Пособие Теория электрических аппаратов
.pdf
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ
4.1. Общие сведения
Под электрическим контактом понимают место перехода тока из одного проводника в другой. Контакт является одним из основных элементов электрического аппарата, от конструктивного исполнения и состояния которого зависит надёжность работы аппарата.
Различают два основных вида контактных соединений:
1.Неподвижные контакты – служат для жёсткого соединения токоведущих частей. Бывают неразборными и разборными.
2.Подвижные контакты – служат для замыкания и размыкания электрических цепей, для регулирования напряжения и сопротивления. Бывают разрывными или коммутирующими и скользящими.
По форме и площадке контактирования контакты делятся на три группы:
1.Точечные контакты.
Два контакта соприкасаются только в одной точке. Данный вид контакта применяется в слаботочных электрических цепях с токами до 1А (используются драгоценные металлы, не образующие окиси). Примерами данного типа контактов являются системы: «конус – плоскость»
(рис.4.1,а), «сфера – сфера» (рис.4.1, б).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
б) |
|
|||
2.Линейные контакты.
40
Рис. 4.2. Линейный контакт «цилиндр – плоскость» Контакт происходит по линии, т.е. в этом случае можно создать
большую степень нажатия. Используется при токах в несколько десятков ампер (в качестве материала используется медь). Этот контакт является скользящим (достоинством данного типа является то, что в процессе коммутации происходит самоочистка контактов от оксидной плёнки). Примером такого типа контактов может служить система «цилиндр – плоскость» (рис.4.2).
3.Поверхностные контакты.
Контактирование между двумя поверхностями. Данный тип контакта применяется при больших токах в десятки, сотни, тысячи ампер (рис.4.3).
4.2. Микроструктура электрического контакта и распределение тока в нём
Поверхности контактов даже при тщательной обработке имеют микровыступы и впадины (рис.4.4), поэтому при соприкосновении контактов ток проводится не по всей поверхности, а распределяется по ее выступам. С увеличением усилия нажатия одного контакта на другой, вершины микровыступов деформируются, и площадь фактического контактирования увеличивается. Например, для медных контактов оптимальное значение усилия нажатия составляет 50-100 кг/см2.
Из-за воздействия кислорода и азота, содержащихся в воздухе, а также других химических реагентов, на поверхности контактов образуются различные плёнки: оксидные (соединения металлов с кислородом) и сульфидные (соединения металлов с серой). При нажатии на контакты
41
плёнки трескаются и образуются очаги металлического контакта – «α-пятна». Число и площадь α-пятен зависит от величины усилиянажатия .
4.3. Переходное сопротивление контактов
|
Выражение для переходного сопротивления контакта |
К |
имеет сле- |
|||
дующий вид: |
К = С + |
пл, |
(4.1) |
|||
где |
С |
– сопротивление |
|
|||
|
стягивания; |
|
|
|
||
|
– сопротивление плёнки. |
|
|
|
||
|
пл |
|
|
|
|
|
|
Сопротивление стягивания ( ) – это результирующее сопротивле- |
|||||
ние площадки контактирования, котораяС |
образуется в зонах микровысту- |
|||||
пов. Обусловлено тем, что в α-пятнах линии тока собираются в пучки и сечение контактов детали используется не полностью.
Сопротивление плёнки ( пл) – это результирующее сопротивление оксидных и сульфидных плёнок, которые могут присутствовать в месте соприкосновения контактов.
Для слаботочных контактов основной долей сопротивления контакта
является сопротивление плёнки |
|
. В сильноточных контактах ос- |
||||
новноеК |
влияние на |
|
оказывает |
сопротивление стягивания . |
||
К |
|
пл |
С |
|||
|
|
|
|
|
||
42
Переходное сопротивление контакта зависит от следующих парамет-
ров:
1. Величина контактного нажатия, которая определяется по формуле:
Н
К = 0,102 к , (4.2)
где к – величина контактного нажатия (усилие контактной пружины);
–показатель, зависящий от формы контактов:
-= 0,5 – для точечных контактов;
-0,5 ≤ ≤ 0,8 – для линейных контактов;
-= 1 – для поверхностных контактов;
Н– коэффициент, зависящий от материала контакта.
