Электрические контакты

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

Различают три типа конструкций контактов:

- жесткие контакты (служат для неподвижного соединения токоведущих деталей: болтовые и шинные соединения, кабельные спайки, места присоединения ЭА к питающей сети);

- неразмыкающиеся контактные соединения подвижных элементов (используются для передачи тока с подвижного контакта на неподвижный, либо для того, чтобы дать возможность элементу неподвижного контакта иметь малое перемещение под действием подвижного контакта).

Изготовление: гибкая связь из тонкой медной ленты (0,1∙10^{-3 мм и менее) или многожильного плетеного проводника из медных жил (}d = 0,1∙10^-3); скользящие и роликовые токосъемы;

- разрывные контакты (служат для разрыва цепей с током, который часто оказывается больше, чем минимальный ток дугообразования). Дуга может возникнуть либо при начальном разрыве, либо при приближении к неподвижным контактам для соединения электрической цепи.

К контактам предъявляется ряд требований: надежность электрического соединения, долговечность, стойкость к неблагоприятному влиянию окружающей среды.

Обозначения контактов на схемах даны в ГОСТах ЕСКД. Рекомендовать книги: Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с., ил.; Камнев В.Н. Чтение схем и чертежей электроустановок. – М.: Высшая школа, 1986. – 144 с., ил.; Усатенко С. Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. / Справочник – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 325 с., ил. Показать реле с различными контактами различной конструкции и функциями. Определить логику работы контактов реле времени.

Простейший случай контактной группы – контактная пара, в которой один контакт оказывается подвижным, другой – неподвижным. В замкнутом состоянии контакты прижаты друг к другу с контактным усилием Р_к. Усилие чаще всего обеспечено контактными пружинами разной конструкции.

Поверхности контактов шлифуются, однако контактные площадки остаются неровными и ток при нажатии контактов проходит только в отдельных точках и поверхностях.

Рисунок 16 – Поверхности контактов

Контактное усилие Р_к сминает по возможности все неровности до тех пор, пока механическое нажатие Р не окажется меньше напряжения смятия s_см.

, (8)

– суммарная площадь соприкосновения контакта.

Если на поверхности «контактных площадок» образуется окисная непроводящая пленка, то необходимо создать усилие Р_к, достаточное для продавливания пленки. При выборе контакта следует стремиться к минимальному контактному сопротивлению R_к. Известно соотношение для R_к:

(9)

где а – коэффициент, зависящий от материала контактов, чистоты обработки контактных площадок и степени ее окисленности; b – коэффициент, характеризующий форму контактов.

Рисунок 15 – Формы контактов

Применение: точечные – I ≤ 3А; линейные – I = десятки ампер; плоскостные – I = десятки, сотни ампер.

Ниже обозначен коэффициент «а» для контактов:

- олово не окисляется;

- окись серебра имеет ту же проводимость, что и чистое серебро.

На R_к влияет температура контактов, которая пропорциональна падению напряжения U_к на контактах. На рисунке 17 показано изменение R_к = f(U_к) для двух значений усилий P_к. Чем больше P_к, тем меньше R_к. Рассмотрим особенности изменения R_к.

Вначале R_к↑ вследствие ↑ сопротивления материала контактов из-за нагрева. При U_к1 на контактах материал теряет прочность и сминается, поэтому ↑S_к и R_к↓. Затем наблюдается участок с неизменным R_к: рост сопротивления из-за роста температуры и ↓ R_к вследствие увеличения S_к уравновешиваются. При ↑U_к до U_к2 происходит сплавление контактов.

Рисунок 17 – Зависимость R_к от Р_к и U_к

Таким образом, U_к необходимо выбирать ≤ U_к1 , чтобы избежать потери прочности материала контакта.

.

Алгоритм выбора контактов следующий:

1. По заданному току I выбираются размеры (площадь, сечение), материал и форму контактов /справочник!/.
2. Определяют R_к.доп

.

