Назначение и классификация электрических контактов

Любая электротехническая установка состоит из элементов, так или иначе связанных между собой. Соединение проводящих звень­ев электрической цепи, обеспечивающее протекание электрического тока при наличии источника э. д. с, осуществляется с помощью электрических контактов.

Слово контакт от латинского слова contactus — прикосновение. Под электрическим контактом весьма часто понимается совокупность двух или нескольких проводников электрического тока, соеди­ненных между собой и сжатых с определенной силой.

ГОСТ 2774—44 определяет электрический контакт, как «место перехода тока из одной токоведущей части в другую».

По своему назначению электрические контакты можно разделить на две группы.

1. Соединительные контакты, которые служат только для сое­динения различных звеньев электрической цепи, т. е. для обеспе­чения протекания тока от одного звена к другому. Соединительные контакты всегда замкнуты.

2. Коммутирующие контакты, предназначенные для включе­ния, отключения и переключения электрических цепей.

Соединительные контакты, применяемые в токопроводах элект­рических аппаратов, весьма разнообразны. Некоторые типичные конструкции их изображены на рис. 3.1.

Основным требованием, предъявляемым к соединительным кон­тактам, является надежность в длительной эксплуатации: соедини­тельные контакты должны длительно, в пределах срока службы всей установки в целом и без повреждений допускать протекание токов нормального режима и кратковременных токов аварийных режимов работы.

Надежность в длительной эксплуатации соединительных (не размыкаемых) контактов будет обеспечена, если сопротивление кон­такта электрическому току будет достаточно стабильным. Для этого соединительный контакт должен обладать способностью противостоять как воздействию окружающей среды, так и воздействию механических усилий от температурных деформаций и от электродинамических усилий, возникающих при протекании больших токов короткого замыкания.

Контактирующие проводники в соединительных контактах могут быть либо неподвижны друг отно­сительно друга (хотя контакт в це­лом может и перемещаться с опре­деленной скоростью), либо переме­щаться относительно друг друга без размыкания цепи, как, например это имеет место роликовом или в щеточном контакте.

Коммутирующие контакты могут находиться в замкнутом (соответствующая цепь включена) или разомкнутом (соответствующая цепь отключена) состоянии.

Существует большое разнообразие коммутирующих контактов. Например, могут быть контакты: рубящие, торцовые, щеточные, пальцевые, розеточные и пр. По своему назначению коммутирую­щие контакты в сильноточных аппаратах можно разделить на глав­ные и дугогасительные. Обычно главные контакты шунтируются дугогасительными, в процессе размыкания цепи главные контакты выходят из соприкосновения ранее, чем дугогасительные, а поэтому образование дуги происходит только на дугогасительных. Таким образом главные контакты защищены от воздействия дуги и слу­жат для надежного пропускания рабочих токов и токов короткого
замыкания в замкнутом состоя­нии.

Рис.7.1.Некоторые типы коммутирующих контактов:

а — контакты контактора; б —релейные контакты на плоских пружинах

Часто функции контактов совмещаются: они выполняют роль и токоведущих, и дугогасительных контактов.

Некоторые типы коммутационных контактов представлены на рис.7.1.

Как ни тщательно обработаны поверхности соприкосно­вения контактов, электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как получить абсолютно гладкую поверхность практически невозможно. Примерная картина соприкосновения контактов показана на рис.. Благодаря нажатию Р одного контакта на другой вершины выступов деформи­руются и образуются площадки действительного касания контактов. Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических кон­тактов по торцам.

Рис.7.2.Соприкосновение поверхностей контактов

В результате стягивания линий тока к площадке каса­ния их длина увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически прохо­дит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопро­тивления. Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, на­зывается переходным сопро­тивлением стягивания кон­такта.

