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. Скользящиеконтактные 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, Ом;

- 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.