Сопротивление контактов

Материалы контактов оказывают влияние на величину переходного сопротивления своими значениями р и σ.

Сопротивление контакта тем меньше, чем меньше удельное электрическое сопротивление р материала проводников контактного соединения.

Сопротивление контак­та тем меньше, чем мень­ше сопротивление смятию σматериала проводников контакта. Этим и вызвано покрытие более твердых металлов контактов более мягкими (оловом для ме­ди и латуни или оловом или кадмием для стали).

Сила нажатия на со­прикасающиеся контакт­ные поверхности являет­ся наиболее существенным фактором, влияющим на переходное сопротивление контакта.

При неизменной об­щей кажущейся площади соприкасающихся поверх­ностей переходное сопро­тивление контакта тем меньше, чем больше сила нажатия на эти поверхно­сти, так как от нее зави­сит действительная пло­щадь соприкосновения. В области малых усилий увеличение силы взаимного нажатия резко уменьшает переходное сопро­тивление контакта. Дальнейшее увеличение силы нажатия не приводит к заметному изменению величины переходного сопро­тивления. Кривые зависимости переходного сопротивления кон­такта от силы нажатия на контактные поверхности в общем виде представляют собой гиперболы, выражаемые уравнением

R_n F^m = k. (5)

Во многих случаях трудно выразить уравнением зависи­мость переходного сопротивления контакта от силы взаимного нажатия. Поэтому практически пользуются как нормой, вели­чиной максимального давления, выше которого сопротивление контакта мало уменьшается при увеличении силы взаимного нажатия. Максимальное давление определяет собой величину усилия затяжки болтов, пружин и пp.

Сила взаимного нажатия в неподвижных контактах для болтовых соединений должна быть достаточной, чтобы обеспе­чить малую величину R_n, и в то же время не слишком боль­шой, чтобы не вызвать больших напряжений в материале, при­водящих к потере упругих свойств и к расстройству контакт­ного соединения. Такие оптимальные значения контактного давления различны для различных металлов и разных состоя­ний контактных поверхностей. Максимальная сила нажатия в подвижных контактах зависит от конструкции аппарата, а поэтому величина ее для этих контактов колеблется в узких пределах и для отключающих аппаратов обычно сообщается заводами для каждой конструк­ции аппарата.

Величина контактной поверхности оказывает влияние на переходное сопротивление соединения, так как от величины ее в некоторой степени зависит число точек соприкосновения п, а от числа последних — показатель m.

Кроме того, и при одинаковом числе точек касания в кон­тактах с различной поверхностью сопротивление контакта мо­жет быть различным при всех прочих равных условиях. Напри­мер, в контакте с меньшей поверхностью точки касания могут быть расположены теснее по отношению друг к другу. В этом случае сопротивление металла при подходе к точкам касания будет несколько больше, так как линии тока не имеют возмож­ности располагаться свободно там, где много таких точек.

Таким образом, влияние величины контактной поверхности на переходное сопротивление контакта имеет ограниченное значение. Например, для неподвижных шинных контактов, где сила взаимного нажатия контактных поверхностей велика, влияние величины контактной поверхности будет сказываться и при этом, чем мягче материал контактов, тем заметнее это влияние. Однако практически это влияние невелико даже для шинных контактов и в общем случае считают, что величина контактной поверхности мало влияет на величину переходно­го сопротивления.

Исследования шинных контактов показали, что переходное сопротивление контактов (пропорциональное падению напряжения) практически не зависит от величины их площади, а зависит только от полной силы нажатия в контакте.

Величину контактной поверх­ности необходимо учитывать во многих случаях в силу того, что при прохождении электрического тока через контакт­ное соединение происходит нагрев материала контактного со­единения. При больших токах потери в месте соединения могут быть значительны, и для отвода тепла от контакта потребуется увеличение поверхности контактного соединения.

Температура контакта влияет на переходное сопротивление его.

Зависимость переходного сопротивления контакта от температуры (примерно до 200° С) по опытным данным следую­щая:

(6)

где R_n0 - переходное сопротивление контакта при 0°С, Ом;

α₀ - температурный коэффициент увеличения сопротив­ления материала контакта, 1/°С;

θ -температура контакта, °С.

