Электричество — наука о контактах, но, как и в других сферах жизни, не все контакты одинаково хороши. И когда в очередной раз заходит спор о способах соединений, начинаются ругательства в адрес популярных клеммников, а любители опрессовки получают техническое и моральное превосходство над оппонентами… Но чему это так? Почему плохие соединения нагреваются под нагрузкой? Давайте разбираться!
Тему нагрева проводников я уже затрагивал в статье «Почему греются провода и контакты? Закон Джоуля — Ленца.», в этой же статье хочу поговорить именно о контактах и их сопротивлении.
Общие сведения и основные определения
У любого проводника есть сопротивление, для его вычисления нужно знать удельное сопротивление проводника и его геометрические размеры, после чего подставить все эти данные во всем известную формулу:
где R — сопротивление проводника, ρ — удельное сопротивление (Ом×мм²/м), L – длина проводника (м), S — площадь поперечного сечения проводника (мм²).
И этого достаточно чтобы узнать активное сопротивление отдельного сплошного проводника. Но если проводник не сплошной и по его длине есть соединения или коммутационные аппараты, то к этому сопротивлению добавятся ещё и сопротивление контактов.
Если сказать простым языком, то электрический контакт — это место перехода тока из одного проводника в другой. А более точные определения узнать из ГОСТ 14312-79 «КОНТАКТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ. Термины и определения»:
1. Электрический контакт — соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи.
3. Контакт электрической цепи — часть электрической цепи, предназначенная для коммутации и проведения электрического тока.
4. Контакт-деталь — Деталь, соприкасающаяся с другой при образовании электрического контакта.
5. Контактное соединение — контакт электрической цепи, предназначенный только для проведения электрического тока и не предназначенный для коммутации электрической цепи при заданном действии устройства.
Из определений понятно, что контакты можно разделить на 2 группы:
- Контакты, которые можно коммутировать (замыкать и размыкать), например, как в выключателях, автоматах, контакторах и прочих коммутационных аппаратах.
- Контакты, которые нельзя коммутировать, предназначенные только для проведения тока — это разборные или неразборные соединения проводников любым возможным способом, то есть болтовые, обжатые, паянные или сварные соединения.
Части поверхностей проводников, которые касаются друг друга, называются контактными поверхностями. Однако даже когда контактные поверхности касаются друг друга всей площадью, это не значит, что ток протекает из одного проводника в другой через всю эту площадь. Дело в том, что есть кажущаяся и действительная контактная поверхность.
Кажущаяся контактная поверхность — это площадь пересечения контакт-деталей в замкнутом положении. То есть кажущаяся поверхность определяется формой и размерами контактных поверхностей, которые касаются друг друга.
Но даже при тонкой обработке, шлифовке и полировке на контактах остаются шероховатости — бугорки, впадины, царапины… Из-за этого реальная или действительная поверхность соприкосновения значительно меньше и ток протекает только через небольшие площадки в местах соприкосновения деталей. Несколько преувеличивающую иллюстрацию этого вы видите на рисунке ниже. Здесь действительная контактная площадь заштрихована красным цветом в правой части рисунка, а в левой части стрелками указаны пути протекания тока.
В результате в точках перехода тока из одного проводника в другой образуются участки с повышенной плотностью тока по сравнению с плотностью тока в основном теле частей контакта. У этих участков повышенное сопротивление току из-за малой площади поперечного сечения и называется оно сопротивлением стягивания. Кроме него на переходное сопротивление контактов также влияет наличие окислов.
Переходное контактное сопротивление — это активное сопротивление, которое возникает в месте перехода тока из одной контактной поверхности в другую.
На что влияет
Согласно закону Ома, при протекании тока на сопротивлении падает какое-то напряжение, которое можно вычислить по формуле:
В то же время, когда протекает электрический ток через сопротивление, на нём выделяется мощность в виде тепла, которую можно рассчитать по формуле:
Так как переходное сопротивление контактов всегда больше сопротивления остальных проводников участка цепи, при протекании тока на контактах будет выделяться больше тепла, чем на других проводниках. При повышенных значениях переходного сопротивления контакты будут перегреваться, что приведёт к их дальнейшему свариванию или, наоборот, исчезновению контакта в этом месте и прекращению протекания тока.
Поэтому переходное сопротивление контактов оказывает сильнейшее влияние на работу элеткроцепи в целом.