1. По функции R_к = f(P_к) – эмпирическая формула, находят P_к при R_к = R_к.доп.

Для надежного гашения дуги при размыкании контактов и невозможности ее появления в разомкнутом состоянии между контактами создают определенное расстояние называемое «раствором» контакта.

Рисунок 18 – «Раствор» контакта

Подвижные контакты крепятся к подвижной пружинной системе. После остановки подвижного контакта подвижная система под действием пружины продвигается еще вперед до упора, как бы вжимаясь в неподвижные контакты. Если неподвижные контакты убрать, то ход подвижных контактов продолжился бы на расстояние, которое носит название «провала» контактов.

Рисунок 19 – «Провал» контактов

«Провал» увеличивается с увеличением Р_к и, следовательно, уменьшает R_к.

Контакты характеризуются разрывной мощностью, которую они могут отключить без повреждения. Для коммутационного аппарата это особенно важно при КЗ, поэтому контакты проверяют на ток и мощность отключения: I_но – номинальный ток отключения; – номинальная мощность отключения.

При работе контакты подвергаются износу, обусловленному механическими, химическими и электрическими явлениями.

Механический износ – вызван соударением и скольжением контактов, вибрацией при их замыкании и размыкании. Степень износа зависит от материала контакта, его формы, состояния поверхности, режима эксплуатации.

Химический износ (коррозия) обусловлен химическим взаимодействием материалов контактов с компонентами окружающей среды.

Электрический износ (эрозия) – связан с плавлением, испарением и распылением материала контакта при возникновении искры, дуги, и вообще, излишним нагревом контакта.

Способы борьбы с износом:

- устранение вибраций при включении механическим или электрическим способами;

- дугогашение со стремлением минимизировать время горения дуги;

- искрогашение;

- применение тугоплавких и композиционных матариалов при изготовлении контактов.

- серебрение и лужение контактов.

Возможные

состояния контактов:

1. Разомкнутое.
2. Замкнутое.
3. В процессе размыкания.
4. В процессе замыкания.

Разомкнутое – при правильно подобранном «растворе» в расчетной среде – легкий режим работы для контакта (U < 1 кВ, U ≥ 1 кВ).

В процессе замыкания при напряжениях:

Замкнутое – контакты в благоприятном режиме, если правильно рассчитаны и выбраны по U_к.доп и R_к при U < 1 кВ, U > 1 кВ.

В процессе размыкания:

Материалы для контактов:

- медь, серебро, платина, золото, вольфрам, сплавы и наплавки на металлы (металлокерамика!).

Чистые металлы, обладая одним из положительных для контактов свойств, имеют недостаток в другом. Например, серебро. Имеет высокую электро и теплопроводность, окисная пленка легко продавливается и R_к → min, но имеет малую дугостойкость и твердость.

Поэтому перспектива есть для металлокерамики, получаемая методом порошковой металлургии:

1. CdO + серебро – серебро обеспечивает min R_к; при дуге серебро плавиться, но удерживается на контактах парами окиси кадмия, поэтому форма контактов хорошо сохраняется.

2. Обгаростойкая медь + серебро – эффект близок к 1.

Кроме контактов ЭА, расположенных в открытой среде, возможен вариант герметичных контактов в вакууме или газе (азот + водород, гелий) – герконы, а также в изолирующей жидкости (трансформаторное масло). Вариант выполнения геркона:

Рисунок 20 – Магнитоуправляемый геркон

Магнитоуправляемый геркон:

1. Нормальное состояние – контакты на упругих пластинках разомкнуты.
2. При протекании тока в катушке возникает магнитное продольное поле, которое способствует замыканию контактов.

Достоинства: высокая надежность и быстродействие (≤0,5 мкс).

Недостатки: Р_но ≤ 60 Вт; возможны вибрация, малая удароустойчивость.

Электромагниты