31. Классификация электрических соединений.

Электрическое соединение между отдельными элементами электрической схемы обеспечивается контактными устройствами, содержащими контактными парами. В зависимости от рода работы контактного устройства различают четыре группы электрических соединений: неразъемные, разъемные, скользящие и разрывные. Неразъемные предназначены для постоянного соединения или чрезвычайно редкого разъединения электрической цепи. Они, в свою очередь, подразделяются на паяные и сварные, зажимные и накрученные. Разъемные предназначены для периодического соединения и разъединения обесточенной электрической цепи. Характерной особенностью работы контактных пар этой группы соединений является то, что при прохождении тока контактная пара неподвижна и не изменяет своего положения. Скользящие служат для постоянного или периодического изменения относительного расположения контактов пары. К ним относятся токосъемники, потенциометры, реостаты и т.п. Характерной особенностью скользящих контактов является то, что они могут коммутировать как обесточенные электрические цепи, так и цепи с протекающим током. Разрывные служат для периодического размыкания и соединения электрических цепей по током. К ним относятся контакты реле, выключатели, переключатели и т.п. В каждой из четырех групп соединений контактные пары могут подразделяться по характерным признакам. Так, по форме зоны контактирования контактные пары разделяются на точечные, линейные и поверхностные. Понятие точечной и линейной форм является условным, так как всегда получается площадка с реальными размерами, но эти размеры пренебрежимо малы по сравнению с размерами самих контактов. Точечная форма получается при касании контактов вида сфера – сфера, сфера – плоскость, двух цилиндров, расположенных под углом 90о и т.п. Эти виды контактов характеризуются повышенными напряжениями в зоне контакта по сравнению с другими формами. Размер точки зависит от формы и размеров сопрягающихся поверхностей, физических свойств применяемых материалов, величины контактного усилия и рассчитывается по формуле Герца. Точечную форму зоны контактирования имеют контакты большинства типов реле, кнопок, разъемов и т.п. Линейная форма получается при касании контактов вида цилиндр – плоскость, цилиндр – цилиндр при параллельном расположении осей, в щеточных контактах. Поверхностная форма получается при контактировании цилиндрических, сферических, конических и т.п. поверхностей, имеющих сопрягаемую кривизну, либо плоских поверхностей. Контакты с первыми двумя формами контактирующих поверхностей применяются в слаботочных электрических цепях.

32. Физические явления в контактных устройствах.

В замкнутом состоянии в зоне контакта возникает дополнительное сопротивление. Кратко объясним это на примере. Если измерить сопротивления двух стержней одинакового размера, выполненных из одного материала, но одного целого, а другого составленного из двух отрезков (рис.9.2), то они окажутся различными. Сопротивление составного стержня больше, чем целого на величину сопротивления в зоне их соприкосновения, которое называется контактным сопротивлением (Rк). Контактное сопротивление состоит из двух частей Rк = Rп + Rпер. Первая составляющая Rп вызвана поверхностными пленками, которые образуются на контактных поверхностях и препятствуют протеканию тока. Вторая составляющая Rпер имеется всегда, даже при идеально чистых поверхностях. Она вызвана наличием микронеровностей на поверхности металла. Соединенные в стык стержни соприкасаются не по всей кажущейся контактной поверхности, а лишь в отдельных точках (рис.9.3). Суммарная площадь участков контактирования называется физической, фактической или эффективной площадью. Эффективная площадь образовывается под действием контактных усилий Рк, способствующих смятию микронеровностей, разрушению окисных пленок. В результате образуются участки с контактированием чистых металлических поверхностей (участки а на рис.9.4). Соприкосновение металлических поверхностей в отдельных местах и на относительно небольших площадках приводит к тому, что линии тока стягиваются к местам с хорошей проводимостью, при этом плотность тока может доходить до 105 А/мм2. На рис.9.5 схематически показано стягивание линий тока в многоточечном контакте. Стягивание линий тока обусловливает дополнительное сопротивление контакта, так называемое переходное сопротивление Rпер. Переходное сопротивление имеет место тогда, когда линии тока становятся непараллельными, Эта область, где линии тока становятся непараллельными, называется областью стягивания. На рис.9.4 представлена модель контактной поверхности. Фактическую площадь контакта образуют участки а, б и в. Менее прочные окисные пленки при деформации микровыступов разрушаются и образуют участки а с контактированием чистых металлических поверхностей. Участки с металлической проводимостью образуются также в результате фриттинга, т.е. пробоя пленки под воздействием электрического поля и образования канала, проводящего ток. Более прочные участки пленки при сжатии приобретают свойства полупроводников с большим удельным сопротивлением. Их проводимость называется квазиметаллической (участки б на рис.9.4). На остальной части поверхности пленка не нарушена и не проводит тока (участки в на рис.9.4). Другие участки поверхности не контактируют (участки г), разделены газовым промежутком и также почти не проводят тока. Величина контактного сопротивления зависит от контактного усилия. Существует эмперическая формула, связывающая сопротивление контактного перехода Rк с контактным усилием Рк :

где Рк – усилие, Н; α – коэффициент, зависящий от материала контактов, чистоты обработки контактной поверхности и степени ее окисления; b – коэффициент, характеризующий форму контактов.