Таким образом, переходное сопротивление, обусловлен­ное стягиванием линий тока, пропорционально удельному сопротивлению материала контакта, корню квадратному из временного сопротивления на смятие этого материала о и обратно пропорционально корню квадратному из силы контактного нажатия. Одноточечный контакт при­меняется в основном только три малых токах (до 20 А). При больших токах (100 А и более) применяется многото­чечный контакт. В многоточеч­ном контакте ток проходит че­рез несколько контактных пе­реходов, соединенных парал­лельно. Поэтому его переход­ное сопротивление при неиз­менном нажатии меньше, чем уодноточечного контакта. Од­нако нажатие в каждой контактной площадке уменьшается. Количество контактных переходов увеличивается с ростом нажатия по весьма слож­ному закону.

Сопротивление зависит и от обработки поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивле­ние шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Переходное сопротивление контактов обусловлено не только явле­нием стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контак­ты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в химичес­кую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверх­ности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением.

МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ

К материалам контактов современных электрических аппаратов предъявляются следующие требования:

1) высокие электрическая проводимость и теплопровод­ность;

2) высокая коррозионная стойкость в воздушной и дру­гих средах;

3) стойкость против образования пленок с высоким электрическим сопротивлением;

4) малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

5) высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях;

6) малая эрозия;

7) высокая дутостойкость (температура плавления);

8) высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9) простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмотре­ны ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволя­ет применять при частых включениях и отключениях, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при рабо­те на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитичес­ким способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. В контактах на большие токи иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включаемых относительно редко). Применяется как материал для плос­ких и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, кон­такторов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель­но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

В контактах, не имеющих взаимного скольжения, из-за пленки ок­сидов применение меди не рекомендуется.

Серебро. Положительные свойства: высокие электрическая проводи­мость и теплопроводность, пленка оксида серебра имеет малую механи­ческую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт серебра устойчив благодаря малому напряжению на смятие Сем. Для работы достаточны малые нажатия (применяется при нажати­ях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротив­ление являются характерными свойствами серебра.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость пре­пятствуют использованию его при наличии мощной дуги и частых вклю­чениях и отключениях.

Применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. При больших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Алюминий. Положительные свойства: достаточно высокие электри­ческая проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48 % меньшую массу. Это позволя­ет уменьшить массу аппарата.

Недостатки: 1) образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением;

2) низ­кая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра);

3) малая механическая прочность;

4) из-за наличия в окружающем воздухе влаги и оксидов медный и алюминиевый контакты образуют своеобразный гальванический элемент. Под действием ЭДС этого элемента происходит электрохимическое разрушение кон­тактов (электрохимическая коррозия). В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электролитическим путем либо оба металла необходимо покрывать серебром. Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратов.

Вольфрам. Положительные свойства: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с образованием пленок и их высокой механической прочностью вольфрамовые контакты требуют большого нажатия.

В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы — золото, платина, палладий и их сплавы.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых ме­таллов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к материалу контактов.

Основные необходимые свойства контактного материала— высокие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получе­ны за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольфрам, медь и вольфрам, так как они не образуют сплавов. Материалы, обладаю­щие необходимыми свойствами, получают методом порошковой метал­лургии (металлокерамики). Полученные таким методом материалы со­храняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость металлокерамики обеспечивается такими компонентами, как вольфрам, молибден. Низкое переходное сопротивление контакта достигается ис­пользованием в качестве второго компонента серебра или меди. Чем больше содержание вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность и меньше возможность приваривания металлокерамических контактов. Но соответственно растет переходное сопротивление кон­тактов и уменьшается их теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяется для аппаратов за­щиты на большие токи КЗ.

Композиции из тонко измельченных порошков с диаметром зерна менее 10 мкм имеют мелкодисперсную структуру и обладают большой механической прочностью, Их износостойкость в 1,5—2 раза выше, чему материалов не мелкодисперсного типа.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наиболее распрост­ранена металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20, КМК-Б21

В аппаратах низкого напряжения чаще всего применяется металлокерамика КМК-А10 из серебра и оксида кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги. Металлокерамика КМК-А20, состоящая из серебра и 10 % оксида меди, обладает большей износостойкостью, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые металлокерамики хорошо обрабатываются, об­ладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты из этих материалов обеспечивают низкое и устойчивое переходное со­противление, но более подвержены привариванию, чем контакты КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря вы­сокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные. Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, однако в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения его надежности.