Износ контактов

На поверхности всех металлов могут образовываться водяные плёнки, толщина их для разных металлов неодинакова. Если влажность в атмосфере превышает 70…80 %, то вода адсорбируется на поверхности металла, создавая слой толщиной до 5 нм на благородных металлах и до 10 нм на других металлах.

Под воздействием поверхностных плёнок увеличивается контактное сопротивление (плёнки могут вообще нарушать электрический контакт), уменьшаются слипание и трение между контактными элементами. Плёнки влияют и на процесс разряда между размыкающимися контактами, облегчая процесс образования электрической дуги.

Таким образом, контактная поверхность, воспринимающая давление, состоит из трёх участков: первый хорошо проводит ток – металлический контакт; второй имеет квазиметаллический контакт – участок, покрытый тонкой плёнкой, не представляющей значительного сопротивления току; третий плохо проводит или совсем не проводит электрического тока (покрыт мономолекулярными плёнками).

3. Переходное сопротивление контакта.

 

Контактные соединения входят во все электрические цепи и являются очень ответственными элементами. От состояния электрических контактных соединений зависит безаварийная работа электропроводки и электрооборудования. При этом важна величина переходного контактного сопротивления.

В электрической цепи, в месте соприкосновения двух или более проводников, создается электрический переходный контакт, или токопроводящее соединение, по которому ток течет из одной части в другую. При простом наложении контактируемая поверхность соединяемых проводников не дает хорошего контакта. Реальная площадь соприкосновения в несколько раз меньше всей контактной поверхности , подтверждение чему можно увидеть с помощью микроскопа.

Ввиду малой площади соприкосновения контактное соединение дает весьма заметное сопротивление при прохождении тока из одной поверхности в другую и называется переходным контактным сопротивлением. Само переходное сопротивление контакта априори больше, нежели сопротивление сплошного проводника такой же формы и размеров.

Сопротивление зоны контакта не зависит от размера контактных поверхностей и определяется силой давления или силой контактного нажатия. Контактным нажатием называется усилие, с которым одна контактирующая поверхность действует на другую. В целом, от величины силы нажатия и прочности материала контакта будет зависеть суммарная площадь соприкосновения. Число же соприкосновений в контакте всегда растет при нажатии. 

При небольших давлениях происходит пластическая деформация контакта, при этом вершины выступов сминаются и затем, при увеличении давления, всё новые и новые точки приходят в соприкосновение. В результате, давление должно быть довольно большим, чтобы обеспечить небольшое переходное сопротивление, но и не должно порождать пластических деформаций в металле контакта, приводящих к его разрушению.

Переходное сопротивление в значительной мере зависит от степени окисления контактных поверхностей соединяемых проводников. Независимо от материала проводника, пленка окиси создает большее электрическое сопротивление. 

Весьма сильно подвержены окислению алюминиевые проводники. Например, образующаяся на воздухе их окисная пленка обладает удельным сопротивлением в 1012 Ом·см.

Со времени свойства контактного соединения могут изменяться. Только новый, хорошо обработанный и зачищенный переходной контакт может иметь наименьшее вероятное переходное контактное сопротивление при достаточном давлении.

При формировании контактных соединений применяют разные способы скрепления проводников. Например, спайку, сварку, опрессовку, механическое соединение с помощью болтов, а также приведение в соприкосновение с помощью упругого нажатия пружин.

Фактически при любом способе соединения проводов можно добиться неизменно малого переходного контактного сопротивления. Важно, при этом, соединять провода строго по технологии и с использованием для каждого способа соединения проводов необходимого инструмента и материалов. 

В целях снижения переходного контактного сопротивления учитывают все вышеперечисленные факторы, влияющие на его величину и проводят соответствие видов соединительных контактов материалам проводников и условиям их эксплуатации.

 

4. Износ контактов

 

Износ контактов - разрушение рабочей поверхности коммутирующих контактов, приводящее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала.

Износ, происходящий под действием электрических факторов, будем называть электрическим износом — электрической эрозией. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического.

При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда. При токе и напряжении, больших минимально необходимых (например, для меди при I = 0,5 А и U = 15 В), возникнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.

Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факторов (см. ниже) часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой.

Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот.

Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги).

4.1. Износ контактов  при малых токах

Эрозия контактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие распыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается только анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.

Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогасительньми (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившихся, но еще не замкнутых контактах и как следствие этого — сваривание контактов.

4.2. Износ контактов при больших токах

Износ происходит как при размыкании контактов, так и при их замыкании и зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, полученные опытным путем.

 

 

 

4.3. Износ контактов при размыкании

Зависимость износа от числа размыканий. Износ контактов при данной напряженности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий.

Если износ при одном размыкании равен с, то за n размыканий он будет равен:

       σ =  cn                                                     (2)

Зависимость износа от напряженности магнитного поля. Эта зависимость характеризуется кривой на рис.4. При малых напряженностях дуга длительное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит к увеличенному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опорных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается.

Рис. 4.  Зависимость   износа контактов от напряженности магнитного поля

Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса.

Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует перешеек из расплавленного металла. С ростом напряженности возрастают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.

Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разойтись на 1 — 2 мм; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.

Зависимость износа от тока. Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппаратах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательной дугогасительной катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока.

Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплавляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет изменения ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, измеряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.

Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам контур тока создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьшением скорости их расхождения.

4.4. Износ контактов  при замыкании

При замыкании имеет место также электрический износ, который в ряде случаев превосходит износ при размыкании. Он вызван дребезгом контактов, возникающим при замыкании. Подвижный контакт подходит к неподвижному с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов: Упругая деформация приводит к отбросу подвижного контакта - он отскакивает от неподвижного на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой, как показано на рис.5, а.

При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их износ.

Рис. 5. Дребезг контактов при замыкании

Дребезг при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря. При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах (рис.5,б).

Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов.

Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между механической (кривая 1) и тяговой (кривые 2, 3 и 4) характеристиками (рис.6). Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следовательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

Рис. 6. Тяговые и механическая характеристики

Зависимость износа от начального нажатия Рн и жесткости контактной пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения — это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг, а следовательно, и износ (рис. 7). На рисунке показан характер дребезга контактов при пониженном и повышенном нажатии. Кривая UK изображает напряжение на контактах, кривая IК — ток через контакты. Как видно из графиков, при пониженном нажатии контакты размыкались несколько раз. При повышенном нажатий размыкания не было.

Рис. 7. Зависимость износа контактов при замыкании от начального нажатия

 

Повышение начального нажатия ограничено тяговой характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение, при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформации тугой пружины и имеет место отброс всей подвижной системы, износ контактов начинает возрастать (штриховая часть кривой на рис. 7).

При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим,, а следовательно, износ несколько снизится.

 

5. Работа контактных систем, в условиях короткого замыкания

 

При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для разборных, так и для коммутирующих контактов.