Одновременно с процессом нагрева идет и процесс тепло­отдачи в окружающее пространство и в прилегающие к кон­такту менее нагретые металлические части. Температура кон­тактного соединения установится после того, как количество тепла, выделяющегося в контакте, будет равно количеству тепла, отдаваемого в окружающее пространство.

При конструировании контактных соединений необходимо знать не только нормы давления, но и нормы плотности тока, обеспечивающие соблюдение требований, предъявляемых к идеальному контакту.

Основные требования, которым должно удовлетворять идеальное контактное соединение, следующие:

1) Электрическое сопротивление контактного соединения должно быть равно или меньше сопротивления соответствующего проводника на длине, равной длине контакта

(7)

2) нагрев контактного соединения рабочим током должен быть не выше нагрева проводника соответствующего сечения

(8)

Чтобы удовлетворить требованию 1, необходимо вычислить размеры контактного соединения.

Как показывают опыты, контактные соединения, удовлетво­ряющие условию 1, удовлетворяют и условию 2, т.е. нагрев их током получается не выше нагрева проводника.

По значению допустимой плотности тока j выбирается размер поверхности соприкосновения. Так, при соединении медных шин допустимая плотность тока через контактную поверхность при частоте 50 Гцможет быть найдена по при­ближенной формуле, полученной опытным путем,

J=[0,31 —1,05 10-⁴(I—200)], [А/мм²]. (9)

где I—сила тока, А.

Эта формула дает значение кажущейся плотности тока, т. е. частное от деления силы тока, проходящего через контакты на всю поверхность соприкосновения, определяемую их линейными размерами.

Для контактного соединения из другого материала плот­ность тока j_x оценивается из следующих соотношений:

(10)

Максимально допустимая температура контактных соеди­нений высоковольтных аппаратов при длительном протекании номинального тока не должна прево­сходить:

1) для неподвижных контактных соединений 80° С (превы­шение температуры τ=45°С при θ₀ = 35°С);

2) для подвижных контактных соединений 75° С (τ = 40°С);

3) для токоведущих частей в воздухе 110° С (τ = 75°С);

4)для токоведущих частей в масле 90° С (τ = 55°С).

Если пренебречь сопротивлением металла контакта, то количество тепла, выделенного в контактном соединении в 1 сек., выразится:

(11)

где J - плотность тока, A/мм²;

S — поверхность контакта, мм².

Перегрев контактного соединения можно уменьшить увели­чением давления или увеличением числа точек соприкоснове­ния, применением материала контакта с малым удельным со­противлением и большой теплопроводностью, увеличением контактной поверхности, развитием поверхностей, прилегаю­щих к контактному соединению, созданием высокой тепло излучающей наружной поверхности контактов.

Состояние контактных поверхностей оказывает большое влияние на переходное сопротивление контакта.

На контактных поверхностях при отсутствии специальных мер защиты между контактными точками образуются поры. В эти поры могут проникать присутствующая в окружающей среде влага и другие химически активные вещества и путем взаимодействия с материалом контактов давать на поверхно­сти контакта слой твердого химического соединения - пленку. Последняя, будучи хрупкой, при определенных условиях в про­цессе работы (сборка, удары и пр.) может отскакивать, вызы­вая тем самым постепенное разрушение контактных поверхно­стей. Это явление химического разрушения называется коррозией. Пленки из продуктов коррозии, покрывающие металличе­скую поверхность контакта, обладают большим удельным сопротивлением, чем сам металл, и, нарушая в ряде точек непосредственное соприкосновение металлов проводников, ведут к увеличению переходного сопротивления контакта. Коррозия и, в частности, окисление могут создать такое увеличение переходного сопротивления, которое приведет к временному или полному нарушению проводимости контакта.

Медные контакты начинают окисляться на воздухе при комнатной температуре (20—30° С). Образующаяся пленка окиси вследствие небольшой толщины (около 25 • 10^-6 мм) не является особым препятствием к образованию контакта, так как она разрушается при сжатии контактов. По опытным дан­ным медные контакты, бывшие на воздухе в течение месяца до сборки, показали только на 10% большее сопротивление, чем вновь изготовленные. Сильное окисление меди начинается при температуре выше +70° С. По некоторым данным контакты из меди, находящиеся около часа при +100° С, увеличили свое со­противление в 50 раз. Попеременное нагревание и охлаждение способствует процессу окисления. Значительно сильнее влияет на процесс коррозии медного контакта присутствие в окружающей его среде сернистого газа, сероводорода, аммиака, хлора и кислотных паров.

