Износ контактов

Содержание:

стр.

1. Классификация контактов................................................................................3
2. Контактная поверхность и физические явления при контактировании.......5
3. Переходное сопротивление контакта............................................................11
4. Износ контактов..............................................................................................13

4.1. Износ контактов при малых токах

4.2. Износ контактов при больших токах

4.3. Износ контактов при размыкании

4.4. Износ контактов при замыкании

5. Работа контактных систем, в условиях короткого замыкания...................19
6. Материалы для контактных соединений.......................................................21

Список используемой литературы.......................................................................24

Электрические контакты

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

1. Классификация контактов

По назначению контакты подразделяются на: 

• Соединительные
• Коммутирующие

1. Соединительные служат только для проведения тока.

• Взаимно неподвижные неразъёмные
• Взаимно подвижные скользящие (катящиеся)

2. Коммутирующие выполняют задачи включения, отключения или переключения цепей.

Контакты электрических цепей могут быть разделены на 3 группы:

• Разборные
• Коммутирующие
• Скользящие

1. Разборные – это те контакты, у которых в процессе работы детали не перемещаются относительно друг друга, а остаются надежно скрепленными. (боковое соединение шин, присоединение проводников к зажимам.)

2. Коммутирующие - это контакты, которые в процессе работы замыкают, размыкают или переключают цепь в которой течет или может протекать ток. (контакты выключателей, контакторов, рубильников.)

3. Скользящие – разновидность коммутирующих контактов, у которых одна из деталей перемещается (скользит) относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается. (контакты реостатов, щеточный контакт электрических коллекторных машин.)

По форме контактирования различают 3 вида контактов:

• Точечный
• Линейный
• Поверхностный

1. Точечный - электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит в точке. Следовательно, контактирование происходит только в одной точке – площадке (рис.1,а), например, соприкосновение таких поверхностей, как сфера - сфера, сфера - плоскость, вершина конуса - плоскость и т.п.

2. Линейный - электрический контакт, при котором сопротивление рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по линии (рис.1,б), например, цилиндр – цилиндр (по образующей), цилиндр – плоскость, виток – виток и т.д. Физическая картина контактирования здесь представляет собой ряд точек – площадок (минимум две), расположенных на одной линии.

3. Поверхностный - электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по поверхности (рис.1,в). Физическое контактирование происходит здесь в ряде точек площадок (минимум в трёх), расположенных на этой поверхности.

Рис.1. Типы контактов

Тип контакта определяется его назначением, значениями тока и контактного нажатия, конструкции контактного узла и всего аппарата. При этом следует иметь в виду, что многоточечное контактирование обеспечивает более надежный контакт.

2. Контактная поверхность и физические явления

при контактировании

В технике под поверхностью понимают границу между реально существующими телами и окружающей их средой. Простейшая форма поверхности – плоскость. Практически невозможно получить строго заданную форму поверхности, часто в этом и нет необходимости.

В технике поверхности принято делить на:

• Ровные - гладкие
• Ровные - шероховатые
• Неровные

Лишь некоторые поверхности оптических приборов условно могут быть отнесены к гладким. Поверхности электрических контактов, как правило, являются шероховатыми.

В зависимости от назначения все поверхности можно разделить на группы:

• Активная
• Пассивная

1. Активная группа в процессе эксплуатации работает на износ, воспринимает нагрузки и испытывает трение. Эти детали со сравнительно хорошей макро- и микрогеометрией. К ним относятся и поверхности электрических контактов.

2. Поверхность пассивной группы в процессе эксплуатации не взаимодействует с другими поверхностями, однако, улучшает внешний вид изделий и защищает их от коррозии.

На рис.2 изображена модель контактной поверхности. Вся поверхность контакта представляет собой кажущуюся контактную поверхность, так как, вследствие шероховатости, действительное соприкосновение контактирующих частей происходит только на отдельных участках а, б и в, представляющих собой в сумме истинную контактную поверхность.

Действительная поверхность соединения двух проводников в местах а и б состоит из:

• Контактных участков (пятен) с металлическим контактом, электросопротивление которых определяется удельным сопротивлением металлов пары и через которые протекает электрический ток без заметного переходного сопротивления;
• Контактных пятен с квазиметаллическим контактом, покрытым тонкими адгезионными и хемсорбированными плёнками, легко пропускающими электрический ток благодаря туннельному эффекту. Электрическое сопротивление этих пятен значительно.

