Savršeni električni kontakt, utjecaj svojstava materijala, tlaka i dimenzija na kontaktni otpor

Fiksni kontakti ostvaruju se u većini slučajeva mehaničkim spajanjem žica, a spajanje se može izvesti ili izravnim spajanjem žica (npr. sabirnice u trafostanicama) ili posrednim uređajima - stezaljkama i stezaljkama.

Mehanički oblikovani kontakti nazivaju se zatezanjei mogu se sastaviti ili rastaviti bez ometanja njihovih pojedinačnih dijelova. Osim steznih kontakata postoje i fiksni kontakti dobiveni lemljenjem ili zavarivanjem spojenih žica. Takve kontakte nazivamo sav metal, budući da nemaju fizičku granicu koja razdvaja dvije žice.

Pouzdanost kontakata u radu, stabilnost otpora, odsutnost pregrijavanja i drugih smetnji određuju normalan rad cijele instalacije ili linije u kojoj se nalaze kontakti.

Takozvani idealni kontakt mora ispunjavati dva glavna zahtjeva:

• kontaktni otpor mora biti jednak ili manji od otpora vodiča u odsječku iste duljine;
• kontaktno zagrijavanje nazivnom strujom mora biti jednako ili manje od zagrijavanja žice odgovarajućeg presjeka.

Godine 1913. Harris je razvio četiri zakona koji upravljaju električnim kontaktima (Harris F., Otpor električnih kontakata):

1. Ako su svi ostali uvjeti jednaki, pad napona u kontaktu raste proporcionalno struji. Drugim riječima, kontakt između dva materijala ponaša se kao otpor.

2. Ako stanje površina u kontaktu nema utjecaja, pad napona na kontaktu varira obrnuto s tlakom.

3. Kontaktni otpor između različitih materijala ovisi o njihovom specifičnom otporu. Materijali niskog otpora također imaju nisku kontaktnu otpornost.

4. Otpor kontakata ne ovisi o veličini njihove površine, već ovisi samo o ukupnom tlaku u kontaktu.

Veličinu kontaktne površine određuju sljedeći čimbenici: uvjeti prijenosa topline kontakata i otpornost na koroziju, budući da se kontakt s malom površinom može lakše uništiti prodorom korozivnih sredstava iz atmosfere nego kontakt s velikom površinom. kontaktna površina.

Stoga je kod projektiranja steznih kontakata potrebno poznavati norme tlaka, gustoće struje i veličine kontaktne površine koje osiguravaju ispunjavanje zahtjeva za idealan kontakt i koje mogu biti različite ovisno o materijalu, površinskoj obradi i kontaktu. oblikovati.

Na otpor kontakta utječu sljedeća svojstva materijala:

1.Specifični električni otpor materijala.

Što je veći kontaktni otpor, to je veći specifični otpor kontaktnog materijala.

2. Tvrdoća ili tlačna čvrstoća materijala. Mekši materijal se lakše deformira i brže uspostavlja kontaktne točke te stoga daje manji električni otpor pri nižem tlaku. U tom smislu korisno je tvrde metale prekriti mekšim: kositar za bakar i mjed i kositar ili kadmij za željezo.

3. Koeficijenti toplinskog širenja Također je potrebno uzeti u obzir, jer zbog njihove razlike između materijala kontakata i npr. vijaka može doći do povećanih naprezanja koja uzrokuju plastičnu deformaciju slabijeg dijela kontakta i njegovo uništenje s padom temperature. .

Količina kontaktnog otpora određena je brojem i veličinom točkastih kontakata i ovisi (u različitim stupnjevima) o materijalu kontakata, kontaktnom tlaku, obradi kontaktnih površina i veličini kontaktnih površina.

Na kratki spojevi temperatura u kontaktima može porasti toliko da zbog nejednolikog koeficijenta toplinskog rastezanja materijala vijaka i kontakta mogu nastati naprezanja iznad granice elastičnosti materijala.

To će uzrokovati labavljenje i gubitak nepropusnosti kontakta. Stoga je pri proračunu potrebno provjeriti dodatna mehanička naprezanja u kontaktu uzrokovana strujama kratkog spoja.

Bakar počinje oksidirati na zraku pri sobnoj temperaturi (20-30 °).Nastali oksidni film zbog svoje male debljine ne predstavlja posebnu prepreku stvaranju kontakta, budući da se uništava prilikom sabijanja kontakata.

Na primjer, kontakti izloženi zraku mjesec dana prije sastavljanja pokazuju samo 10% veći otpor od svježe napravljenih kontakata. Snažna oksidacija bakra počinje na temperaturama iznad 70 °. Kontakti, koji su držani oko 1 sat na 100°, povećali su svoju otpornost 50 puta.

Povećanje temperature značajno ubrzava oksidaciju i koroziju kontakata jer se ubrzava difuzija plinova u kontaktu i povećava reaktivnost korozivnih tvari. Izmjena zagrijavanja i hlađenja pospješuje prodiranje plinova u kontaktu.

