Perfekt elektrisk kontakt, påvirkning av materialegenskaper, trykk og dimensjoner på kontaktmotstand

Faste kontakter er laget i de fleste tilfeller ved mekanisk tilkobling av ledninger, og tilkoblingen kan gjøres enten ved direkte tilkobling av ledninger (for eksempel busser i elektriske transformatorstasjoner) eller av mellomliggende enheter - klemmer og terminaler.

Mekanisk dannede kontakter kalles innstrammingog de kan monteres eller demonteres uten å forstyrre de enkelte delene. I tillegg til klemkontakter er det faste kontakter oppnådd ved å lodde eller sveise de tilkoblede ledningene. Vi kaller slike kontakter alt av metall, da de ikke har noen fysisk grense som avgrenser de to ledningene.

Påliteligheten til kontaktene i drift, stabiliteten til motstanden, fraværet av overoppheting og andre forstyrrelser bestemmer normal drift av hele installasjonen eller linjen der det er kontakter.

Den såkalte ideelle kontakten må oppfylle to hovedkrav:

• kontaktmotstanden må være lik eller lavere enn motstanden til lederen i en seksjon med samme lengde;
• kontaktoppvarming med merkestrøm må være lik eller lavere enn oppvarmingen av en ledning med tilsvarende tverrsnitt.

I 1913 utviklet Harris fire lover som styrer elektriske kontakter (Harris F., Resistance of Electrical Contacts):

1. Alle andre forhold er like, spenningsfallet i kontakten øker i direkte proporsjon med strømmen. Med andre ord, kontakten mellom to materialer oppfører seg som en motstand.

2. Dersom tilstanden til overflatene i kontakten ikke har noen effekt, varierer spenningsfallet over kontakten omvendt med trykket.

3. Kontaktmotstanden mellom ulike materialer avhenger av deres spesifikke motstand. Materialer med lav resistivitet har også lav kontaktmotstand.

4. Motstanden til kontaktene avhenger ikke av størrelsen på deres område, men avhenger kun av det totale trykket i kontakten.

Størrelsen på kontaktflaten bestemmes av følgende faktorer: varmeoverføringsforhold for kontaktene og korrosjonsmotstand, siden en kontakt med en liten overflate kan ødelegges ved penetrering av korrosive midler fra atmosfæren lettere enn en kontakt med en stor kontaktflate.

Derfor, når du designer klemkontakter, er det nødvendig å kjenne normene for trykk, strømtetthet og størrelse på kontaktflaten, som sikrer samsvar med kravene til en ideell kontakt og som kan være forskjellig avhengig av materiale, overflatebehandling og kontakt design.

Kontaktmotstanden påvirkes av følgende materialegenskaper:

1.Spesifikk elektrisk motstand av materialet.

Jo høyere kontaktmotstand, jo høyere er den spesifikke motstanden til kontaktmaterialet.

2. Materialets hardhet eller trykkfasthet. Det mykere materialet deformeres lettere og etablerer kontaktpunkter raskere og gir derfor mindre elektrisk motstand ved lavere trykk. Slik sett er det nyttig å dekke harde metaller med mykere: tinn for kobber og messing og tinn eller kadmium for jern.

3. Koeffisienter for termisk utvidelse Det er også nødvendig å ta hensyn til, fordi på grunn av deres forskjell mellom materialet til kontaktene og for eksempel bolter, kan økte spenninger oppstå, noe som forårsaker plastisk deformasjon av den svakere delen av kontakten og dens ødeleggelse med en reduksjon i temperatur .

Mengden kontaktmotstand bestemmes av antall og størrelse på punktkontaktene og avhenger (i varierende grad) av kontaktenes materiale, kontakttrykket, behandlingen av kontaktflatene og størrelsen på kontaktflatene.

På kortslutninger temperaturen i kontaktene kan stige så mye at på grunn av den uensartede termiske ekspansjonskoeffisienten av materialet til boltene og kontakten, kan det oppstå spenninger over materialets elastiske grense.

Dette vil føre til at det løsner og tap av kontakttetthet. Derfor, når du beregner, er det nødvendig å sjekke for ytterligere mekaniske spenninger i kontakten forårsaket av kortslutningsstrømmer.

Kobber begynner å oksidere i luft ved romtemperatur (20 - 30 °).Den resulterende oksidfilmen, på grunn av sin lille tykkelse, representerer ikke en spesiell hindring for dannelsen av en kontakt, siden den blir ødelagt når kontaktene komprimeres.

For eksempel viser kontakter eksponert for luft i en måned før montering bare 10 % mer motstand enn nylagde kontakter. Sterk oksidasjon av kobber begynner ved temperaturer over 70 °. Kontaktene, som ble holdt i omtrent 1 time ved 100 °, økte motstanden 50 ganger.

En økning i temperatur akselererer betydelig oksidasjon og korrosjon av kontakter på grunn av det faktum at diffusjonen av gasser i kontakten akselereres og reaktiviteten til etsende stoffer øker. Vekslingen av oppvarming og kjøling fremmer penetrering av gasser i kontakt.