Рис.2. Схема поверхности контакта: а – чисто металлический контакт;

б – квазиметаллический контакт;  в – изолирующие плёнки;

г – кажущаяся поверхность; д-д, е-е – линии тока.

Действительная поверхность электрического контакта меньше действительной поверхности контактирующей пары трения, потому что на этой поверхности имеются ещё контактные пятна с практически непроводящими плёнками окислов, сульфидов и т.п. Эта часть поверхности тока не проводит (участок в) или вовсе не контактирует (участок г). Таким образом, контактирующие поверхности металлов состоят из участков с различной электропроводностью.

Основная особенность контактной поверхности – её шероховатость, выступы которой можно рассматривать как конусы со сферическими вершинами (рис.3,а), располагающиеся на некоторой волнистой поверхности (рис.3,в).

Рис.3. Физические явления при контактировании.

Волнистость – это совокупность периодических, регулярно повторяющихся и близких по размерам (высота 0,03…500 мкм) возвышенностей и впадин, расстояние между которыми (0,25…300 мкм) значительно больше, чем расстояние между микронеровностями. Фактические размеры мест соприкосновения точек (выступов) равны 2…3 мкм. Наиболее тщательно отделанные, шлифованные и полированные поверхности всё же имеют неровности высотой 0,005…0,1мкм. Более грубые поверхности имеют выступы до 100…200 мкм.

Качество контактной поверхности зависит от чистоты (микрогеометрии) и физико-химических свойств металла в тонких верхних слоях (твёрдость, микроструктура, остаточные напряжения и т.п.). Форма неровностей контактной поверхности значительно влияет на следующие эксплуатационные свойства электрических контактов: износоустойчивость трущихся поверхностей, усталостную прочность, сопротивляемость эрозии, коррозионную устойчивость.

В процессе эксплуатации под влиянием сил сжатия контактных поверхностей происходит деформация металла в местах выступов (шероховатостей) и превращение их в маленькие поверхности – очаги (перешейки) проводимости или пропускания тока (рис.3,б). Чем больше силы сжатия контактных поверхностей, тем большее количество выступов деформируется. При этом металл деформируется частично пластически, частично упруго.

При упругих деформациях, возникающих при сравнительно небольших силах сжатия, выступающие участки поверхностей входят в механическое соприкосновение. Пластические деформации возникают при возрастании давления на контактирующие поверхности, достигающие предела упругости. В результате появляется остаточная деформация, и материал начинает течь. Величина деформации обратно пропорциональна твёрдости металла. Деформация контактов определяется напряжением смятия металла контактов.

Зависимость между силой FК, приложенной к контактам, и контактной поверхностью SД, воспринимающей давление, имеет следующий вид:

FK = S Д f ,                                                      (1)

где f – среднее удельное давление, зависящее от кривизны поверхности контактных частей, их волнистости, приложенной силы и модуля упругости материала. Контактная поверхность, воспринимающая давление, во много раз меньше кажущейся поверхности контактов (рис.2,г), легко поддающейся измерению. Давление в разных точках контактной поверхности распределяется неравномерно.

Твёрдый металл, соприкасающийся с газообразной средой, имеет переходную пограничную зону. На контактной поверхности под воздействием кислорода, озона, азота, серы и прочих химических реагентов образуются плёнки, которые принято разделять на: адгезионные, плёнки потускнения, пассивизирующие, водяные, плёнки граничной смазки и пр. Получить действительно чистые контактные поверхности (контакты) чрезвычайно трудно, как и идеально ровные поверхности твёрдого тела (рис.3). Для поверхности контактов наиболее характерны плёнки: окисные, образующиеся при реакции с кислородом; сульфидные (реакция с H2S), кислородные (слой осаждённых из воздуха молекул кислорода), хлоридные и другие соединения. Плёнки имеют толщину 10…15 нм и удельное электрическое сопротивление

ρ=10-5 Ом·см.

С течением времени толщина образующихся плёнок увеличивается. Плёнки химически реагируют с металлом, образуя плёнки окислов металла. У разных металлов эта плёнка имеет разное удельное сопротивление. Скорость нарастания плёнок на контактных поверхностях зависит от температуры и влажности воздуха, состояния и химического состава среды и др.

Формирование окисной плёнки происходит по-разному. Для никеля, например, в нормальных условиях это очень медленный процесс, ускоряющийся с ростом температуры. Для алюминия характерен быстрый рост плёнки Al2O (десятки секунд) до толщины 2…2,5 нм. Дальнейший рост плёнки происходит значительно медленнее: при комнатной температуре через 20-30 дней её толщина достигает 6…10 нм.