Порядок расчета или проверки контактов в замкнутом состоянии заключается в выборе по заданному току J материала, вида и размеров контактов. Далее по напряжению Uк доп и току J находят допустимое сопротивление контактного перехода а по значению Rк доп и в соответствии с выражением (9.1) – необходимое значение контактного усилия.

Процессы, сопровождающие размыкание контактов

Наиболее тяжелым режимом работы контактной пары является процесс размыкания, протекающий в цепях средней и большой мощности. По мере снижения усилия Рк уменьшается площадь фактического контакта, что вызывает увеличение контактного сопротивления и, как следствие, увеличение напряжения на контактном переходе Uк. Когда оно достигает значения Uк2, материал в точках соприкосновения плавится и между расходящимися контактами появляется жидкий мостик, который разрывается при дальнейшем движении контактов. После этого вследствие значительной напряженности электрического поля происходит газовый разряд, который может закончиться образованием дуги. Условия образования дуги, особенно сильно разрушающей контакты, зависят от очень многих факторов: металла контактов, состава окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей, наличия емкостей и индуктивности в электрической цепи. Загрязнение окружающей среды и наличие индуктивностей в цепи облегчает возникновение дуги и ухудшает работу контактного устройства. Для незагрязненной окружающей среды, чистых поверхностей контактов в первом приближении справедливо выражение для условия дугообразования: (U – Uд)(J – Jд) ≥ kд , где Uд и Jд – минимальные значения напряжения и тока дуги; kд – коэффициент, зависящий от скрытой теплоты испарения металла контактов; U и J – напряжение и ток в цепи. Если напряжение и ток в цепи меньше Uд и Jд , то дуга не образуется, когда в цепи нет индуктивности. Однако практически во многих случаях в размыкаемой цепи имеется индуктивность. Найти в этом случае условие погашения дуги можно, используя ее вольтамперную характеристику, которая при небольших значениях напряжения напоминает гиперболу и зависит от ряда факторов. Нелинейный вид характеристики объясняется тем, что с ростом тока усиливается ионизация воздушного промежутка, увеличивается число токопереносящих частиц и тем самым снижается сопротивление и падение напряжения на дуге. Чем больше расстояние между контактами, тем выше лежит вольтамперная характеристика дуги (рис.9.8). Определим условия быстрого погашения дуги. Рассмотрим цепь, состоящую из нагрузки R, L и контактов, между которыми горит дуга. Для переходного режима в соответствии с законом Киргофа запишем где Uд – падение напряжения на дуге. Из последнего уравнения получим, что сли правая часть выражения (9.5) отрицательна, значит отрицательна и производная di/dt , т.е. ток в цепи убывает.

Если правая часть положительна, ток в цепи увеличивается. Для нахождения знака производной наложим на вольтамперную характеристику дуги для некоторого неизменного расстояния между контактами вольтамперную характеристику сопротивления R , проведя ее в виде прямой между точками напряжения U и тока J, проходящего при замкнутом состоянии контактов (рис. 9.9,б). Тогда ординаты заштрихованных областей представляют собой слагаемое Ldi/dt . На участке 1–2 они положительны, а при токах, меньших J1 и больших J2 – отрицательны.

Разомкнутые контакты

Основное требование к контактному устройству в разомкнутом состоянии заключается в выборе зазора между контактами пары, исключающего пробой током. Пробивное напряжение зависит от величины зазора, состава и параметров газа, заполняющего межконтактный промежуток. На рис.9.11 приведены зависимости пробивного напряжения от атмосферного давления при различных значениях зазора. С увеличением величины зазора пробивное напряжение увеличивается, однако одновременно увеличивается и время срабатывания контактного устройства. Поэтому при конструировании контактных устройств приходится выбирать компромиссное значение величины зазора, удовлетворяющего как условиям электрической прочности, так и заданному быстродействию.

9.2.4. Процесс замыкания контактов

Процесс замыкания по сравнению с процессом размыкания контактов происходит просто. По мере сближения контактов воздушные промежутки пробиваются напряжением, действующим в цепи. Однако этот пробой существенно не влияет на работу контактного устройства, кроме случаев коммутации высоких напряжений, так как контакты продолжают сближаться до соприкосновения. Однако при замыкании контактов может наблюдаться такое нежелательное явление как дребезг контактов. Дребезг обусловлен ударным взаимодействием контактов пары при их замыкании. На рис.9.12 представлено периодическое изменение зазора между контактами вследствие их дребезга. В процессе дребезга контактов могут наблюдаться все формы газового разряда. Явление дребезжания наряду с усиленным электрическим износом контактов вызывает увеличение времени срабатывания устройства (рис.9.12).