Контактное сопротивление

Пусть известно сопротивление R участка проводника длиной l. Разрежем этот проводник перпендикулярно оси. Получившиеся поверхности обработаем любым способом и приведем в соприкосновение. Сопротивление этого же участка проводника возрастет на некоторую величину R_к, которую называют сопротивлением контакта. Это сопротивление имеет две составляющие. Первая обусловлена загрязненностью и окислением поверхностей, когда в цепь вводится дополнительное сопротивление различных пленок на поверхности контактирующих тел. Вторая заключается в том, что при контакте касание поверхностей происходит не по всей плоскости, а по отдельным площадкам, расположенным по плоскостям в соответствии с микрогеометрией сдавливаемых граней. В результате стягивания линий тока к площадке контактирования путь тока меняется. Сечение проводника, через которое фактически проходит ток, становится меньше, что вызывает увеличение сопротивления. Сопротивление в области точки касания, обусловленное явлением стягивания линий тока, называется сопротивлением стягивания контакта.

Таким образом, сопротивление контакта представляется как сумма сопротивления стягивания и сопротивления пленки:

,

где R_с – сопротивление стягивания вектора плотности тока, зависящее от материала контактов, числа площадок контактирования и силы сжатия; R_пл – сопротивление окисной пленки, меняющееся в процессе работы в очень широких пределах.

Положим, что контакты имеют только одну площадку касания и что эта площадка имеет форму круга с радиусом а. Величину радиуса при пластической деформации можно найти с помощью уравнения:

,

(3.1)

где F – сила контактного нажатия; σ – временное сопротивление смятия контактного материала.

Для определения R_к одноточечного контакта применяют формулу Хольма:

,

(3.2)

где  – удельное сопротивление контактного материала.

Для многоточечного контакта:

,

где n – число точек контактирования.

С учетом (3.1) переходное сопротивление запишется в виде:

.

(3.3)

Переходное сопротивление для линейного контакта:

,

где l – длина контакта по линии, r – радиус кривизны поверхности контакта, Е – модуль упругости материала контакта, F — контактное нажатие.

Если имеет место применение разнородных контактных пар, то величина Е или  выбирается для более мягкого материала.

Режимы работы контактов

Включение цепи. При включении контактов имеют место следующие процессы:

• Вибрация контактов.

• Эрозия контактов – результат образования разряда между сходящимися контактами.

Пусть подвижный контакт связан с контактным рычагом через контактную пружину. Неподвижный контакт жестко закреплен в опоре. Привод подвижного контакта воздействует на рычаг. В момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходит деформация смятия и отброс подвижного контакта. Между контактами загорается электрическая дуга. Движение контакта прекращается, когда энергия удара перейдет в энергию сжатия пружины. После чего произойдет опять замыкание контактов и отброс. Вибрация контактов приводит к многократному образованию электрической дуги, которая приводит к оплавлению и распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается контактное нажатие во включенном положении, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предварительную деформацию при разомкнутых контактах. С ростом начального нажатия вибрация резко уменьшается. Однако при чрезмерном начальном нажатии вибрация снова возрастает из-за недостаточной силы приводного механизма. Кроме того, на вибрацию контактов сильно влияет момент инерции подвижной части, с ростом которого вибрация усиливается. Поэтому контакты необходимо по возможности облегчить.

При включении цепи при сближении контактов возрастает напряженность электрического поля между контактами. При некотором расстоянии происходит пробой межконтактного промежутка. В дуговую форму разряд не переходит, т.к. контакты замыкаются, прекращая разрядные процессы. Возникающие при пробое электроны бомбардируют анод и вызывают его износ. Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией.

Различают мостиковую и дуговую эрозию контактов.

Мостиковая эрозия наблюдается, когда между размыкающимися контактами существует расплавленный металлический перешеек, образовавшийся под действием энергии, выделяемой протекающим через контакты током. Мостиковая эрозия обусловлена тем, что разрыв происходит не в середине мостика, а ближе к одному из электродов (чаще к аноду). Это приводит к переносу металла из одного электрода на другой. Анод, как правило, имеет более высокую температуру, поэтому часть металла из него переходит на катод. На катоде появляется выступ, а на аноде кратер. Мостиковая эрозия имеет место, в основном, в слаботочных аппаратах.

Дуговая эрозия имеет место, когда в межконтактном промежутке существует электрический разряд, обычно содержащий пары металла (металл испаряется). В результате дуговой эрозии происходит интенсивный износ контактов.

Проведение тока во включенном состоянии. В этом режиме следует различать два случая: через контакты длительно протекает номинальный ток; через контакты протекает ток короткого замыкания.

Для различных материалов характерной является температура размягчения материала , которой соответствует падение напряжения на контакте U_к1, и температура плавления материала , которой соответствует падение напряжения на контакте U_к2. Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе I_н падение напряжения на контакте было меньше U_к1:

.

Расчет параметров контактной системы при I_н сводится к определению:

1. Необходимого контактного нажатия при заданном значении тока и максимальной температуре площадки контактирования.

2. Температуры контактной площадки при заданных параметрах контактной системы.

Общее решение задачи сводят к решению уравнения распределения тепла в контактном элементе при наличии внутренних источников тепла:

,

где I_н – величина тока в номинальном режиме, протекающего по одному контакту, А; – соответственно температура площадки контактирования; - температура контактного элемента, которую принимаем равной допустимой температуре нагрева соседних с контактами элементов токоведущего контура ⁰С; L – число Лоренца, изменяющееся в пределах ; λ – коэффициент теплопроводности контактного материала, ; ξ_м – коэффициент, характеризующий чистоту обработки поверхности.

Из уравнения можно определить:

силу контактного нажатия:

температуру площадки контактирования:

допустимое значение тока: .

Контактные системы коммутационных аппаратов во включенном состоянии должны выдерживать термическое и электродинамическое воздействие тока короткого замыкания заданного значения без сваривания и отброса контактов. Результирующее усилие самопроизвольного отброса контактов при протекании тока короткого замыкания через замкнутые контакты складывается из электродинамических усилий отброса F_ЭД, отбрасывающего усилия, вызванного электромагнитным полем F_ЭМ, усилий термического характера F_ТЕРМ, за счет взрывного испарения контактного материала в площадке стягивания тока. Для надежной работы контактной системы необходимо, чтобы контактное нажатие преобладало над суммарными усилиями отброса:

.

В замкнутом состоянии контактов, при протекании токов короткого замыкания может произойти холодное сваривание контактов. При токах короткого замыкания в точках контактирования температура нагрева может превысить температуру рекристаллизации материала _рекр и в точках контактирования произойдет сваривание контактов. Процесс сваривания контактов характеризуется величиной тока сваривания, при котором контакты свариваются и механическим сцеплением (силой отрыва). Эти параметры зависят от материала контактов, его теплофизических и механических свойств, прочностных характеристик.

Отключение цепи. При размыкании контактов сила контактного нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и как следствие растет температура точек касания. В момент размыкания контактов температура достигает точки плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. Далее мостик обрывается и возникает дуговой разряд (мостиковая эрозия). При дуговом разряде температура анодного и катодного пятна дуги достигает точки плавления материалов. Высокая температура приводит к их интенсивному окислению, распылению контактного материала в окружающее пространство, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это приводит к износу контактов (дуговая эрозия).

Пути снижения эрозии контактов:

• Сокращение длительности горения дуги с помощью дугогасительных устройств.

• Устранение вибрации контактов при включении.

• Применение дугостойких материалов контактов.