Конструирование низковольтной аппаратуры - Электрические контактные соединения

§ 4. 3. Электрические контактные соединения и их основные параметры
Электрическим контактным соединением называется конструктивный узел, при помощи которого осуществляется соединение двух или нескольких токопроводов для перехода тока из одного токопровода в другой. Место, где непосредственно происходит переход тока из одной детали в другую, называется электрическим контактом, а поверхности, на которых осуществляется электрический контакт,  —   контактными поверхностями. Обеспечить в месте электрического контакта такие же условия прохождения тока, какие имеет сплошной проводник, практически невозможно, вследствие чего контактные соединения являются наиболее слабым местом электрического аппарата и требуют особого внимания как при конструировании, так и при эксплуатации.
Основным параметром, обеспечивающим надежную работу любого типа контактного соединения, является контактное нажатие   —   усилие, с которым одна контактная поверхность воздействует на другую. Для взаимоподвижных контактов различают начальное контактное нажатие  —  усилие воздействия одной контактной поверхности на другую при первом соприкосновении контаков, т. е. до выбора провала, и конечное контактное нажатие  —  усилие воздействия одной контактной поверхности на другую при полностью включенных контактах, т. е. при полном выборе провала. Основным контактным нажатием, по которому ведется расчет контактов, является начальное контактное нажатие, так как по мере износа контактов величина провала уменьшается и конечное контактное нажатие уменьшается до значения начального нажатия.
Взаимоподвижные контакты, как скользящие так и размыкающиеся, характеризуются помимо контактного нажатия величиной провала контактов. Провалом контактов называется расстояние, которое проходит подвижной контакт с положения первого соприкосновения с неподвижным до полной остановки, определяемой конструкцией контактного соединения, если отсутствует неподвижный контакт. Провал контактов обеспечивает их надежную работу при износе.
Процесс выбора контактами провала может сопровождаться процессом притирания контактов. Притирание контактов может состоять из проскальзывания и переката контактных поверхностей относительно друг друга. Проскальзывание позволяет в процессе включения произвести зачистку контактных поверхностей от окисной пленки и грязи и улучшить работу контактного соединения в замкнутом положении. Перекат контактов как при включении, так и при выключении удаляет точку возникновения дуги или искры от места длительного соприкосновения контактов, способствуя этим улучшению работы контактного соединения в замкнутом состоянии.

Таблица 4.3

Необходимо заметить, что если провал контактов абсолютно необходим для любого взаимоподвижного контактного соединения, то наличие процессов притирания определяется материалом контактов, их назначением, конструкцией и не является абсолютно необходимым для контактного соединения.
Помимо контактного нажатия и провала, взаимоподвижные размыкающиеся контактные соединения характеризуются еще раствором. Раствором называется наименьшее расстояние между контактными поверхностями полностью разомкнутых контактов. Раствор контактов обеспечивает надежную работу контактов в процессе размыкания электрической цепи и в разомкнутом состоянии.

§ 4. 4. Переходное сопротивление и нагрев электрического контакта

Основным признаком любого вида электрического контакта является наличие переходного сопротивления  —  резкого увеличения активного сопротивления в месте перехода тока из одной детали в другую. Его величина [Л. 13],  Ом,
(4.11)
где ε  —  коэффициент, зависящий от свойств материала контактов, а также от способа обработки и чистоты контактной поверхности;
F  —  сила контактного нажатия, я; т  —  коэффициент, зависящий от числа точек соприкосновения контактных поверхностей.
Значения коэффициентов ε и т определяются опытным путем при 20° С окружающей температуры и приведены в табл. 4.3 и 4.4.
Таблица 4.4