Зависимость сопротивления контакта К от величины контактного нажатия к представлена на рис. 4.5.
43
|
2. Величина падения напряжения на контакте. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
С увеличением тока , протекающего через контакт, увеличивается |
||||||||||||||||
падение напряжения |
( К |
наК контакте, вследствие чего повышается темпе- |
|||||||||||||||
ратура контакта |
|
К = К |
К |
, |
причём |
границык. ≥ |
контакта3. |
), |
что |
||||||||
приводит к ростуК |
К~ |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
сопротивления |
контакта |
|
( |
|
|
|
|
2 |
|
, |
||||||
где |
- температурный коэффициент; |
– |
превышение температуры; |
]) |
|||||||||||||
|
К |
|
|
К = |
К |
[1+ |
|
|
|||||||||
- сопротивление контакта при температуре на границе в области стягиваК- |
|||||||||||||||||
ния. Рост сопротивления контакта (при условии |
|
К |
=const) приведёт к ро- |
||||||||||||||
сту напряжения на контакте |
К (рис. 4.6). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
При температуре размягчения площадка касания увеличивается, а переходное сопротивление резко уменьшается при неизменном нажатии. Это состояние имеет место при К = Р, где Р – напряжение рекристализации или размягчения материала.
Если температура продолжает расти, то площадка касания может расплавиться, чему соответствует напряжение плавления К = пл. Температура контакта не должна достигать температуры размягчения материала. Значения р и пл для различных материалов приведены в таблице
4.1.
Таблица 4.1 Напряжения размягчения и плавления для различных материалов
контактов
Материал |
, В |
|
, В |
|
|
|
|
Серебро (Ag) |
0,09Р |
0,37 |
|
пл |
|
||
Медь (Cu) |
0,13 |
0,43 |
|
|
|
|
|
44
Золото (Au) |
0,08 |
0,43 |
|
|
|
Вольфрам (W) |
0,4 |
1,1 |
|
|
|
Алюминий (Al) |
0,1 |
0,3 |
|
|
|
4.4.Материалы контактов
Кматериалам контактов современных электрических аппаратов предъявляют ряд требований, которые могут противоречить друг другу:
1) высокая электрическая проводимость и теплопроводность; 2) высокая коррозионная стойкость в воздушной и других средах;
3) стойкость против образования плёнок с высоким электрическим сопротивлением;
4) малая твёрдость для уменьшения необходимой силы нажатия; 5) высокая твёрдость для уменьшения механического износа при ча-
стых включениях и отключениях; 6) высокая дугостойкость; 7) малая эрозия;
8) простота обработки, низкая стоимость.
Ниже приведены свойства некоторых контактных материалов:
1. Алюминий
«+» Положительные свойства:
-высокая удельная электрическая проводимость и теплопроводность;
-благодаря малой плотности токоведущая часть контакта из алюминия при такой же силе тока, имеет массу почти на 40% меньше, чем у других материалов, что позволяет уменьшить массу аппарата.
«-» Недостатки:
-образование на воздухе и в активных средах плёнок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением;
-низкая дугостойкость (температура плавления значительно ниже, чем у меди и серебра);
-малая механическая прочность.
Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратов.
2. Медь
«+» Положительные свойства:
-высокая удельная электрическая проводимость и теплопроводность;
-достаточная твёрдость, что позволяет применять данный материал при частых включениях и отключениях.
«-» Недостатки:
45
-низкая температура плавления;
-при работе на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление;
-требует довольно больших усилий нажатия.
Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20-30 мкм. Применяется как материал для плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контакторов и 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 плёнки оксидов применение меди не рекомендуется.
3. Серебро
«+» Положительные свойства:
-высокая удельная электрическая проводимость и теплопроводность;
-плёнка оксида серебра имеет малую механическую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки;
-контакт серебра устойчив благодаря малому напряжению на смятие;
-для работы достаточно малое нажатие (применяется при нажатиях
0,05 Н и выше);
-малое переходное сопротивление.
