Электрические контакты

Общие сведения

Эл.контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся проводники называются контактами или контакт-деталями.

По назначению контакты подразделяются на соединительные и коммутирующие.

Соединительные контакты служат только для проведения тока, а на коммутирующие дополнительно возлагаются задачи включения, отключения или переключения эл.цепей.

Для соединительных контактов характерно разделение на взаимно неподвижные неразъемные и взаимно подвижные скользящие или катящиеся.

Неподвижные разборные и неразборные контакты соединяются с помощью либо болтов, либо горячей или холодной сварки. При болтовом соединении медные шины зачищают от оксидов и смазываются техническим вазелином. После сборки место стыков покрывается влагостойким лаком или краской.

Момент при затяжке болтов контролируется специальным тарированным моментным ключом.

Подвижные неразмыкающие контактные соединения типа гибкая связь изготавливается из медной ленты толщиной 1 мм и менее или из многожильного жгута, сплетенного из медных жил диаметром 1 мм и менее. Гибкая связь применяется при перемещениях подвижного элемента не более 25 см. При больших ходах и больших номинальных токах применяется контактные соединения в виде скользящих и роликовых токосъемов.

Разрывные контакты. Существует много видов коммутирующих контактов: рубящие, торцевые, щеточные, пальцевые, розеточные, стыковые рычажные, мостиковые, с плоскими пружинами и прочие.

Расстояние между неподвижным и подвижным контактами в отключенном состоянии аппарата называется раствором контакта. Подвижные контакты, имеющие возможность устанавливаться в положения с максимальным числом контактных площадок, называются самоустанавливающимися.

В пальцевых контактах используется контактный узел с перекатывающим подвижным контактом. Касание происходит в одной точке, а затем точка касания переходит в другую. При этом происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному с небольшим проскальзыванием, за счет чего пленка оксида на них стирается.

Сопротивление эл. контакта. Благодаря нажатию Р одного контакта на другой образуются площадки действительного касания контактов. В результате линии тока стягиваются к площадкам касания, длина их увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически проходит ток, уменьшается. Это вызывает увеличение сопротивление. Величина его называется сопротивлением стягивания

где m=0,7÷1 – для линейных 0,7÷0,8, для плоскостного 1, К – постоянная, зависящая от материала и конструкции контакта; Р – сила контактного нажатия.

Результирующее переходное сопротивление контактов R_к, может быть представлено как сумма сопротивления R_ст и сопротивление пленок R_пл:

Переходное сопротивление из–за сопротивления пленок может возрасти в сотни – тысячи раз.

В связи с этим контакты на малые токи (малые нажатия) изготавливаются из благородных металлов, не поддающихся окислению - золото, платина и др.

В сильноточных контактах пленка разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.

Режимы работы контактов.

Включение цепи. В процессе замыкания создаются условия для эл.пробоя и загорается дуга. Под действием включающего механизма происходит соприкосновение контактов, и дуга замыкания гаснет. Соприкосновение контактов носит ударный характер и возникает вибрация контактов, при которой возможно повторное возникновение дуги или искры.

Для уменьшения вибрации создается предварительный натяг контактной пружиной при разомкнутых контактах, кроме того, масса контактов должна быть минимальной. Дуга замыкания может нагреть контакты до температуры плавления металла. После замыкания, когда начинается остывание контактов, возможно их сваривание. Для ослабления эффекта сваривания при замыкании, контакты выполняются из металлокерамических материалов.

При включении на существующее К3 вибрация контактов усиливается
из–за возникновения отбрасывающих сил в точках касания.

Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их соприкосновения, усилие предварительного натяга контактной пружины должно компенсировать ЭДУ отброса и создавать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению точек касания.

Контакты во включенном состоянии. Для каждого материала существуют определенные, характерные для него падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, определяющих фазовое состояние материала. Так температуре рекристаллизации соответствует напряжение размягчения материала - U_р, а температуре плавления – U_пл.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при I_н падение напряжения на переходном сопротивлении R_к было меньше U_р:

I_н * R_к ≤ (0.5 ÷ 0.8) U_р tº U_р(B)

серебро 150 0,09

медь 190 0,12

вольфрам 1000 0,4

Использование контактов при условии U_к< U_р, что напряжение на них не превзойдет напряжения размягчения, возможно лишь в маломощных аппаратах.

Поэтому в аппаратах, работающих при больших номинальных токах и в режимах К3, не исключено расплавление контактного пятна в замкнутом состоянии, что может привести к свариванию контактов.

Значение тока, при котором в установившемся режиме нагрева происходит оплавление площадки касания контактов, называется минимальным плавящим током I_пл.∞.

Отключение цепи. В процессе размыкания контактов, контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и за счет этого растет температура точек касания. В момент разъединения контактов между ними возникает мостик из жидкого металла. После разрыва мостика в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает дуговой или тлеющий разряд.