Плёнки стойки к температуре, механически прочны и обладают изоляционными свойствами. Бронза существенно не окисляется. Не вступают в реакцию с кислородом такие металлы, как вольфрам, золото, платина. При температуре меньше 200 ºС образуется слой Cu2O, толщина которого зависит от температуры нагрева и приобретает значения 10…1000 нм. Электрическая проводимость образований Cu2O и CuO очень мала и сопротивление плёнок может достигать 106 Ом. Благородные металлы также подвержены окислению, однако, процесс окисления протекает медленнее. Слой Ag2O толщиной 2…3 нм прочен и легко разлагается при нагревании.

Слой оксидов является практически непроводящим. Однако под давлением он может быть частично разрушен, так как металл способен деформироваться пластически, сохраняя сцепление; слой же оксидов не может следовать этой деформации вследствие хрупкости. Поэтому, при давлении на контакты происходит скалывание инородного слоя; появляются трещины, в которые проникает металл, образуя проводящие контактные точки. По мере увеличения давления, число контактных точек и проводящая поверхность увеличиваются. При наличии скольжения между контактами образование трещин облегчается, так как при этом появляются касательные напряжения, и происходит срез. Чем толще плёнка, тем труднее проникновение металла в трещины.

К сульфидным плёнкам относятся, например, тёмные пятна на серебре. Возникают они в контактных условиях и представляют собой Ag2S. Сульфидизация серебра происходит при наличии в атмосфере H2S или SO2 и незначительной влажности. Продукты потускнения Ag2S намного легче самого серебра, поэтому разрушаются механическим путём при замыкании контактов. Хотя сульфид серебра Ag2S относится к группе полупроводников, его удельное сопротивление всё же очень велико – 108 Ом·см.

Пассивирующие плёнки, занимающие промежуточное положение между адгезионными плёнками и плёнками потускнения, возникают иногда на поверхности некоторых металлов с валентностью 2 и более (например, цинк) и имеют более или менее постоянную толщину, равную 1,0…1,5 нм. Электрическое сопротивление пассивирующих плёнок изменяется со временем в зависимости от степени включения туннельного эффекта.

На поверхности всех металлов могут образовываться водяные плёнки, толщина их для разных металлов неодинакова. Если влажность в атмосфере превышает 70…80 %, то вода адсорбируется на поверхности металла, создавая слой толщиной до 5 нм на благородных металлах и до 10 нм на других металлах.

Под воздействием поверхностных плёнок увеличивается контактное сопротивление (плёнки могут вообще нарушать электрический контакт), уменьшаются слипание и трение между контактными элементами. Плёнки влияют и на процесс разряда между размыкающимися контактами, облегчая процесс образования электрической дуги.

Таким образом, контактная поверхность, воспринимающая давление, состоит из трёх участков: первый хорошо проводит ток – металлический контакт; второй имеет квазиметаллический контакт – участок, покрытый тонкой плёнкой, не представляющей значительного сопротивления току; третий плохо проводит или совсем не проводит электрического тока (покрыт мономолекулярными плёнками).

3. Переходное сопротивление контакта.

Контактные соединения входят во все электрические цепи и являются очень ответственными элементами. От состояния электрических контактных соединений зависит безаварийная работа электропроводки и электрооборудования. При этом важна величина переходного контактного сопротивления.

В электрической цепи, в месте соприкосновения двух или более проводников, создается электрический переходный контакт, или токопроводящее соединение, по которому ток течет из одной части в другую. При простом наложении контактируемая поверхность соединяемых проводников не дает хорошего контакта. Реальная площадь соприкосновения в несколько раз меньше всей контактной поверхности , подтверждение чему можно увидеть с помощью микроскопа.

Ввиду малой площади соприкосновения контактное соединение дает весьма заметное сопротивление при прохождении тока из одной поверхности в другую и называется переходным контактным сопротивлением. Само переходное сопротивление контакта априори больше, нежели сопротивление сплошного проводника такой же формы и размеров.

Сопротивление зоны контакта не зависит от размера контактных поверхностей и определяется силой давления или силой контактного нажатия. Контактным нажатием называется усилие, с которым одна контактирующая поверхность действует на другую. В целом, от величины силы нажатия и прочности материала контакта будет зависеть суммарная площадь соприкосновения. Число же соприкосновений в контакте всегда растет при нажатии. 