Det ble også fastslått at under langvarig oppvarming av kontaktene med strøm, observeres en syklisk endring i deres temperatur og motstand. Dette fenomenet forklares av påfølgende prosesser:

• oksidasjon av kobber til CuO og økning i motstand og temperatur;
• med mangel på luft, overgangen fra CuO til Cu2O og synkende motstand og temperatur (Cu2O leder bedre enn CuO);
• økt lufttilgang, nydannelse av CuO, økning i motstand og temperatur m.m.

På grunn av den gradvise fortykningen av oksidlaget, observeres til slutt en økning i kontaktmotstanden.

Tilstedeværelsen av svoveldioksid, hydrogensulfid, ammoniakk, klor og syredamp i atmosfæren har en mye sterkere effekt på kontakt med kobber.

I luften blir aluminium raskt dekket med en tynn, svært motstandsdyktig oksidfilm. Bruk av aluminiumskontakter uten å fjerne oksidfilmen gir høy kontaktmotstand.

Fjerning av filmen ved vanlige temperaturer er kun mulig mekanisk, og rengjøring av kontaktflaten må utføres under et lag med vaselin for å forhindre at luft når den rensede overflaten. Aluminiumskontakter behandlet på denne måten gir lav kontaktmotstand.

For å forbedre kontakten og beskytte mot korrosjon, rengjøres kontaktflatene vanligvis med vaselin for aluminium og tinn for kobber.

Når du designer klemmer for tilkobling av aluminiumsledninger, er det nødvendig å ta hensyn til egenskapen til aluminium å "krympe" over tid, som et resultat av at kontakten svekkes. Tatt i betraktning denne egenskapen til aluminiumtråder, er det mulig å bruke spesielle terminaler med en fjær, på grunn av hvilken det nødvendige kontakttrykket opprettholdes til enhver tid.

Kontakttrykk er den viktigste faktoren som påvirker kontaktmotstanden. I praksis avhenger kontaktmotstanden hovedsakelig av kontakttrykket og i mye mindre grad av behandlingen eller størrelsen på kontaktflaten.

En økning i kontakttrykk forårsaker:

• reduksjon av kontaktmotstand:
• tapsreduksjon;
• tett binding av kontaktflatene, noe som reduserer oksidasjonen av kontaktene og dermed gjør forbindelsen mer stabil.

I praksis brukes vanligvis det normaliserte kontakttrykket, hvor kontaktmotstandsstabilitet oppnås. Slike optimale kontakttrykkverdier er forskjellige for forskjellige metaller og forskjellige tilstander på kontaktflatene.

En viktig rolle spilles av kontakttettheten over hele overflaten, for hvilken de spesifikke trykknormene må opprettholdes uavhengig av størrelsen på kontaktflaten.

Behandlingen av kontaktflatene skal sikre fjerning av fremmedfilm og gi maksimale punktkontakter når overflatene er i kontakt.

Å dekke kontaktflatene med et mykere metall, som fortinning av kobber eller jernkontakter, gjør det lettere å oppnå god kontakt ved lavere trykk.

For aluminiumskontakter er den beste behandlingen å pusse kontaktflaten med sandpapir under vaselin. Vaselin er nødvendig fordi aluminium i luft veldig raskt blir dekket med en oksidfilm, og vaselin hindrer luft i å nå den beskyttede kontaktflaten.

En rekke forfattere mener at kontaktmotstanden kun avhenger av det totale trykket i kontakten og ikke avhenger av størrelsen på kontaktflaten.

Dette kan tenkes hvis, for eksempel med en reduksjon i kontaktflaten, økningen i kontaktmotstand på grunn av en reduksjon i antall kontaktpunkter kompenseres av en reduksjon i motstand på grunn av deres utflatning på grunn av en økning i den spesifikke kontakttrykk.

En slik gjensidig kompensasjon av to motsatt rettede prosesser kan bare skje unntaksvis. Mange eksperimenter viser at når kontaktlengden minker og ved et konstant totaltrykk, øker kontaktmotstanden.

Med den halverte kontaktlengden oppnås motstandsstabilitet ved høyere trykk.

Reduksjonen av kontaktoppvarming ved en gitt strømtetthet lettes av følgende egenskaper til kontaktmaterialet: lav elektrisk motstand, høy varmekapasitet og termisk ledningsevne, samt høy evne til å utstråle varme på kontaktenes ytre overflate.

Korrosjon av kontakter laget av forskjellige metaller er mye mer intens enn for kontakter laget av de samme metallene.I dette tilfellet dannes et elektrokjemisk makroelement (metall A - våt film - metall B), som er en galvanisk celle. Her, som ved mikrokorrosjon, vil en av elektrodene bli ødelagt, nemlig den delen av kontakten som består av et mindre edelt metall (anode).

I praksis kan det være tilfeller av tilkobling av ledninger bestående av forskjellige metaller, for eksempel kobber med aluminium. En slik kontakt, uten spesiell beskyttelse, kan korrodere det mindre edle metallet, dvs. aluminium. Faktisk er aluminium i kontakt med kobber svært etsende, så direkte binding i kontakt mellom kobber og aluminium er ikke tillatt.