Электрические контакты

Лекция 3. Электрические контакты Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток. Соприкасающиеся проводники называются контакт-деталями или просто контактами. Как бы ни была тщательно обработана поверхность соприкосновения контактов, электрический ток проходит из одного контакта в другой только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как абсолютно гладкой поверхности нельзя получить ни при каком методе ее обработки. Примерная картина этого явления представлена на рис. 3-1. Благодаря нажатию одного контакта на другой вершины выступов деформируются и образуются площадки действительного касания контактов. Рисунок 3.1 — Примерная картина прохождения тока в электрическом контакте Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических контактов по торцам. Положим, что контакты имеют только одну площадку касания и что эта площадка имеет форму круга радиусом a (рис. 3-2, а). Величину радиуса a при пластической деформации можно найти с помощью формулы где F – сила нажатия контактов; σ — временное сопротивление смятия материала контактов. Рисунок 2 — Идеализированная картина растекания тока в одноточечном контакте В результате стягивания линий тока к площадке касания путь тока меняется. Сечение проводника, через которое фактически проходит ток, становится меньше, что вызывает увеличение сопротивления. Сопротивление в области точки касания, обусловленное явлениями стягивания тока, называется переходным сопротивлением контакта. Картина растекания тока в области стягивания рис. 3-2, а аналогична картине растекания тока из плоского диска радиусом а в полубесконечную среду. Учитывая, что размеры области стягивания малы по сравнению с размерами тела контакта, реальные контакты можно заменить полубесконечными телами. Для двух полубесконечных тел контактирующих по одной круглой площадке касания, картина поля тока и электрических потенциалов φ представлена на рис. 3-2, б. Эквипотенциальные поверхности являются полуэллипсоидами вращения, линии тока — гиперболами с общим фокусом. Для такой идеализированной картины растекания тока в контактах сопротивление определяется выражением С точностью до 5% эта формула справедлива, если поперечные размеры тела контакта превосходят в 13 раз диаметр площадки касания. В большинстве практических случаев последнее условие соблюдается, так как размеры площадки касания обычно не превосходят долей миллиметра. Находя из (3-1) радиус площадки а и подставляя его значение в (3-2), получаем: Таким образом, сопротивление, обусловленное стягиванием, пропорционально удельному сопротивлению, корню квадратному из временного сопротивления на смятие материала σ и обратно пропорционально корню квадратному из силы натяжения на контакты F. Если имеет место упругая деформация контактирующих выступов, то формула для сопротивления Rп имеет тот же вид, но показатель степени у силы равен 1/3. В таблице 1 приводятся экспериментальные значения коэффициента k для одноточечных свежезачищенных контактов. Таблица 1 — Экспериментальные значения коэффициента для определения переходного сопротивления Материал контактов Коэффициент k для сильноточных контактов, Н1/2·Ом Коэффициент k для слаботочных контактов, Н1/2·Ом Медь 3,16·10-4 0,014-0,0175 Серебро 1,58·10-4 0,006 Олово 15,8·10-4 — Латунь 21,2·10-4 — Сталь 24·10-4 — Алюминий 5,05·10-4 — Сопротивление Rп зависит и от обработки поверхности. Шлифовка ведет к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой. В действительности контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контакты до их замыкания. Очень часто эти молекулы вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате чего на поверхности металла могут возникнуть пленки с очень высоким удельным сопротивлением (до 104 Ом·м). Если напряжение замыкаемой цепи очень мало или нажатие на контакты недостаточно, то иногда контакты вообще не пропускают тока. Как только свежезачищенная поверхность контактов соприкасается с воздухом, сейчас же начинается процесс образования пленки и переходное сопротивление может возрасти в десятки тысяч раз. В связи с этим контакты на малые точки (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). В сильноточных контактах пленка окислов разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо путем самозачистки при включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого. При прохождении тока через область стягивания линий тока контакт нагревается. Превышение температуры в области стягивания Δτк может быть найдено приближенно с помощью формулы (3-5) где Uк — падение напряжения на переходном сопротивлении, равное IRп; λ — удельная теплопроводность; ρ — удельное электрическое сопротивление материала контактов. Наибольшую температуру имеет площадка касания. По мере удаления от нее температура быстро падает. Протяженность области стягивания невелика и составляет (5—6) а. Тепло, выделяющееся в области стягивания (I2Rп/2), распространяется по телу контакта и отдается в окружающую среду через боковую поверхность тела контакта. При увеличении тока через контакт увеличивается падение напряжения Uк=IRп. Согласно уравнению (3-5) возрастает превышение температуры контактной точки Δτк. Это в свою очередь вызывает увеличение сопротивления Rп. Зависимость сопротивления Rп от напряжения Uк называется R-U характери-стикой контакта и показана на рис. 3-3. Рисунок 3-3. R-U характеристика контакта Режимы работы контактов При включении контактов могут иметь место следующие процессы: 1) вибрация контактов; 2) эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами. Рассмотрим природу вибрации на примере рис. 3-4. Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 через контактную пружину 3. Неподвижный контакт 4 жестко закреплен на опоре. Электромагнит контактора воздействует на рычаг 2. В момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и загорается дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта. Рисунок 3-4. Вибрация контактов при замыкании цепи Рассмотрим этот вопрос более детально. Пусть контакты соприкоснулись в точке А (рис. 3-4, а). Напряжение на контактах стало равным нулю, ток достиг значения I. Считаем, что индуктивность цепи равна нулю. После этого контакт продолжает двигаться вперед за счет инерции подвижных частей и деформации материала контактов. В точке В контакт останавливается и начинается движение назад. Упругое восстановление деформации материала контакта прекращается в точке С, но контакт по инерции продолжает движение, пока не достигнет положения хк. После этого подвижный контакт под действием пружины снова идет на замыкание и ток появляется в точке D. Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контактов равен хр, а за счет сил инерции хк. В точке tm контакты расходятся на расстояние, равное хк—хр . Если хр≥ хк, то, хотя вибрация и есть, она считается неопасной, так как размыкание контактов не происходит (рис. 3-4, а) после точки G. Вибрация контактов — явление весьма вредное, поскольку при этом имеет местом ногократное образование короткой дуги, которая ведет к сильному оплавлению и распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается их взаимное нажатие в полностью включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход из строя контактов. Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предварительную деформацию (натяг) при разомкнутых контактах. В момент касания контактов сила нажатия возрастает не с нуля, а с величины предварительного начального нажатия контактов. С ростом начальной силы нажатия контактов вибрация их резко сокращается. Однако при чрезмерно большой начальной силе вибрация может возрасти, так как при недостаточной мощности включающего электромагнита (привода) возможен отброс контактного рычага. Увеличение жесткости контактной пружины способствует уменьшению вибрации. Однако это влияние менее заметно, чем влияние предварительного натяга. В некоторых конструкциях между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из специального пористого материала типа губчатой резины. Этот материал увеличивает затухание колебаний контакта и способствует уменьшению вибраций. Увеличение тягового момента привода вначале уменьшает отброс, а затем отброс начинает возрастать. В первой области, очевидно, для данной начальной силы нажатия контактов тяговый момент недостаточен и отброс уменьшается с ростом момента. При дальнейшем возрастании тягового момента увеличиваются разгон подвижного контакта и его скорость в момент удара, что ведет к росту амплитуды отброса. В связи с этим недопустимо большое превышение тяговой характеристики над противодействующей характеристикой. Нa вибрацию контактов влияет также момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается. В связи с этим контакты должны быть возможно легкими. На рис. 3-4, б рассмотрены два случая. В первом включается цепь постоянного тока — кривая тока 1, во втором — переменного тока 2. Кривая 3 представляет изменение напряжения на контактах. Время вибрации от удара контактов равно t1. После удара якоря электромагнита, движущего контакт, о неподвижный сердечник снова появляется вибрация подвижного контакта. Вибрация от удара якоря длится t2. Поскольку к этому моменту времени ток в контактах достигает большой величины, то вибрация контактов особенно опасна. С целью снижения силы удара якоря о сердечник тяговая характеристика электромагнита не должна значительно подниматься над противодействующей. С целью снижения вибраций, возникающих от удара якоря, магнитопровод с обмоткой крепится не жестко, а на пружинах. Допустимое время вибрации не превышает 0,5—1,0 мс. При включении на существующее короткое замыкание вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания. Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их соприкосновения, необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электродинамические силы отброса и создать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению точки касания. Контрольные вопросы 1. Объясните механизм электрического контакта двух деталей. 2. Чем определяется сопротивление контакта? 3. Как уменьшить сопротивление контакта? 3. Чем определяется нагрев контакта? 4. Как происходит замыкание контактов? 5. В чем опасность вибрации при замыкании контактов? 6. Как уменьшить вибрацию при замыкании контактов? 7. Какие существуют механизмы износа контактов? 8. Как повысить долговечность контактов?