Электрические контакты

 

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Прохождение тока в разборных контактных соединениях

Разборным контактным соединением (РКС) называют контактное устройство, которое можно разъединить путем  разборки без его разрушения. Оно  предназначено для прохождения  электрического тока и обеспечения  непрерывности электрической цепи. Любое РКС состоит из двух контакт  – деталей, рабочие (токопередающие) поверхности которых, прижимаются  к друг другу механической силой, которая называется контактое нажатие.

Из-за волнистости и шероховатости  рабочих поверхностей под действием  этой силы в материале контакт  – деталей возникает пластическая или упругая деформация. Поэтому  начальные точки соприкосновения  превращаются в небольшие контактные поверхности (пятна) и появляются новые  контактные пятна. Сумма всех этих соприкосающихся  поверхностей составляет контактную поверхность, воспринимающую усилие нажатия, которая  называется условной площадью контактирования. Условная площадь контактирования  в сотни раз меньше площади  контакт – деталей.

Обычно условная поверхность  частично покрыта изоляционными  окисными пленками, и поэтому только часть ее, имеющая металлический или квазиметаллический контакт имеет часть поверхности, покрытая тонкой пленкой, через которую проникает электроны благодаря туннельному эффекту. Часть условной площади контактирования, по которой электрический ток переходит от одной контакт – детали к другой называется эффективной площадью контактирования.

Таким образом, рабочая площадь  контакт – деталей состоит  из участков:

• условная площадь контактирования, воспринимающая усилие нажатия;
• эффективная площадь контактирования, способная пропускать электрический ток. Эта площадь включает участки металлического контакта и квазиметаллического контакта;
• площадь не имеющая механического соприкосновения, которая при отсутствии пластической деформации материала рабочей поверхности контакт – детали не воспринимает усилие нажатия.

Участки эффективной площади  контактирования в технической  литературе называют пятнами проводимости. Исследования показывают, что ток  в РКС течет главным образом  через пятна металлического контакта, которые образуются либо при разрыве  окисных пленок на эффективной поверхности, либо за счет фриттинга. Фриттинг представляет собой электрический пробой, который  возникает, когда величина электрического поля внутри окисной пленки достигает такого значения, которое может вызвать образование тонкого металлического мостика в пленке. Если окисная пленка достаточно тонка и пропускает электроны с помощью туннельного эффекта, то фриттинг не возникает.

Электрическое сопротивление  РКС состоит из сопротивления  на границе их рабочих поверхностей. Переходное сопротивление зоны контакта определяется эффективной площадью контактирования по величине, практически, равно сопротивлению РКС.

Так как эффективная площадь  контактирования представляет собой  главным образом отдельные пятна  металлического контакта, то линии  тока стягиваются к этим маленьким  токопроводящим мостикам, которые имеются  на обоих контакт – деталях, вследствие этого возникает сопротивление  стягивания.

Таким образом, сопротивление  стягивания – это увеличение электрического сопротивления РКС по сравнению  с тем, которое должно соответствовать  в случае малой проводимости рабочей  поверхности контакт – деталей.

Однако, переходное сопротивление  чаще всего оказывается больше сопротивления  стягивания, которое можно рассчитать как функцию эффективной поверхности. Это объясняется наличием на этой поверхности окисных пленок, которые вносят дополнительное сопротивление. Термин переходное сопротивление сохраняется независимо от того, является ли оно чистым сопротивлением стягивания или же имеется пленка, которая вносит на эффективную площадь дополнительное сопротивление. Схема прохождения электрического тока в РКС показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема прохождения тока через контакт твердых тел:

1 – рабочая площадь контакт - детали; 2 – условная площадь контактирования, несущая нагрузку (упругая деформация); 3 – эффективная (реальная) площадь контактирования (пластическая деформация); 4 – площадь с квазиметаллической проводимостью (пленки); 5 – пятна металлического контакта.

