2.4. Переходное сопротивление контакта

В месте перехода электрического тока из одной контактной детали в другую деталь замкнутого контакта (δ=0) возникает электрическое сопротивление, которое называют переходным сопротивлением: R_П = R_К . Величина R_П зависит от ряда факторов, к числу которых относятся: сила нажатия F_К , температура θ в месте соприкосновения деталей, наличие поверхностных пленок окисления деталей и др. На основании опытных данных полагают

(Ом),

где k – коэффициент, значение которого зависит от материала контакта, способа обработки и состояния контактной поверхности деталей (например, для не окисленного медного контакта k=(0,14…0,18)10^-3, для серебряного - k=0,06^.10^-3);

n – коэффициент формы контактной поверхности (для точечного контакта n=0,5, для линейного n=0,75, для плоскостного n=1).

Зависимость переходного сопротивления от силы нажатия показана на рис. 2.6а.

Кривая 1 соответствует процессу возрастания контактного нажатия F_К, кривая 2 – снижению нажатия F_К. Отличие кривой 2 от 1 объясняется существованием остаточных деформаций отдельных бугорков, по которым происходит соприкосновение контактных деталей. Величину конечного нажатия F_КK выбирают из условия, когда при F_К >F_КK переходное сопротивление R_П изменяется незначительно.

Характерная зависимость переходного сопротивления (медного контакта) от температуры показана на рис. 2.6б. Возрастание переходного сопротивления R_П по мере увеличения температуры θ нагрева контактной поверхности примерно до 200^оС на участке 1 определяют по эмпирической формуле

,

где R_П0 - переходное сопротивление (Ом) контакта при θ=0^оС, - температурный коэффициент сопротивления материала контакта (^оС^-1). Снижение переходного сопротивления на участке 2 происходит вследствие размягчения материала и увеличения в результате этого фактической площади соприкосновения контактных деталей при неизменном нажатии F_К. Если температура продолжает расти, то переходное сопротивления увеличивается на участке 3, пока не происходит плавление контактных деталей в точках касания. Детали свариваются и переходное сопротивление падает практически до нуля (участок 4).

Переходное сопротивление очень чувствительно к окислению контактных поверхностей, поскольку окислы многих металлов (в частности меди) являются плохими проводниками тока. У медных открытых контактов вследствие их окисления переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз. Интенсивность окисления растет при повышении температуры.

Серебро, олово, цинк в значительно меньшей степени чем медь подвержены окислению. Кроме того, окислы серебра имеют электропроводность соизмеримую с электропроводностью чистого серебра. Поэтому размыкаемые контакты, длительно работающие под током не выключаясь, выполняют из серебра или из металлокерамики на основе серебра. Контакты, рассчитанные на малые токи и малые нажатия, могут быть выполнены из золота или платины.

2.5. Особенности контактной коммутации

Когда контакт в электрической цепи замыкается, его контактные детали сближаются, возрастает напряженность электрического поля между ними и происходит электрический пробой воздушного промежутка между контактными деталями при расстояниях, измеряемых долями миллиметра. Возникшая искра и другие формы газового разряда не развиваются, но во время действия электронной эмиссии, когда электроны бьют по аноду, металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл.

Когда контакт размыкается, контактное нажатие уменьшается, возрастает переходное сопротивление. При силе тока менее 0,1 А и напряжении на контакте 250…300 В возникает тлеющий разряд. Такой разряд характерен для маломощных реле. В более мощных аппаратах он является переходным этапом к разряду в виде электрической дуги. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Для металлических контактных деталей минимальный ток дуги составляет примерно 0,5 А. Температура центральной части дуги может достигать 6000…25000 ^оК. Большая концентрация заряженных частиц (электронов и положительно заряженных ионов) в пламени дуги способствует повышению электропроводности пламени до уровня электропроводности проводников. При этом дуга имеет практически активное сопротивление.

На контакте падает напряжение, причем, падение напряжения U по длине дуги l распределяется неравномерно. Оно может быть представлено с помощью графика, как показано на рис. 2.7.

В непосредственной близости к контактным деталям у катода и анода падение напряжения U и градиент напряжения Е=dU/dl изменяются наиболее интенсивно. Соответствующие области катодного U_К и анодного U_A падений напряжения имеют длину порядка 10^-3 мм каждая. Вне этих областей падение напряжения изменяется с гораздо меньшей интенсивностью, а градиент Е сохраняет практически постоянное значение Е=Е_Д . Эту часть электрической дуги называют стволом дуги. На стволе дуги падает напряжение U_С .

Падение напряжения на дуге представляют в виде:

, (2.1)

где U_Э= U_К + U_A - околоэлектродное падение напряжения, которое составляет 15…30 В и практически не зависит от длины l_Д дуги;

Е_Д - продольный градиент напряжения в стволе дуги, величина которого зависит от силы тока I_Д дуги и составляет примерно 12,5 В/см при I_Д >30 А для дуги, свободно горящей в воздухе при атмосферном давлении. При меньших токах и тех же условиях горения дуги Е_Д обратно пропорционален корню квадратному из I_Д .

На рис. 2.8 показаны типичные для коммутирующих контактов в цепи постоянного тока зависимости падения напряжения на дуге U_Д от тока I дуги, т.е. вольтамперные характеристики (ВАХ) дуги.

Статическая ВАХ 1 отражает зависимость U_Д от установившегося значения силы тока I . Каждой точке статической ВАХ соответствует стационарный режим горения дуги, когда одинаковы интенсивности процессов ионизации и деионизации воздушного промежутка между контактными деталями. Напряжение U_З , соответствующее началу дугового разряда, называют напряжением зажигания дуги. С увеличением тока I падение напряжения U_Д на дуге и сопротивление R_Д дуги уменьшаются.

Положение динамической ВАХ 2 дуги зависит от скорости гашения дуги - скорости уменьшения силы тока от установившегося значения I₀ до нуля. Чем больше эта скорость, тем ниже расположена динамическая ВАХ относительно статической ВАХ. В пределе, с увеличением скорости гашения дуги динамическая ВАХ становится горизонтальной линией (показана на графике пунктирной линией). Напряжение, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения дуги U_Г .

Можно заключить, что коммутирующий контакт, разомкнувшись, при определенных условиях может не отключить электрический ток в цепи из-за возникновения электрической дуги. Нужно учитывать, что вносимое им в цепь сопротивление

зависит не только от управляющего воздействия ρ (см. рис.2.3), которое изменяет величины зазора δ и контактного нажатия F_К , но и от возмущающих воздействий, к которым относятся отключаемый ток I₀ в цепи и напряжение U_сети источника энергии (электрической сети). Влияние внешних возмущений на R_К отражено в структурной схеме контактного узла на рис. 2.3а.