Алюминиевые контакты на воздухе быстро покрываются тонкой пленкой (2 • 10^-6 мм) окиси с высоким сопротивле­нием, а поэтому, чтобы получить низкое контактное сопротив­ление, необходима специальная обработка (зачистка контакт­ной поверхности механическим путем под вазелином).

Контакты из стали, учитывая ее быстрое покрытие на влажном воздухе слоем ржавчины, без специальных мер за­щиты против коррозии применять не рекомендуется.

Цинковые контакты на воздухе покрываются пленкой, которая имеет способность растрескиваться и устанавливать металлический контакт. По опытным данным контакт из цинка при правильной конструкции является вполне устойчивым в атмосферных условиях.

Платина и ее сплавы не дают окисных пленок.

Окисная пленка серебра имеет электропроводность того же порядка, что и чистое серебро, а поэтому серебряные контак­ты почти не меняют своих свойств с окислением.

Контактные соединения двух разнородных металлов под­вержены коррозии в большей степени, чем соединения из одно­родных металлов. Это объясняется тем, что разнородные металлы в контактных соединениях образуют электрохимиче­скую микропару с определенной разностью потенциалов. При попадании на контактную поверхность влаги (из воздуха, дож­девой воды и т. д.), содержащей растворенные соли (т. е. яв­ляющейся электролитом) между металлами вследствие разно­сти потенциалов возникает электрический ток. Прохождение тока в такой микропаре вызывает разрушение одного из обра­зующих ее металлов, а именно того, который обладает боль­шей упругостью растворения.

Упругостью растворения назы­вается способность одного из металлов, образующих пару, посылать катионы (положительно заряженные ионы) в элек­тролит (раствор). Чем больше упругость растворения, тем интенсивнее процесс новообразования, т. е. процесс коррозии. Величина разности потенциалов микропары зависит от поло­жения образующих ее металлов в электрохимическом ряду напряжений.

Защита от коррозии осуществляется применением защитных антикоррозийных покрытий из металла, лака и т. д. Нанесение металлических покрытий на защищаемый металл может производиться различными способами, например гальваническим путем, набрызгиванием металла в расплавленном состоянии и т. п. Металл, применяемый в качестве покрытия, должен быть коррозийно устойчивым.

Медные, латунные и бронзовые контакты для защиты от коррозии покрывают слоем олова или серебра.

Алюминиевыеконтакты защищаются от коррозии путем покрытия их цинком, а стальные контактные соединения - кадмием, никелем или цинком.

Лужение контактных поверхностей имеет тот недостаток, что при коротком замыкании могут иметь место расплавление и разбрызгивание олова. Никелировка и серебрение надежно защищают контактные поверхности от окисления и не дают разбрызгивания.

Путем покрытия швов контактного соединения непроницаемыми пленками красок, лаков, оксидов, эмалей, а так же смазки вазелином и тому подобными веществами производится защита контактных поверхностей от попадания на них влаги из воздуха.

Одним из способов защиты контактных соединений от кор­розии является применение достаточно большой силы, взаимного нажатия контактных поверхностей. В этом случае умень­шаются поры, по которым могут проникнуть коррозийные агенты к контактным точкам.

Повышение температуры сильно ускоряет коррозию и окис­ление контактов вследствие того, что ускоряется диффузия га­зов в контакте и усиливается химическая активность веществ вызывающих коррозию. Чем выше температура, тем энергич­нее процесс окисления и тем выше переходное сопротивление контакта.

Чистота обработки контактных поверхностей также сказы­вается на величине переходного сопротивления, особенно в об­ласти небольшой силы взаимного нажатия их. Однако с уве­личением силы нажатия качество обработки сказывается мень­ше. Обработка контактных поверхностей должна обеспечить удаление посторонних пленок, чтобы дать максимум точечных контактов при соприкосновении. Для этой цели наилучшими являются шероховатые поверхности, полученные обработкой напильником. Тщательное выравнивание и полировка контакт­ных поверхностей являются излишними и могут привести к увеличению контактного сопротивления по сравнению с шеро­ховатыми поверхностями. Покрытие контактных поверхностей более мягким металлом (например, лужение медных и сталь­ных контактов) уменьшает переходное сопротивление контак­та при небольших усилиях на контакт.

