Переходное сопротивление контактов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Вопросы:

1. Общие сведения.

2. Переходное сопротивление контактов

3. Влияние различных физических факторов на сопротивление контактов

4. Неподвижные разъемные соединения

5. Неподвижные неразъемные соединения

6. Сборка разъемных соединений

7. Сварные соединения.

8. Соединения, ответвления и оконцевания жил проводов и кабелей

 

Общие сведения

Электрическим контактным соединением называют такой конструктивный узел, при помощи которого производится со­единение двух или нескольких проводников для перехода тока из одного в другой. Место соприкосновения этих проводников, через которое проходит ток, называется электрическим кон­тактом.

В электрических контактных соединениях место соприкос­новения проводников 1 и 2может быть образовано скрепле­нием различными способами: болтами (рисунок 1, в и б), с помощью зажимов (рисунок1, в), прижима­нием их друг к другу, например, пружиной П (рисунок 1,г).

Поверхность проводника, предназначенная для соприко­сновения с поверхностью другого проводника, носит название контактной поверхности.

Контактные соединения являются важными частями каждого электрического аппарата, оборудования, линии электропередачи. Неправильная конструкция контактных соединений, небрежное выполнение их и неудовлетворительное состояние могут быть причинами не только раз­рушения оборудования, но и аварий в месте их установки.

Рисунок 1. Контактные соединения.

Большую сложность представляет собой выполнение контакта, надежно работающего при больших рабочих токах и токах короткого замыкания.

В электрических аппаратах применяют различные по свое­му конструктивному выполнению контактные соединения, кото­рые по условиям работы делятся на три основных вида:

1) не­подвижные (жесткие);

2) подвижные (размыкающиеся и за­мыкающиеся);

3) скользящие.

1. Неподвижные (жесткие) контактные соединения пред­ставляют собой такие соединения, при работе которых не про­исходит отделения (разъединения) одной контактной поверх­ности от другой. Неподвижные контактные соединения осуществляются в большинстве случаев путем механического соединения проводников болтами, заклепками и тому подоб­ными способами. Цельнометаллические неподвижные контакт­ные соединения получаются путем пайки или сварки.

Неподвижные контактные соединения используются во всех электрических аппаратах для присоединения к ним внеш­них токоведущих частей (шин, проводов и т. п.), а также для соединения отдельных внутренних токоведущих частей между собой.

2. Подвижные (размыкающиеся и замыкающиеся) кон­тактные соединения представляют собой такие соединения, в которых должно быть обеспечено отделение одной контакт­ной поверхности от другой таким образом, чтобы электриче­ская цепь между ними была полностью прервана и при необ­ходимости вновь создана.

Размыкающиеся и замыкаю­щиеся подвижные контактные соединения, служащие для периодического размыкания и замыкания электрических цепей, используются в различного рода выключателях, контакторах, реле и многих других аппаратах. Они охватывают большое количество разновидностей контактных соединений, отличающихся по от­ключаемой мощности, току и напряжению.

3. Скользящие контактные соединения — это такие соеди­нения, в которых должно быть обеспечено перемещение одной контактной поверхности по другой без нарушения между ними электрического контакта. Эти токоснимающие контактные со­единения применяются не только в электрических машинах, но и в аппаратах.

Во всех контактных соединениях необходимо сжатие контактных поверхностей друг к другу с некоторой силой F. В неподвижных соединениях сила взаимного сжатия обес­печивается болтами, заклепками и т. п., а в разъемных и скользящих — главным образом при помощи пружин.

Ко всем контактным соединениям предъявляются следую­щие основные требования:

надежность электрического соеди­нения,

достаточная механическая прочность,

перегрев не свы­ше допустимого значения при длительном протекании по ним номинального тока,

термическая и электродинамическая устой­чивости при протекании токов короткого замыкания,

стойкость против внешних влияний.

Кроме этих общих требований к контактам различного рода в зависимости от конструкции предъявляются и другие требования.

 

Переходное сопротивление контактов

Наличие в контактных соединениях мест перехода из одно­го проводника в другой, как показали измерения, создает уве­личение электрического сопротивления по сравнению со сплош­ным проводником таких же размеров и формы. Это сопротив­ление контакта называется переходным сопротивлением.

Таким образом, сопротивление контактного соединения R_K состоит из двух слагаемых: сопротив­ления металла контакта R_M и переходного сопротивления Р_п

(1)

Сопротивление самого металла контакта R_M зависит от ма­териала контактов, размеров соединения и является величиной постоянной.

При исследовании природы переходного сопротивления обычно рассматривают зону перехода между соприкасающи­мися контактными поверхностями. При этом общепризнанным является представление об электрическом контакте, не как о сплошном соприкосновении обеих контактирующих по­верхностей (кажущиеся кон­тактные поверхности), а как о соприкосновении во многих отдельных точках, что обу­словлено шероховатостью со­прикасающихся поверхно­стей.

Действительно, как бы ни были тщательно обрабо­таны контактные поверхно­сти, они всегда имеют ми­кроскопические возвышения и впадины. На рисунке 2,а показана в увеличенном ви­де граница между двумя контактными телами с со­прикасающимися выступами в точках А, Б, В.