 

 

2. Факторы, определяющие работоспособность и надежность РКС

Функцией любого РКС является надежная передача тока с минимальными потерями электроэнергии. Многообразие факторов можно условно разделить на эксплуатационные, определяемые условиями эксплуатации, и конструктивно – технологические факторы, определяемые требованиями проектирования и изготовления контактного устройства. Эксплуатационные факторы можно условно разделить на внутренние и внешние, так, как это показано на рис. 2.2.

Надежность работы РКС  зависит от стабильности величины переходного  электрического сопротивления, которое  должно быть на уровне первоначальной сборки в течение всего срока  эксплуатации этого устройства. Стабильность этого сопротивления определяется, прежде всего, такими факторами, как стабильность эффективной площади контактирования и состояния ее поверхности, которые в свою очередь зависят от множества независимых и взаимосвязанных условий.

Рис. 2.2. Влияние эксплуатационных факторов на надежность электрических контактов

На рис. 2.3 схематически показано влияние конструктивно – технологических факторов на надежность электрических контактов.

Рис. 2.3. Влияние конструктивно – технологических факторов на надежность электрических контактов

Экономичность работы РКС  определяется величиной стабильного  переходного сопротивления, которая  тоже зависит от многих факторов. Исследования в области повышения экономичности  работы РКС проводятся главным образом  в двух направлениях. Это оптимизация  существующих и разработка новых  конструкций РКС, поиск новых  типов защитных металлопокрытий  и разработка технологий и способов их получения на рабочих поверхностях контакт – деталей. Главная цель всех этих разработок – снизить  величину переходного сопротивления  РКС, уменьшить потери электроэнергии в этих соединениях.

 

3. Способы повышения надежности РКС в сильноточных электрических цепях

Повышение надежности РКС  в сильноточных электрических цепях  может достигаться следующими мероприятиями:

• оптимизация конструкции для повышения площади контакта

Размер площади контакта обычно определяется сжимающей нагрузкой, твердостью контактирующих тел и  заданной плотностью тока в контакте. Необходимо, чтобы эта площадь  была достаточно велика, чтобы даже при длительной работе и деградации контакта не происходил его перегрев и повышение контактного падения  напряжения. В случае болтовых соединений было доказано, что можно добиться повышения площади контакта от 1,5 до 1,7 раз при применении шин с пазами. Контактное сопротивление шин с пазами на 30 – 40% ниже, чем при их отсутствии, что объясняется более равномерным распределением контактного давления под болтами и большей площадью проводящего контакта при разделении общей площади контакта.

• оптимизация контактного давления

В правильном спроектированном контакте давление должно быть достаточно высоким для обеспечения необходимой  площади контакта и в то же время  не превышать предела упругости, чтобы не допускать пластических деформаций, релаксации напряжений и  ползучести, приводящих к отказам. Влияние контактного усилия на сопротивление замкнутых медных контактов было исследовано Броном. Временная зависимость сопротивления сферических медных контактов измерялась под усилием 50 и 100 Н для тока в 1000 А. Из данных, представленных на рис. 2.4, видно, что увеличение усилия в два раза приводит к увеличению времени до отказа (резкого роста сопротивления) в 5 раз. Более того, было показано, что увеличение контактного усилия ведет к повышению допустимого перегрева контактов.

В случае зажимных контактов, используемых для соединений нескольких проводников, сила, требуемая для  обеспечения контакта, обеспечивается деформацией втулки, охватывающей соединение. Степень усилия, прилагаемого для  обжатия втулки, определяется, как  с точки зрения обеспечения требуемого сопротивления контакта, так и  с точки зрения предотвращения избыточной деформации, приводящей к релаксации напряжений и ползучести.

Рис. 2.4. Изменение контактного сопротивления для медных контактов при различном усилии

Прежде всего, считается  важным обеспечить плоскостность контактных поверхностей, так как их сборка с отклонениями направлений плоскостей даже в доли миллиметра в любом  направлении на контактной площадке приведет к резкому снижению площади  контакта, повышению его сопротивления  и температуры. Кроме того, эффективно разделение площади контакта на равномерно распределенные участки, например за счет использования выступов правильной формы (рис. 2.5, б). При этом эффект неплотного прилегания поверхностей также устраняется.

