3. Нагрев контактов

Переходное сопротивление является источником тепла в зоне контактов.

Мощность потерь, обусловленная сопротивлением контакта R_k, создает два тепловых потока, симметричных относительно поверхности контактов (рис. 27). Каждый из потоков определяется из выражения:

. (31)

Тепловой поток, выходящий через наружную поверхность проводников, обозначен на рисунке P₀.

Рассмотрим распределение температуры в проводнике вне зоны стягивания.

Дифференциальное уравнение распределения превышения температуры θ поверхности проводников имеет вид [1]:

, (32)

где λ ‑‑ теплопроводность проводника;

– тепловой поток;

П – периметр площади сечения проводника;

S – площадь поперечного сечения проводника;

К_T – коэффициент теплоотдачи с поверхности проводника;

– объемная плотность источников теплоты;

j – плотность тока в проводнике;

ρ – удельное электрическое сопротивление проводника.

Решение уравнения (32) относительно превышения температуры в зависимости от x определяется из соотношения:

, (33)

где - превышение температуры проводника при x→∞, т.е. достаточно далеко от контактов.

В зоне контактов, при х=0 получим:

.

Из решения (33) следует, что при х= влиянием одного контакта на другой можно пренебречь (экспонента практически затухает).

Что касается температуры контактной площадки, то выведена зависимость[1]

, (34)

где U_k – падение напряжения на контакте;

ν_ст – температура границы зоны стягивания;

ν_k – температура контактной площадки.

Из решения (34) следует, что для каждого материала существуют определенные падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, характеризующих фазовое состояние материала: размягчение (рекристаллизация), плавление и кипение. Значения напряжений для некоторых материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Металл	Up, B	Uплав, B	Uкип,B
Cu	0,12	0,43	0,79
Ag	0,09	0,37	0,67
Pt	0,25	0,65	1,5
W	0,4	1,1	2,1
Au	0,08	0,43	0,9

П оскольку зависят от падения напряжения, то очевидно, сопротивление R_К является функцией падения напряжения. Функция эта монотонно возрастает (рис. 28).

При достижении значения напряжения размягчения Up упругие свойства металла в области α-пятна резко изменяются (металл размягчается), и под воздействием не изменившейся силы сжатия площадь α-пятна увеличится, а сопротивление R_K резко уменьшится.

Следующее уменьшение сопротивления контактов происходит при достижении напряжения плавления U_пл.

Напряжение размягчения учитывается для нормирования контактов малой мощности. Для них принимают, что допустимое падение напряжения не должно превышать (0,1–0,25)U_p, т.е.

. (35)

2.4. Режимы работы контактов

Контакты электрических аппаратов могут находиться в одном из трех режимов работы: включение цепи, проведение тока во включенном состоянии и отключение цепи.

Включение цепи может сопровождаться вибрацией и эрозией контактов.

Вибрация для контактов очень вредна, так как является причиной оплавления и распыления материала контактов, что в свою очередь влечет за собой износ контактов, уменьшение взаимного нажатия, а, следовательно, увеличение переходного сопротивления.

Уменьшить вибрацию можно увеличением жесткости контактной пружины и уменьшением момента инерции контактов, т.е., контакты должны быть легкими.

При включении цепи подвижный контакт движется к неподвижному, и при определенном расстоянии между контактами произойдет пробой промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой происходит при очень малом расстоянии между контактами (сотые доли миллиметра). В дугу разряд не переходит, но возникающие при пробое электроны бомбардируют анод и вызывают износ контакта. Металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл.

Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, испарение в окружающее пространство без изменения состава материала называется физическим износом, или эрозией.

Во включенном состоянии через контакты проходит ток в одном из пяти режимов работы (см. параграф 1.4).

При коротком замыкании через контакты проходят токи в 10–20 раз превышающие номинальные значения. Аналитический расчет контактов рекомендуется вести на основе эмпирических зависимостей [1].

При отключении цепи контакты размыкаются, сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает, следовательно, растет температура точек касания. В момент разъединения контактов между ними возникает мостик из жидкого металла, который обрывается, образуя дуговой или тлеющий заряд.

Высокая температура контактов приводит к их окислению, образованию пленок химического соединения материала контакта со средой. Это явление называется химическим износом, или коррозией.

Для существования дуги необходимо, чтобы значения тока и напряжения превышали минимальные значения, приведенные в табл. 2.

Таблица 2.

Материалы контактов	U0,B	I0,A
Платина	17,0	0,9
Золото	15,0	0,38
Серебро	12,0	0,4
Вольфрам	17,0	0,9
Медь	12,3	0,43
Уголь	18 ‑22	0,03