9.3. Нагревание контактов

При прохождении тока через кон­такт наибольшая температура имеет место на контактной поверхности. По ме­ре удаления от этой поверхности в глубь тела контакта температура быстро уменьшается. Измерить температуру контактной поверхности (например, с помощью термопары) невозможно. Однако ее можно определить косвенно, путем измерения падения напряжения в контакте.

Зависимость между напряжением U и превышением температурыкон­тактной поверхности над температурой в точках, удаленных от этой поверхности, в установившемся состоянии можно найти, основываясь на аналогии между

электрическими и тепловыми полями-. Эта зависимость, достаточно сложная при учете всех факторов, может быть легко найдена, если принять удельное электрическое сопротивление и тепло­проводность материала контактов по­стоянными, т. е. не зависящими от тем­пературы. Контакты предполагаются чистыми. Следовательно, между кон­тактными поверхностями никакого со­противления не существует. Такие кон­такты можно рассматривать состоящими из целого куска металла. Тепло, выде­ляющееся в области сужения линий тока, распространяется от контактной поверх­ности в тело контактов. Вследствие пол­ной симметрии контактных частей обмен тепла между ними отсутствует. Отдача тепла в тонкий слой воздуха между контактами ничтожно мала. При указанных допущениях зависимость между напряжением U и превышением температуры контактной поверхности над температурой в точках, удаленных от этой поверхности, имеет следующий вид:

где и — соответственно удельное электрическое сопротивление и удельная теплопроводность материала контактов, принимаемые постоянными.

Более точная связь между U ис учетом зависимости и от темпера­туры имеет следующий вид:

Выражения (9.6) и (9.7), справедли­вые для контактов с любой формой по­верхности, имеют большое практиче­ское значение, поскольку они позволяют определить максимальную температуру в контакте и судить о качестве контакта по значению падения напряжения в нем. Ниже приведены значения U и вычис­ленные с помощью (9.7) и справедливые для контактов из любых металлов, поскольку произведение для всех

металлов приблизительно одинаково:

Для медных контактов превышение температуры на 180°С соответствует началу размягчения металла, а превыше­ние температуры на 1065 °С — его плав­лению.

Температура контактных частей в точках, удаленных от контактной поверхности, принята равной 18 °С.

Зависимость сопротивления контакта от температуры. Выражение для сопро­тивления точечного контакта (9.3) спра­ведливо при ничтожно малом токе, не способном заметно нагреть контакт. Если ток велик, контакты нагреваются и сопротивление контакта увеличивается вследствие увеличения удельного сопро­тивления металла. Допустим, что при некотором токе / температура контакт­ных деталей в точках, удаленных от контактной поверхности, равна Если бы температура в области сужения, в том числе и на контактной поверхности, была также равнато сопротивление контакта R₉ можно было бы определить из выражения (9.3), положив соответ­ствующим температуре Однако тем­пература в области сужения отличается от Она увеличивается по мере при­ближения к контактной поверхности и достигает здесь максимального значе­ния Поэтому сопротивление кон­такта при токе I отличается от его сопротивления, которое имел бы контакт, если бы температура во всей области сужения была одной и той же. Оно может быть определено из приближенного выражения

где — сопротивление контакта при температуре контактной поверхности, равной— сопротивление

контакта в предположении одинаковой температуры в области сужения, рав­ной— превышение темпе­ратуры контактной поверхности над температурой в точках, удаленных от нее; — температурный коэффициент удельного сопротивления.

Поскольку сопротивление пред­ставлено как функция максимального

превышения температуры, множитель при 9 равен не ое, а только 2/3α.

Зависимость (9.8) справедлива до тех пор, пока размеры контактной точки неизменны. Если ток настолько велик, что температура контактной поверхности достигает температуры размягчения ме­талла, размеры контактной точки увели­чиваются и сопротивление контакта уменьшается. Это видно из характе­ристики R(U) (рис. 9.4), определяющей зависимость между сопротивлением кон­такта R и напряжением U, следовательно, и превышением температуры θ. Харак­теристика относится к одноточечному контакту, образованному скрещенными медными стержнями при некотором дав­лении. Кривая ABC рассчитана по урав­нению (9.8) в предположении постоянства контактной поверхности. Участок АВ этой кривой может быть получен также из эксперимента. В точке В, соответ­ствующей превышению температуры около 180 °С, начинается размягчение металла. Контактная площадка увеличи­вается и сопротивление контакта умень­шается (участок BD представляет спад размягчения). После этого кривая вновь поднимается (участок DE), однако наклон кривой здесь меньше наклона кривой ВС вследствие продолжающегося размягче­ния. В точке Е температура контакта достигает температуры плавления. Даль­нейшее повышение напряжения невоз­можно, так как при этом контактные части сближаются, размер контактной площадки увеличивается, а сопротив-

ление уменьшается (участок EF представ­ляет собой спад плавления). При умень­шении напряжения (тока) можно полу­чить ветвь FG, параллельную СВА, что доказывает постоянство контактной пло­щадки вследствие происшедшего свари­вания контактных частей. Плавление и сваривание размыкаемых контактов — явления весьма опасные, поскольку они могут явиться причиной отказа аппарата отключить цепь.