Рис. 2.5. Примеры соединений с разделенными контактами под болтами (а) и рифленой площадки (б)

 

• применение механических контактных приспособлений

Для предотвращения вредных  последствий соединения разнородных  металлов в болтовом соединении на практике используются различные механические приспособления, обеспечивающие необходимое  усилие сжатия контактных поверхностей.

Рис. 2.6 показывает предпочтительную конструкцию болтового соединения алюминиевых или медных шин.

Рис. 2.6. Рекомендуемая конструкция болтового соединения:

1 – пружинная шайба; 2 – стальной болт; 3 – толстая стальная шайба; 4 – бронзовая гайка; 5 – шины из алюминия или меди; 6 – замковая шайба из алюминия или меди; 7 – болт из алюминия или меди; 8 – шайба из алюминия или меди; 9 – гайка из алюминия или бронзы.

 

Для того чтобы обеспечить более равномерное распределение  напряжений в шинах под шайбами, рекомендуется использовать и плоские  шайбы толщиной 3 – 4 мм, т.е. примерно в два раза толще пружинных шайб.

Для снижения действия термических  напряжений шины и болты изготавливают  из одинаковых материалов. Так для  соединения алюминиевых шин применяют  болты из высокопрочного анодированного алюминиевого сплава, покрытого тонким слоем ланолиновой смазки. Для  соединения медных шин используют болты из высокопрочной бронзы без смазки. Дополнительным преимуществом алюминиевых и бронзовых болтов перед стальными болтами является их немагнитность и отсутствие нагрева от гистерезисных потерь на переменном токе.

Повторная затяжка является одним из эффективных приемов контроля контактных усилий в болтовых соединениях. Действие этого приема на примере соединений алюминиевых шин, подвергнутых циклической токовой нагрузке, демонстрирует рис. 2.7, где - отношение начального усилия к текущему, а - отношение начального сопротивления к текущему.

Очевидно, что повторные  затяжки стабилизируют контактное усилие и сопротивление. Эффект более  заметен в случае запорных шайб и  тонких плоских шайб. Однако и в  соединении с пружинными шайбами  и толстыми плоскими шайбами этот эффект улучшает работу соединения. Недостатком  метода является ограниченность его  применения в труднодоступных соединениях.

 

Рис. 2.7. Влияние повторных затяжек на относительное контактное усилие и сопротивление для двух типов болтовых соединений:

а – комбинация пружинной запорной и тонкой плоской шайб; б – комбинация пружинной тарельчатой и толстой плоской шайб.

Биметаллические вставки позволяют улучшить совместимость разнородных металлов. Например, в случае алюминия и меди применяют биметаллические пластины, полученные совместной прокаткой или другим способом. Биметаллические пластины предназначены для использования в соединениях шин и требуют применения защитных составов или смазок для защиты от гальванической коррозии.

Для соединения разнородных  металлов (алюминий – медь) без покрытий также используют переходные шайбы. Шайбы изготавливают из латуни 60/40 или высокопрочного сплава Al-Mg-Si. Острые выступы на поверхности шайб пробивают окисные пленки, и устанавливается контакт, устойчивый к старению. Примеры переходных шайб показаны на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Переходные шайбы из сплава Al-Mg-Si (а) и латуни (б)

Другим типом переходных шайб, приобретающим все более  широкое применение не только в энергетике, но и в электронике и медицинской  технике, являются многоточечные контактные элементы из упругих бериллиевых  бронз. Они формируют множественные  мостики контакта и резко снижают  его сопротивление. При этом контакт  замкнут в закрытом пространстве, и снижается влияние на него окружающей среды. Пример переходных многоточечных  элементов приведен на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема использования многоточечного переходного элемента

Сплавы с эффектом памяти высокочувствительны к деформации в узком диапазоне температур, что делает их идеальным материалом пружинных шайб. Полезный эффект шайб с эффектом памяти реализуется, если соединение установлено с низким контактным усилием, что часто случается на практике. При его нагреве шайба создает дополнительное напряжение и предотвращает отказ соединения.