Как видно из этого рисунка, в местах соприкосновения проводников и в области, непосредственно прилегающей к ним, ток проходит через участки с сильно су­женным сечением, которые представляют собой большое сопротивление. Отсюда и выражения - переходное сопротивление, или сопротивление сужения R_n. Эти суженные сечения при­водят к местному увеличению плотностей тока, росту потери и падения напряжения.

 

Рисунок 2. Соприкосновение двух контактных поверхностей в сильно увеличенном виде

Если две поверхности наложены одна на другую без нажа­тия их друг на друга какой-либо внешней силой, то число точек соприкосновения будет незначительно. Так как при соз­дании надежного контакта поверхности контактных тел при­жимаются друг к другу с некоторой силой F, то в месте соприкосновения происходит смятие материала и увеличение площади соприкосновения. Последнее явление ведет к возник­новению новых точек соприкосновения. Размер и число таких площадок зависят от прочности материала проводников и от силы взаимного нажатия F. Общая площадь соприкосновения контактных поверхностей определяется следующей формулой:

(2)

где F - общая сила нажатия контактов, Н (кГ);

σ - предел прочности материала на смятие, Н/^м2 (кГ \см² )(табл. 1).

Если представить микроскопические выступы контактирующих поверхностей в виде конусов, то в начале соприкосновения без приложения силы, состояние контакта будет таким, как показано на рисунке 2, б, а после приложения силы F - как на рисунке 2, в. Под действием силы нажатия вершина конуса сминается и обра­зуется элементарная площадка соприкосновения S₀ (рисунок 2,в), которая условно называется контактной точкой или одното­чечным контактом.

Таблица 1 –Значение предела прочности материала на смятие

Материал	кГ\смл	Материал	кг/см2
Медь твердая Медь мягкая Алюминий Серебро Платина Цинк Свинец Олово i	5 200 3 900 9 000 3100 7 800 4300 230 450	Золото Графит Молибден Никель Висмут Ванадий Сурьма Тантал	5 300 16 900 22 500 37 200 1 060 9 000

 

Переходное сопротивление R_п отдельного точечного контакта может быть определено, осно­вываясь на известной из теоретической электротехники формуле связи сопротивления между двумя элек­тродами и емкости между такими же электродами в вакууме:

(3)

где R —активное сопротивление проводника между дан­ными электродами, О м;

- диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф /м;

γ - удельная электрическая проводимость проводя­щей среды, 1/Омм;

С — емкость между электродами, Ф;

- удельное электрическое сопротивление проводящей среды, Омм.

Число точек соприкосновения п зависит от силы взаим­ного нажатия контактов, т. е. n=f(F).В первый момент соприкосновение происходит в небольшом числе точек, ма­териал контакта сминается и площади элементарных кон­тактных поверхностей увеличиваются, что одновременно приводит к сближению обоих контактных тел и возникнове­нию контактов в новых точках. Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока не станет равным или больше σ. Однако увеличение усилия F на контакт не всегда дает прямую зависимость роста числа точек соприкоснове­ния, а при определенных значениях связано с деформацией материала контактов.

Выражение переходного сопротивления многоточечного контакта будет

(4)

где k - коэффициент, зависящий от рода материала контак­тов, способа обработки и состояния контактной по­верхности (табл. 2);

F - общая сила нажатия контактов, кГ;

т - коэффициент, зависящий от формы контактов, а главным образом от числа точек соприкосновения и лежащий в пределах от 0,5 до 1 (табл. 3).

Таблица 2 - Значения коэффициента k

Материал проводников образующих контакт	k	Состояние контактной поверхности
Медь-медь	(0,08—0,14) 10-3	Очищенная от окислов
Медь—медь луженая.	(0,07—0,1)10-8	То же
Медь луженая—медь луженая	0,1.10-3	В сухом состоянии
Медь луженая—медь луженая	0,07-10-з	Смазанная маслом
Медь луженая—медь луженая	0,03-10-з	Частично окисленная
Медь—медь (пальцевый контакт)	0,28-10-з	Очищенная от окислов
Медь—медь (щеточный контакт)	0,1-10-з	То же
Алюминий—алюминий	3—6,7-10-з	„ „
Алюминий—латунь	1,9-10-8	„ я
Алюминий—медь	0,98-10 -з	„ „
Алюминий—сталь	4,4 10-3	“
Сталь-сталь	7,6 10-з	“ „
Сталь—медь	3,1-10-з	"
Сталь—серебро	0,06-10-3	»

 

Таблица 3 - Значения коэффициента т

Вид контакта	т
Плоскость—плоскость
Острие—плоскость	0,5
Шар—плоскость	0,5
Шар—шар	0,5
Щетка многолластинчатая - плоскость
Шинный контакт	0,5-0,7

Таким образом, переходное сопротивление контакта R_n есть функция материала контакта, силы F взаимного нажатия соприкасающихся контактных поверхностей, состояния и фор­мы этих поверхностей.

Переходное сопротивление контакта по своей природе при­ближается к металлическому сопротивлению. Однако все контакты при работе нагреваются. Под воздействием кислорода воздуха, азота, озона и других химических реагентов на поверхности контактов образуются различные пленки: окисные (Cu₂O) и сульфидные (H₂S), называемые пленками потускнения и имеющие толщину до 10^-6мм. Пленки обладают обычно значительно большим удельным сопротивлением, чем основной металл. Поэтому изменение переходного сопротивления контакта про­исходит в основном по нелинейному закону.