«-» Недостатки:
-малая дугостойкость;
-малая твёрдость;
-высокая стоимость.
Применяется в реле и контакторах при токах до 20А. При больших токах вплоть до 10кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.
4. Платина
«+» Положительные свойства:
-не образует оксидных плёнок;
-высокая устойчивость к окружающей среде.
«-» Недостатки:
-высокая стоимость;
-электрическая проводимость уступает серебру.
5. Вольфрам
«+» Положительные свойства:
-высокая дугостойкость;
-большая стойкость против эрозии и сваривания;
-высокая твёрдость (позволяет применять такие контакты при частых включениях и отключениях).
46
«-» Недостатки:
-высокое удельное сопротивление;
-малая теплопроводность;
-образование прочных оксидных и сульфидных плёнок;
-необходимость сильного нажатия.
Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к материалам контактов.
6. Металлокерамика
Основные необходимые свойства контактного материала - высокие электрическая проводимость и дугостойкость – не могут быть получены за счёт 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) – композиция измельченных порошков с диаметром зерна 10 мкм. Полученные таким методом материалы сохраняют физические свойства входящих в них металлов.
Дугостойкость металлокерамики обеспечивается такими компонентами, как вольфрам или 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 растёт переходное сопротивление контактов и уменьшается их теплопроводность. Оптимальных характеристик добиваются за счет изменения процентного соотношения вольфрам/медь (серебро). Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50% применяется для аппаратов защиты на большие токи КЗ.
4.5. Конструкции и параметры контактов
4.5.1. Рычажные контакты
Рычажные контакты образуются неподвижной и подвижной контактдеталями, причём последняя имеет форму рычага и осуществляет угловое перемещение (рис.4.7). Применяются в электрических аппаратах с поворотной подвижной системой. При замыкании происходит поворот системы вокруг оси О2 до момента касания контакт-деталей в точке 1. При дальнейшем движении поворот происходит вокруг осей О1 и О2, т.е. точка касания перекатывается из точки 1 в точку 2. При размыкании контактной системы точка касания сначала перекатывается из точки 2 в точку 1, затем происходит разрыв цепи. За счёт этого происходит разделение контактов по областям: 1 – область, где разрывается дуга, 2 – область, где протекает ток (рис.4.8).
47
Рис.4.7 – Рычажной контакт
Рис. 4.8. – Процесс замыкания рычажного контакта Имеющееся проскальзывание приводит к стиранию оксидной пленки
и грязи с поверхности контакта (самоочистка). Поэтому в качестве материала для контактов можно использовать медь. Рабочие поверхности выполняются по типу «плоскость-цилиндр» или «цилиндр-цилиндр». Основной недостаток таких контактов заключается в необходимости создания гибкой связи в местах присоединенияктокопроводу,чтоснижаетнадёжность.
48
4.5.2. Мостиковый контакт
Мостиковые контакты образуются из подвижной контакт-детали (мостика) и неподвижной контакт-детали (рис.4.9, а – разомкнутое состояние, б – замкнутое состояние). К подвижной и неподвижной частям путём сварки или пайки прикреплены рабочие поверхности. Ток проходит от одной контакт-детали через мостик к другой. Рабочие поверхности контактов выполняются по типу «плоскость-плоскость», «плоскостьсфера» или «сфера-сфера».
Раствор – это расстояние между полностью замкнутыми подвижным и неподвижными контактами.
Провал – это расстояние, на которое перемещается подвижная контактная система после касания контактов.
Провал обеспечивает надёжную работу электрического аппарата и компенсирует износ контактов.
Ход контактов = Раствор + Провал.
В процессе эксплуатации контакты изнашиваются из-за трения и выгорания от дуги. Это приводит к снижению контактного нажатия. Снижение нажатия приводит к увеличению переходного сопротивления контакта, что в свою очередь приведёт к росту напряжения в зоне контакта. Поверхности контактирования начнут нагреваться, при этом повысится опасность сваривания контактов. Поэтому провал контакта в ходе эксплуатации постоянно контролируется. Допускается уменьшение провала
49