От чего зависит
Переходное сопротивление контактов (Rп) зависит от двух составляющих — сопротивления оксидной плёнки (Rпл) и сопротивления стягивания (Rcт). Сопротивление стягивания — это как раз сопротивление касающихся участков контактных поверхностей, всё это можно записать в виде формулы:
Контакты бывают разных типов — линейные, поверхностные, точечные и другие. У точечного контакта соприкосновение поверхностей происходит в одной точке, а кажущаяся и действительная поверхности одинаковые. Но у других типов контактов это не так. Например, у линейных контактов точки соприкосновения лежат на одной линии, а у плоскостных — точки соприкосновения произвольно распределены по площади соприкасающихся поверхностей.
Сопротивление стягивания рассчитывается разными формулами для разных типов материалов с учётом вида их деформации (упругая или пластичная) и останавливаться на них мы не будем. Потому что для расчёта переходного сопротивления есть формула, полученная опытным путём:
где knx — коэффициент, который зависит от материала и формы контакта, способа обработки поверхности и её состояния; Fк — контактное нажатие; показатель степени n — характеризует число точек соприкосновения и для разных типов контактов может отличаться: для поверхностного контакта n = 0,7-1, для линейного n = 0,5-0,7, для точечный n = 0,5.
Контактное нажатие — это сила, с которой сжимаются контакт-детали.
Из формулы мы видим, что переходное сопротивление зависит только от силы контактного нажатия и формы контакта, а площади контактной поверхности здесь нет.
Дело в том, что при увеличении силы контактного нажатия неровности на контактных поверхностях сминаются и из-за этого увеличивается площадь касания, что приводит к снижению переходного сопротивления.
Но всему есть предел и бесконечно увеличивать прижим контактов нельзя, потому что металл может деформироваться и чрезмерное сжатие приведёт повреждению контактных напаек.
Сопротивление окислов — это вторая важная составляющая переходного сопротивления. Дело в том, что металлы окисляются на воздухе, из-за этого переходное сопротивление может вырасти в десятки и сотни раз. Для борьбы с этим негативным эффектом используют определённые конструкции контактных деталей или изготавливают их из более устойчивых к окислению материалов.
В некоторых типах контактов конструктивно заложено снятие плёнки при коммутации. Например, в рубильниках при замыкании ножи скользят по контактным стойкам, при этом снимается слой окисла и сажи с поверхности.
По той же причине контактные напайки часто изготавливают серебра или других дорогих металлов или их сплавов с более дешёвыми. Дело в том, что серебро, например, например, окисляется на воздухе значительно дольше чем медь, к тому же сопротивление окислов серебра ненамного больше, чем сопротивление самого серебра. Тогда как сопротивление окисла алюминия доходит до 1012 Ом×см. То есть это фактически диэлектрик.
Но кроме окисления контактов на воздухе, есть и другие факторы, которые влияют на переходное сопротивление — дуги при коммутации и высокие температуры.
При коммутации происходит образование дуги, особенно при включении ёмкостной и отключении индуктивной нагрузки. При горении дуги материал контактной поверхности распыляется в окружающую среду и переносится с одного контакта на другой. При разборке коммутационных аппаратов вы и сами могли видеть капли металла на стенках рядом с контактами. В результате поверхности контактов повреждаются — уменьшается количество точек касания и действительная площадь контактной поверхности.
Из-за этого увеличивается контактное сопротивление, а следовательно, и нагрев.
Кроме этого, во время горения дуги происходит локальное увеличение температуры катодных пятен (места, где начинает и заканчивается дуга). Она может достигать и точки плавления материала контактов. К тому же при высокой температуре процесс окисления поверхностей происходит в разы интенсивнее, чем при комнатной температуре.
Из-за всего этого в процессе использования коммутационных аппаратов контактные поверхности постоянно износятся и повышается переходное контактное сопротивление.
Рассмотренные проблемы присущи не только коммутационным приборам, им подвержены и неразмыкаемые соединения контактов. Но в этом случае возможно создать значительно большее сжатие, например, с помощью болтового соединения и опрессовки. Таким образом достигается большая действительная площадь контактной поверхности и меньшее переходное сопротивление.
Поэтому опрессовка гильзами, как правильно, лучше, чем использование любых пружинных клеммников, а сварка и подавно.
Выводы
Основное влияние на переходное сопротивление оказывает контактное нажатие, а также износ и окисление в процессе эксплуатации.
Для защиты и снижения влияния дуги на состояние контактов используются дугозащитные камеры и другие способы её гашения. А для защиты от окисления контакты изготавливают из материалов, которые меньше окисляются (серебро, платина, палладий и их сплавы, и композиты).
Алексей Бартош специально для ЭТМ.
