Переходное сопротивление контакта

В месте перехода тока из одного проводника в другой возникает электрическое сопротивление, которое называется переходным сопротивлением контакта.

Переходное сопротивление контакта можно представить как результат резкого повышения плотности тока в местах соприкосновения контактных поверхностей по сравнению с плотностью тока в самом контакте (рис. 2). В местах соприкосновения проводников линии тока стягиваются к участкам с малым сечением, которые представляют большое сопротивление току. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания и определяется по следующей формуле:

где – удельное сопротивление материала контактов, Ом. м; a – радиус площадки фактического касания, м; n – число точек касания.

Радиус фактического касания (рис. 3) зависит от вида деформации материала контактов. При упругой деформации радиус площадки определяется формулой:

где F_к – контактное нажатие, Н; Е – модуль упругости материала, Н/м.

При пластической деформации радиус площадки определяется формулой:

где σ_см – предел прочности материала контактов на смятие, Н/м².

r

2 a

Рис. 3. Площадка касания

Таким образом, переходное сопротивление контакта можно представить следующим выражением:

(4)

Здесь – сопротивление окисной пленки на поверхности контакта.

На основании опытных данных величина переходного сопротивления определяется выражением

(5)

Здесь – коэффициент, зависящий от материала и формы контакта, способа обработки и состояния контактной поверхности; n – показатель степени, характеризующий число точек соприкосновения, для различных контактов имеет следующие значения: точечный контакт n = 0,5; линейный контакт n = 0,5…0,7; поверхностный контакт

n = 0,7…1,0.

С увеличением контактного нажатия переходное сопротивление уменьшается вследствие увеличения площади касания за счет смятия бугорков (рис. 4). Причем, после снятия F_к за счет остаточной деформации бугорков на поверхности контактов, переходное сопротивление становится меньше, чем при увеличении F_к.

R_п

F_к

Рис. 4. Зависимость переходного сопротивления от силы контактного нажатия

Переходное сопротивление очень чувствительно к окислению поверхности в виду того, что окислы многих металлов являются плохими проводниками. Окисление поверхности контактов происходит под воздействием кислорода воздуха. Вследствие окисления переходное сопротивление может возрасти в сотни и тысячи раз. Возрастание переходного сопротивления приводит к увеличению мощности на R_п и возрастанию температуры контактного соединения. Для борьбы с окислением контактов их покрывают оловом, серебром или техническим вазелином.

3.2. Режимы работы контактов.[1]

При коммутации электрической цепи работу контактов можно разделить на следующие режимы: режим замыкания, режим замкнутого состояния и режим размыкания.

Режим замыкания. В этом режиме возможны следующие процессы:

1) вибрацияконтактов, 2) эрозия контактов.

X

t

U

I

t

Рис. 5. Процесс вибрации контактов

При замыкании подвижный контакт приближается к неподвижному контакту с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов.

Это приводит к отбросу подвижного контакта, и он отскакивает от неподвижного на десятые или сотые доли миллиметра. Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой (рис. 5). При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая износ контактов в виде оплавления и распыления материала контактов. Для уменьшения вибрации контактная пружина должна иметь предварительное сжатие при разомкнутых контактах. В момент касания контактов сила нажатия возрастает не из нуля, а от величины предварительного нажатия.

Увеличение жесткости контактной пружины способствует уменьшению вибрации. На вибрацию контактов влияет момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается.

При протекании больших токов через контакты вибрация усиливается из-за возникновения электродинамических усилий (ЭДУ), отбрасывающих контакты. Поэтому, для компенсации действия ЭДУ, необходимо увеличивать нажатие контактных пружин.

В режиме замыкания контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии происходит пробой межконтактного промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии и в дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и замыкает контакт.

Однако пробой промежутка вызывает перенос металла с одного контакта на другой (с анода на катод). Происходит физический износ или эрозия. В аппаратах высокого напряжения, при сближении контактов, пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов. Для устранения пробоя применяют несколько разрывов, последовательно соединенных между собой.

Режим замкнутого состояния. В этом режиме возможны два случая: 1) черезконтакты проходит длительное время номинальный ток; 2) через контакты проходит ток короткого замыкания.

При длительном номинальном токе на переходном сопротивлении контакта выделяется мощность, которая вызывает нагрев контакта. Это приводит к размягчению и плавлению материала контактов. Поэтому, контакт характеризуется двумя точками (рис. 6): точкой размягчения (рекристаллизации) с параметрами U_к1 и θ_к1 (U_к1 – падение напряжения, θ_к1 – температура) и точка плавления с параметрами U_к2 и θ _к2, значение которых приведено в таблице 1.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе I_н падение напряжения на переходном сопротивлении было меньше допустимого

Iн Rп < Uкдоп = (0.5 - 0.8) Uк1

(6)

При коротком замыкании через контакты проходят токи в 10…20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки практически мгновенно повышается и может достигнуть темпера туры плавления. Это может привести к свариванию контактов.

U_к

Uк2

Uк1

Рис. 6. Зависимость падения напряжения на контакте от температуры

Таблица 1. Параметры точек рекристаллизации и плавления контактов из различных материалов

Материал	Uк1,В	θк1,°C	Uк2,В	θк2,°C
медь	0.12		0.43
серебро	0.09		0.35
алюминий	0.10		0.30
вольфрам	0.40		1.00

Режим размыкания контактов. При размыкании сила нажатия уменьшается,переходное сопротивление возрастает (рис. 4) и растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик взрывается и, в зависимости от параметров отключаемой цепи, возникает либо дуговой разряд, либо тлеющий. При возникновении дугового разряда температура катодного и анодного пятен дуги достигает точки плавления материалов. Высокая температура контактов приводит к их интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов.

Перенос материала с одного электрода на другой наиболее вреден при постоянном токе, так как направление переноса не меняется. Это ведет к быстрому выходу из строя контактов. Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависит от вида разряда и величины тока. Если величина тока и напряжения не превышают некоторых пограничных значений I_о и U_о, то тлеющий разряд не переходит в дуговой (таблица 2).

Таблица 2. Пограничные значения I₀ и U₀ различных материалов контактов.

Материал	Uo,В	Io, A
серебро	12.0	0.40
золото	15.0	0.38
медь	12.3	0.43
вольфрам	17.0	0.90

Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются: 1) сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств; 2) устранение вибрации при включении; 3) применение дугостойких контактных материалов.

3.3. МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ[2]

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.

Область применения – в качестве дугогасительных контактов.
МЕТАЛЛОКЕРАМИКА
Результат спекания порошка вольфрама, серебра, меди, никеля. В результате полученный материал обладает всеми положительными качествами перечисленных компонентов.

3.4. Конструкция твердометаллических контактов[3]