Высокая температура приводит к интенсивному окислению материала контактов, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок.

Износ, связанный с окислением и образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом или коррозией.

Износ, связанный с переносом материала с одного электрода на другой называется эрозией. Эрозия наиболее вредна на постоянном токе.

Мера износа контактов характеризуется уменьшением провала контактов. Под провалом понимают путь, пройденный точкой соприкосновения контактов, если во включенном положении убран другой контакт.

Методы борьбы с эрозией контактов.

При токах более 1А:

- сокращается длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

- устраняется вибрация контактов при включении;

- применяются дугостойкие материалы контактов.

Для контактов на токи от долей ампера до нескольких ампер применяются схемные методы уменьшения эрозии (рис. 2).

RН LH

RШ

(-) RН LH (+)

а)

б)

RН LH

в)

RН LH

г)

Рисунок 2. Схемы для уменьшения износа контактов.

Почти вся электромагнитная энергия, накопленная в цепи, при отключении контактов выделяется в дуге. Чем меньше эта энергия, тем меньшее эрозия контактов.

В схеме рис.2, а нагрузка шунтирована резистором R_ш. При отключении вся эл.магнитная энергия переходит в тепловую, выделяемую в сопротивлениях R_ш и R_н.

Тлеющий разряд отсутствует при R_ш . Дуга отсутствует при условии , где U₀ и I₀ – минимальное значение напряжения и тока необходимые для поддержания дугового разряда для материала контакта. Для платины: U₀ =17 В, I₀ =0,9 А; меди: U₀ =12,3 В, I₀=0,43 А. Наличие резистора R_ш увеличивают токовую нагрузку контактов.

В схеме рис.2,б контакты нагружаются только током нагрузки и обратным током диода VD. При отключении цепи вся эл.магнитная энергия нагрузки выделяется в сопротивлении R_н и прямом сопротивлении диода.

В схеме рис. 2,в контактный промежуток шунтируется резистором R_ш, что облегчает гашение дуги и уменьшает износ контактов. Для полного отключения цепи необходим дополнительный контакт К2.

В схеме рис.2,г контакт шунтирован цепочкой R_шС. Положим вначале, что R_ш=0. Ток в конденсаторе , где U – напряжение на контактах. Наличие конденсатора уменьшает ток через контакт, а также снижает скорость нарастания напряжения на контактах. Все это облегчает процесс отключения.

При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии разряда конденсатора. Для ограничения тока разряда служит резистор R_ш.

Материалы контактов.

Требования к материалам контактов почти всегда противоречивы, и потому не существует такого материала, который применялся бы в качестве контактного во всех случаях.

Основные показатели контактных материалов:

1. высокая эл.проводимость и теплопроводимость;

2. высокая коррозийная стойкость;

3. стойкость против образования пленок с высоким эл.сопротивлением;

4. малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

5. высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях;

6. малая эрозия;

7. высокая дугостойкость (температура плавления);

8. высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9. простота обработки, низкая стоимость.

В качестве контактных материалов используются:

- чистые металлы – медь, алюминий, серебро, золото, платина, палладий, родий, олово, вольфрам, молибден, кадмий и др.

- сплавы – латунь, бронза, силумин и др.;

- неметаллы – углерод;

- композиции взаимно не сплавляемых металлов – вольфрам – серебро, вольфрам – медь;

- композиции металлов с оксидами металлов – серебро – оксид кадмия, серебро – оксид меди, медь – оксид меди;

- композиция металлов с карбидами вольфрам – карбид вольфрама;

- композиция металлов с углеродом – серебро – графит, медь – графит.

Многочисленные тройные композиции. Вследствие низкой дугостойкости медь не применяют в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается слоем серебра толщиной 20-30 мкм. В аппаратах включаемых относительно редко на большие токи ставятся серебряные пластинки.

Алюминий обладает малой износостойкостью и легко окисляется и его применение ограничивается соединительными контактами. Необходимость снижения температуры контактов, уменьшение требуемых усилий нажатия вызывает применение в качестве контактных материалов металлов, обладающих высокой эл.проводимостью, в частности серебра. Оно применяется в реле, в контакторах при токах до 20 А. При больших токах до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Для исключения окисления и образования плохо проводящих пленок, для контактов различных аппаратов автоматики используют благородные металлы – золото, платину, палладий.

Металлооксидные композиции используют при повышенных требованиях в отношении сваривания. Металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяются на большие токи К3.

В аппаратах НН применяется металлокерамика КМК – А10 из серебра и оксида кадмия. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация оксида кадмия на пары кадмия и кислород. Выделяющий газ, заставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контактов, что значительно снижает температуру контактов.

Серебро–графитовые и медно–графитные контакты применяются как дугогасительные.