Для алюминиевых контактов лучшей обработкой является зачистка контактной поверхности наждаком под вазелином, который препятствует образованию окисной пленки на воз­духе.

4. Неподвижные разъемные соединения

Разъемные соединения выполняют с помощью бол­тов, шпилек, винтов, штифтов, шплин­тов, шпонок, а также резьбовых соеди­нений труб с фитингами.

Широко применяются разъемные соединения, в ко­торых отдельные их части крепятся с по­мощью стандартизированных крепежных деталей на резьбе. Резьбой называют винтовую нарезку на стержне или в отверстии детали, ко­торая представляет собой поверхность, об­разованную винтовым движением плоского контура (профиля резьбы) по цилиндрической или конической поверхности, без изменения его положения относительно этой по­верхности. Если стержень ввинчивают в отверстие по направлению часовой стрелки, резьбу называют правой, а если против часовой стрелки то левой. Наиболее распространена правая резьба. Контур сечения резьбы плоскостью, проходящей через ось дета­ли, называют профилем резьбы. В зависимости от профиля резьбы подразделяют на треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, упор­ные и круглые. Резьбу треугольного профиля нарезают обычно на деталях, предназначенных для скрепления. Такую резьбу называ­ют крепежной. Резьбы других профилей относятся к ходовым. Они служат для преобразования вращательного движения в поступатель­ное в работе прессов, домкратов и других механизмов. Расстояние между двумя смежными витками, измеренное вдоль оси резьбы, называют шагом резьбы. Расстояние, на которое переместится стержень при его полном обороте в резьбе неподвиж­ного отверстия, называют ходом резьбы.

Метрической называют резьбу в основу профиля которой положен равносторонний треугольник (теоретический профиль) с углом а = 60°и обозначают, например М16.

Наиболее распространенными стандартизированными крепежны­ми деталями являются болты, винты, шпильки, гайки и др.

Болт представляет собой деталь, изготовленную из цилиндри­ческого стержня, на одном конце которого имеется головка, а на другом — резьба для навертывания гайки. Резьбу выполняют спосо­бом нарезки или накатки.

Разъемные соединенияотдельных деталей имеют большое разно­образие. К резьбовым относят болтовые, шпилечные, винтовые со­единения.

В комплект болтового соединения входят: болт, шайба, гайка. В за­висимости от конструкции гайки иногда снабжают шплинтами.

В комплект шпилечного соеди­нения входят: шпилька, гайка и шайба.

Цилиндрический стержень с резьбой на обоих концах называ­ют шпилькой. Шпиль­ку одним концом (посадочным) ввинчивают в глухое отверстие с резьбой (гнездо), а второй конец входит в отверстие другой детали без резьбы и крепится гайкой с шайбой.

При соединении винтами соблюдают ус­ловные соотношения размеров винтов и углублений для головок винтов.

Провода и кабели распределительных электросетей часто прокладывают в трубах.

Разъемные трубные соединенияна резьбе с помощью специальных деталей, называемых фитингами (муфты, кресты, тройники, уголь­ники), позволяют при необходимости производить их частичную за­мену. В зависимости от различия в диаметрах соединяемых труб, вида соединений (прямое или угловое), а также количества соединяемых труб (две, три или четыре — крестообразно) применяют соединительные части на резьбе различных размеров и формы.

Разъемные штифтовые соединенияшироко применяют в практике изготовления многих электротехнических изделий. Штифт представляет собой стержень. Штифты бывают цилиндрической или конической формы.

Клиновые разъемные соедине­ния отличаются простотой кон­струкции. По сравнению с со­единением болтом они обеспе­чивают быстроту монтажа и демонтажа. Клиновые соедине­ния бывают напряженные и не­напряженные. Две детали могут быть соединены клином непос­редственно, когда одна деталь имеет отверстие для другой со­прягаемой детали, или посред­ством промежуточного стержня анкера или промежуточной втул­ки. Отверстия для стержней мо­гут быть цилиндрическими или коническими (конусность 1:15). Коническое соединениеобеспечи­вает хорошее центрирование. Клинья бывают односкосные или двухскосные, по своему действию они равноценны. В большинстве случаев, ввиду простоты изготовле­ния, применяют односкосные клинья.