3 Электрические контакты

3.1 Назначения и требования к электрическим контактам

Любая электротехническая установка состоит из элементов, так или иначе связанных между собой. Соединение проводящих звеньев электрической цепи, обеспечивающее протекание электрического тока при наличии источника ЭДС, осуществляется с помощью электрических контактов. Под электрическим контактом понимается совокупность двух или нескольких проводников электрического тока, соединенных между собой и сжатых с определенной силой [2, 3].

В электрической системе – генераторах, аппаратах, линиях и т.д. имеется огромное количество контактов. Качество контактов имеет прямое отношение к надежности электрического оборудования.

По своему назначению электрические контакты можно разделить на две группы:

- соединительные контакты, которые предназначены для соединения звеньев электрической цепи, т.е. для обеспечения протекания тока от одного звена к другому. Соединительные контакты всегда находятся в замкнутом состоянии;

- коммутирующие контакты, предназначенные для включения, отключения и переключения электрических цепей.

Основным требованием, предъявляемым к соединительным контактам, является надежность в длительной эксплуатации. Соединительные контакты должны длительно, в пределах срока службы всей установки в целом, и без повреждений, обеспечивать протекание токов нормального режима и кратковременных токов короткого замыкания. Надежность соединительных контактов при длительной эксплуатации будет обеспечена, если сопротивление контакта электрическому току будет достаточно стабильным. Для этого соединительный контакт должен, обладать способностью, противостоять, как воздействию окружающей среды, так и механическим усилиям от температурных деформаций, а также электродинамическим усилиям, возникающим при протекании токов КЗ.

Коммутирующие контакты могут находиться в замкнутом (соответствующая цепь включена) или разомкнутом (соответствующая цепь отключена) состоянии. По своему назначению коммутирующие контакты в сильноточных аппаратах разделяются на главные и дугогасительные контакты. Главные контакты обычно шунтируются дугогасительными и поэтому защищены от воздействия дуги при отключении электрической цепи, и служат для надежного пропускания рабочих токов и токов КЗ в замкнутом состоянии.

Любая электротехническая установка состоит из элементов, так или иначе связанных между собой. Соединение проводящих звеньев электрической цепи, обеспечивающее протекание электрического тока при наличии источника ЭДС, осуществляется с помощью электрических контактов. Под электрическим контактом понимается совокупность двух или нескольких проводников электрического тока, соединенных между собой и сжатых с определенной силой [2, 3].

3.2 Сопротивление электрического контакта

Фактическая поверхность, по которой происходит механическое соприкосновение двух соединяемых деталей, весьма неоднородна. Принято считать, что она состоит из трех разнохарактерных участков, произвольно расположенных на ее поверхности, рис. 3.1 [6].

Участок 1 с чисто металлическим соприкосновением соединяемых деталей, через который ток проходит из одной детали в другую без заметного сопротивления.

Участок 2 покрытый тонкими адгезионными пленками, сквозь которые ток проходит благодаря туннельной проводимости.

Участок 3, покрытый изолирующими пленками, окисными, сульфидными и др., практически не проводящими тока, так как их сопротивление на несколько порядков выше сопротивления чистого металла.

Участки 1 и 2 образуют поверхность соприкосновения деталей, сквозь которую ток из одной детали переходит в другую, которая называется эффективной площадью контактирования A_эф Эффективная площадь контактирования, связана с фактической поверхностью соприкосновения соотношением

, (3.1)

где  ‑ коэффициент, характеризующий отношение условного радиуса эффективной площади контактирования к условному радиусу суммарной фактической поверхности соприкосновения. Большой разброс коэффициента β_эф обусловлен тем, что он зависит от многих факторов. Так, например, для покрытых естественной оксидной пленкой алюминиевых контактных соединений , а для медных - .

Таким образом, в месте перехода тока из одной детали в другую имеет место весьма резкое уменьшение поперечного сечения, в результате чего линии тока искривляются и сближаются, проходя через эффективную площадь A_эф, рис. 3.2. Вследствие чего сопротивление называется сопротивлением стягивания и определяется по формуле [6]:

, (3.2)

где  ‑ удельное сопротивление металла при температуре сопрягаемых деталей, Ом·м;  ‑ фактический радиус площадки соприкосновения;  ‑ протяженность зоны стягивания.

Фактический радиус площадки соприкосновения определяется по формуле

, (3.3)

где – контактное нажатие, H; – микротвердость при температуре соединяемых деталей, Па.

З

Рисунок 3.2. Зона стягивания тока в контакте

ная микротвердость при температуре , можно определить микротвердость металла при температуре соединяемых деталей :

, (3.4)

где , ; - температура плавления металла соединяемых деталей, ^оС.

Если в выражение (3.2) подставить значение r_ф, определяемое по выражению (3.3), то получим:

. (3.5)

Выражения (3.2) и (3.5) получены в предположении, что эффективная площадь контактирования равна фактической площади. В действительности эффективная площадь контактирования всегда меньше фактической и поэтому сопротивление стягивания равно [6]

. (3.6)

Сопротивление стягивания называется переходным сопротивлением электрического контакта и для приближенных расчетов, применительно к аппаратам высокого напряжения, при больших контактных нажатиях может быть определено по эмпирической формуле

, (3.7)

где - коэффициент, зависящий от свойств контактного материала и состояния поверхности контакта, Ом·H^-; – показатель степени, который определяется конструктивными особенностями контактной системы. Для точечных контактов , для линейных контактов , для плоских контактов .

Помимо формулы (3.7) для определения используются эмпирические формулы для различных пар металлов при хорошо зачищенных рабочих поверхностях соединяемых деталей:

Медь – медь. Поверхностный самоустанавливающийся контакт [6]:

при до 300 Н ;

при от 300 до 3000 Н ;

при более 3000 Н .

Контактное соединение двух плоских шин болтами:

.

Алюминий – алюминий. Контактное соединение двух шин болтами:

.

Медь – алюминий. Контактное соединение двух плоских шин болтами:

,

где – условная площадь контактирования, рис. 3.1.

При неизменной площади контактирования переходное сопротивление контакта тем меньше, чем больше контактное нажатие, так как от контактного нажатия зависит эффективная площадь контактирования. Контактное нажатие , определяющее переходное сопротивление, может быть рассчитано по следующим формулам:

; (3.8)

; (3.9)

, (3.10)

где  ‑ универсальная постоянная, В/К²;  ‑ разность между температурой точки соприкосновения и температурой сопрягаемых деталей, К; I ‑ ток, проходящий через соединяемые контакты, А;  ‑ теплопроводность материала, Вт/мּК;  ‑ падение напряжения на переходном сопротивлении, которое принимается равным , В;  ‑ напряжение, равное падению напряжения на переходном сопротивлении контакта, при котором температура в точке соприкосновения достигает температуры размягчения металла, В;  ‑ температура, которую имели бы сопрягаемые детали при , или же допустимая температура их нагрева, К;  ‑ превышает температуру на 5 10 К,  ‑ удельное сопротивление, Омּм.