Također je utvrđeno da tijekom dugotrajnog zagrijavanja kontakata strujom dolazi do cikličke promjene njihove temperature i otpora.Ovaj fenomen se objašnjava uzastopnim procesima:

• oksidacija bakra u CuO i povećanje otpora i temperature;
• s nedostatkom zraka prijelaz iz CuO u Cu2O i smanjenje otpora i temperature (Cu2O provodi bolje od CuO);
• povećan pristup zraka, novo stvaranje CuO, povećanje otpora i temperature itd.

Zbog postupnog zadebljanja oksidnog sloja, na kraju se uočava povećanje kontaktnog otpora.

Prisutnost sumpornog dioksida, sumporovodika, amonijaka, klora i kiselih para u atmosferi mnogo jače djeluje na kontakt s bakrom.

Na zraku se aluminij brzo prekriva tankim, vrlo otpornim oksidnim filmom. Upotreba aluminijskih kontakata bez uklanjanja oksidnog filma daje visok kontaktni otpor.

Uklanjanje filma na uobičajenim temperaturama moguće je samo mehanički, a čišćenje kontaktne površine mora se vršiti pod slojem vazelina kako bi se spriječio dotok zraka na očišćenu površinu. Ovako obrađeni aluminijski kontakti daju mali kontaktni otpor.

Za poboljšanje kontakta i zaštitu od korozije, kontaktne površine obično se čiste vazelinom za aluminij i kositrom za bakar.

Pri projektiranju stezaljki za spajanje aluminijskih žica potrebno je voditi računa o svojstvu aluminija da se s vremenom "skuplja" uslijed čega kontakt slabi. Uzimajući u obzir ovo svojstvo aluminijskih žica, moguće je koristiti posebne stezaljke s oprugom, zahvaljujući kojima se u spoju cijelo vrijeme održava potreban kontaktni pritisak.

Kontaktni pritisak je najznačajniji faktor koji utječe na kontaktni otpor. U praksi kontaktni otpor uglavnom ovisi o kontaktnom pritisku, au znatno manjoj mjeri o obradi ili veličini kontaktne površine.

Povećanje kontaktnog pritiska uzrokuje:

• smanjenje kontaktnog otpora:
• smanjenje gubitaka;
• čvrsto spajanje kontaktnih površina čime se smanjuje oksidacija kontakata i samim time spoj postaje stabilniji.

U praksi se obično koristi normalizirani kontaktni tlak, gdje se postiže stabilnost kontaktnog otpora. Takve optimalne vrijednosti kontaktnog tlaka različite su za različite metale i različita stanja kontaktnih površina.

Važnu ulogu ima kontaktna gustoća po cijeloj površini, za koju se moraju održavati specifične norme tlaka bez obzira na veličinu dodirne površine.

Obrada kontaktnih površina mora osigurati uklanjanje stranog filma i dati maksimalan točkasti kontakt kada su površine u kontaktu.

Prekrivanje kontaktnih površina mekšim metalom, kao što su kontakti od pokositrenog bakra ili željeza, olakšava postizanje dobrog kontakta pri nižim pritiscima.

Za aluminijske kontakte, najbolji tretman je brušenje kontaktne površine brusnim papirom ispod vazelina. Vazelin je neophodan jer se aluminij na zraku vrlo brzo prekriva oksidnim filmom, a vazelin onemogućuje zraku da dopre do zaštićene kontaktne površine.

Brojni autori smatraju da kontaktni otpor ovisi samo o ukupnom tlaku u kontaktu i ne ovisi o veličini kontaktne površine.

To se može zamisliti ako se, na primjer, sa smanjenjem kontaktne površine povećanje kontaktnog otpora zbog smanjenja broja kontaktnih točaka kompenzira smanjenjem otpora zbog njihovog spljoštenja zbog povećanja specifične kontaktni pritisak.

Do takve međusobne kompenzacije dvaju suprotno usmjerenih procesa može doći samo u iznimnim slučajevima. Mnogi eksperimenti pokazuju da se kontaktna otpornost povećava kako se kontaktna duljina smanjuje i pri konstantnom ukupnom tlaku.

S prepolovljenom duljinom kontakta postiže se stabilnost otpora pri višim pritiscima.

Smanjenje kontaktnog zagrijavanja pri određenoj gustoći struje olakšavaju sljedeća svojstva kontaktnog materijala: mali električni otpor, visok toplinski kapacitet i toplinska vodljivost, kao i visoka sposobnost zračenja topline na vanjskoj površini kontakata.

Korozija kontakata od različitih metala mnogo je intenzivnija nego kod kontakata od istih metala, pri čemu nastaje elektrokemijski makropar (metal A — mokri film — metal B), koji je galvanski članak. Ovdje će, kao iu slučaju mikrokorozije, biti uništena jedna od elektroda, odnosno dio kontakta koji se sastoji od manje plemenitog metala (anoda).

U praksi mogu postojati slučajevi spajanja žica koje se sastoje od različitih metala, na primjer, bakra s aluminijem. Takav kontakt, bez posebne zaštite, može nagrizati manje plemeniti metal, odnosno aluminij. Zapravo, aluminij u kontaktu s bakrom je vrlo korozivan, tako da izravno spajanje u kontaktu između bakra i aluminija nije dopušteno.