При небольших давлениях происходит пластическая деформация контакта, при этом вершины выступов сминаются и затем, при увеличении давления, всё новые и новые точки приходят в соприкосновение. В результате, давление должно быть довольно большим, чтобы обеспечить небольшое переходное сопротивление, но и не должно порождать пластических деформаций в металле контакта, приводящих к его разрушению.

Переходное сопротивление в значительной мере зависит от степени окисления контактных поверхностей соединяемых проводников. Независимо от материала проводника, пленка окиси создает большее электрическое сопротивление. 

Весьма сильно подвержены окислению алюминиевые проводники. Например, образующаяся на воздухе их окисная пленка обладает удельным сопротивлением в 1012 Ом·см.

Со времени свойства контактного соединения могут изменяться. Только новый, хорошо обработанный и зачищенный переходной контакт может иметь наименьшее вероятное переходное контактное сопротивление при достаточном давлении.

При формировании контактных соединений применяют разные способы скрепления проводников. Например, спайку, сварку, опрессовку, механическое соединение с помощью болтов, а также приведение в соприкосновение с помощью упругого нажатия пружин.

Фактически при любом способе соединения проводов можно добиться неизменно малого переходного контактного сопротивления. Важно, при этом, соединять провода строго по технологии и с использованием для каждого способа соединения проводов необходимого инструмента и материалов. 

В целях снижения переходного контактного сопротивления учитывают все вышеперечисленные факторы, влияющие на его величину и проводят соответствие видов соединительных контактов материалам проводников и условиям их эксплуатации.

4. Износ контактов

Износ контактов - разрушение рабочей поверхности коммутирующих контактов, приводящее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала.

Износ, происходящий под действием электрических факторов, будем называть электрическим износом — электрической эрозией. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического.

При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда. При токе и напряжении, больших минимально необходимых (например, для меди при I = 0,5 А и U = 15 В), возникнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.

Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факторов (см. ниже) часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой.

Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот.

Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги).

4.1. Износ контактов  при малых токах

Эрозия контактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие распыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается только анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.

Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогасительньми (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившихся, но еще не замкнутых контактах и как следствие этого — сваривание контактов.

4.2. Износ контактов при больших токах

Износ происходит как при размыкании контактов, так и при их замыкании и зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, полученные опытным путем.

4.3. Износ контактов при размыкании

Зависимость износа от числа размыканий. Износ контактов при данной напряженности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий.

Если износ при одном размыкании равен с, то за n размыканий он будет равен:

       σ =  cn                                                     (2)

Зависимость износа от напряженности магнитного поля. Эта зависимость характеризуется кривой на рис.4. При малых напряженностях дуга длительное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит к увеличенному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опорных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается.

Рис. 4.  Зависимость   износа контактов от напряженности магнитного поля

Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса.

Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует перешеек из расплавленного металла. С ростом напряженности возрастают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.

Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разойтись на 1 — 2 мм; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.

Зависимость износа от тока. Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппаратах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательной дугогасительной катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока.

Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплавляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет изменения ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, измеряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.

Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам контур тока создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьшением скорости их расхождения.

4.4. Износ контактов  при замыкании

При замыкании имеет место также электрический износ, который в ряде случаев превосходит износ при размыкании. Он вызван дребезгом контактов, возникающим при замыкании. Подвижный контакт подходит к неподвижному с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов: Упругая деформация приводит к отбросу подвижного контакта - он отскакивает от неподвижного на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой, как показано на рис.5, а.

При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их износ.

Рис. 5. Дребезг контактов при замыкании

Дребезг при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря. При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах (рис.5,б).

Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов.

Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между механической (кривая 1) и тяговой (кривые 2, 3 и 4) характеристиками (рис.6). Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следовательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

Рис. 6. Тяговые и механическая характеристики

Зависимость износа от начального нажатия Рн и жесткости контактной пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения — это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг, а следовательно, и износ (рис. 7). На рисунке показан характер дребезга контактов при пониженном и повышенном нажатии. Кривая UK изображает напряжение на контактах, кривая IК — ток через контакты. Как видно из графиков, при пониженном нажатии контакты размыкались несколько раз. При повышенном нажатий размыкания не было.

Рис. 7. Зависимость износа контактов при замыкании от начального нажатия

Повышение начального нажатия ограничено тяговой характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение, при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформации тугой пружины и имеет место отброс всей подвижной системы, износ контактов начинает возрастать (штриховая часть кривой на рис. 7).

При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим,, а следовательно, износ несколько снизится.

5. Работа контактных систем, в условиях короткого замыкания

При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для разборных, так и для коммутирующих контактов.