность сопротивлений R _пер = R ₂ – R ₁ называется переходным сопротивлением контакта.

Следует отметить, что если на некотором удалении от -пятна линии тока параллельны друг другу, то в непосредственной близости от него они искривляются и «стягиваются» к -пятну. Область электрического контакта, где линии тока искривляются, стягиваясь к -пятну, называется областью стягивания.

В областях стягивания поперечное сечение проводника используется не полностью для протекания электрического тока, что и приводит к появлению дополнительного сопротивления. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания.

Переходное сопротивление контакта зависит от обработки поверхности. Шлифовка ведёт к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов затруднено, поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Наличие окисных плёнок приводит к тому, что при небольшом напряжении замыкаемой цепи или недостаточной силе нажатия на контакты протекание электрического тока становится невозможным. В связи с этим контакты на малые токи или на малые усилия нажатия изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).

В сильноточных (сильнотоковых) контактах окисная плёнка разрушается либо благодаря большим усилиям нажатия, либо путём самозачистки при включении за счёт проскальзывания одного контакта относительно другого.

Переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в частности, меди) являются плохими проводниками. У медных открытых контактов вследствие их окисле­ния с течением времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз.

В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых контактов также возникают окисные, плохо проводящие ток плёнки. Они проникают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное сопротивление, могут вывести контакты из строя. Повышение температуры ускоряет степень окисления поверхности контактов. Повышение силы контактного нажатия, наоборот, затрудняет проникновение окисных плёнок к площадкам контакти­рования, повышая тем самым срок службы контактов.

Окислы серебра имеют электрическую проводимость, близкую к проводи­мости чистого серебра. При повышенных температурах окислы серебра разру­шаются. Поэтому переходное сопротивление контактов из серебра практически не изменяется с течением времени. Оно даже может понизиться вследствие медленной пластической деформации материала в площадках контактирования. Для медных контактов применяются специальные меры по уменьшению окисления их рабочих поверхностей.

В разборных соединениях производят антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей – серебрят, лудят, покрывают кадмием, никелируют и цинкуют. Применяют покрытие рабочих поверхностей нейтральной смазкой после их технического обслуживания.

Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выклю­чаясь, выполняются, как правило, из серебра или металлокерамики на основе серебра. Для медных контактов снижается значение тока нагрузки по сравне­нию с допустимым значением. Тем самым снижаются нагрев контактов и интенсивность их окисления.

Возникающая при отключении дуга сжигает окислы, и переходное сопротивление снижается. Во многих аппаратах кинематическая схема предусматривает при замыкании некоторое проскальзывание одного контакта по другому. Образовавшаяся окисная пленка при этом разрушается.

Материалы большей твердости имеют большее переходное сопротивление и требуют большего контактного нажатия. Чем выше электрическая проводи­мость и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление.

Дата добавления: 2014-01-07