При нагреве контактов переходное сопротивление повышается за счет увеличения удельного сопротивления материала [Л. 13]:
(4.12) где α  —  температурный коэффициент повышения сопротивления материала контактов.
Из выражения (4.11) видно, что величина переходного сопротивления прежде всего зависит от физических свойств материала контактов, из которых в первую очередь необходимо отметить удельное электрическое сопротивление, механическую прочность, способность материала контактов к окислению, теплопроводность.
Основным источником нагрева контактов являются контактные точки, имеющие сопротивление, значительно превышающее сопротивление собственно контакта, которое при расчете не принимается во внимание. Величина превышения температуры контактной точки над температурой самого контакта [Л. 9], °C,

(4.13)

где 1  —  ток, протекающий через контакты, а; Rпθ  —  переходное сопротивление при нагретых контактах,  Ом·, ик   —   падение напряжения на переходном сопротивлении, β; λ   —   теплопроводность материала контактов, вт/см°С; рв  —  удельное сопротивление нагретого материала контакта,  Ом · см.
Величина превышения температуры всего контакта, °C, может быть рассчитана по уравнению теплового баланса

(4.14)
где S   —   поверхность охлаждения пары контактов, см² ; k   —   коэффициент теплоотдачи, вт/см² -°С.
Расчет превышения температуры контакта является приближенным, так как практически невозможно точно учесть теплопередачу от контакта к деталям, с ним соединенными.
Величина коэффициента теплоотдачи определяется обычно опытным путем и для разных конструкций контактов может существенно различаться. Ориентировочно можно принять значение k=(5-7)·10-4 вт/см² °С, однако результаты расчета обязательно должны быть проверены экспериментально.
За поверхность охлаждения принимается полная поверхность пары соприкасающихся контактов, включая поверхности, которыми контакты соприкасаются с другими деталями, однако, учитывая затрудненную теплоотдачу с контактных поверхностей, их площадь обычно в расчет не принимается.
При конструировании и расчете контактного соединения сечение соседних токоведущих деталей выбирается обычно таким образом, чтобы их температура всегда была ниже температуры контактов, т. е. чтобы эти детали играли роль своеобразных радиаторов по отношению к контактам, отбирая выделившееся в них тепло. Выполнение этих условий способствует более устойчивой и надежной работе контактов.

Абсолютная температура контактной точки
(4-15) где θ0   —   температура окружающей среды.
Величина θк.т при устойчивой работе контактов и отсутствии их сваривания должна быть меньше температуры рекристаллизации материала контактов, указанной в табл. 4.5. Превышение температуры контактов в свою очередь должно быть равно или меньше допустимого превышения температуры контактов соответствующей конструкции, оговариваемого ГОСТами. Ориентировочные значения допустимых температур контактов были приведены в табл. 3.3.
Термической устойчивостью контактов называется их способность выдерживать в течение определенного времени большие токи, не оплавляясь и не свариваясь. Температура контактных точек в этом случае допускается до величины температуры плавления (см. табл. 4.5).

Таблица 4.5

Рекомендуемые значения плотности тока в действительных контактных площадках для разных материалов приводятся в табл. 4.6.
Таблица 4.6

Электродинамической устойчивостью контактов называется их способность пропускать большие токи, не размыкаясь под действием электродинамических усилий и не снижая значительно контактного нажатия. 

Рис. 4.5. Возникновение электродинамических усилий в контактах
Появление электродинамических усилий в контактах объясняется как тем, что обычно линия тока имеет изгиб при прохождении через контакты-детали, так и тем, что линии тока искривляются при подходе к контактным точкам, как показано на рис. 4.5.

Величина электродинамического усилия (н), возникающего в контактных точках, может быть определена:
для точечного контакта
(4.16)
для многоточечного контакта
(4.17)
где S   —   полная кажущаяся поверхность контакта, см² ; S0   —   действительная площадь касания контакта, см² (площадь контактных точек); п   —   число точек касания.
Если для точечного контакта возможно определение электродинамической силы аналитическим путем, так как площадь контактной точки можно рассчитать, зная контактное нажатие и механическую прочность материала, то для многоточечного контакта как величину площади контактных точек, так и их число можно определить лишь экспериментально.