Какие бывают контакты в электрике

2.1. Виды и типы электрических контактов

Электрическим контактом называют место соприкосновения двух или более токоведущих деталей, по которому протекает ток из одной детали в другую. Конструктивный узел с этими деталями также называют электрическим контактом.

Электрические контакты принято разделять на три вида в зависимости от возможности перемещения деталей контакта (контактных деталей) во время работы ЭА. Контакт может быть неразмыкаемым, скользящим или размыкаемым.

К неразмыкаемым контактам относят такие узлы проводников тока, детали которых не перемещаются друг относительно друга, а остаются надежно скрепленными при работе ЭА. Обычно ЭА присоединяется к внешним электрическим цепям при помощи неразмыкаемых контактов. Они могут быть разъемными, разборными и неразборными.

В скользящих контактах одна контактная деталь перемещается относительно другой детали, не нарушая электрической связи между этими деталями. Например, электрический контакт неподвижной детали аппарата с вращающейся деталью часто создают при помощи щетки и кольца, расположенных соответственно на неподвижной и вращающейся частях ЭА.

Размыкаемые контакты при работе ЭА замыкаются, приходя в соприкосновение, и размыкаются, выходя из соприкосновения и разрывая электрическую цепь. Такие контакты называют коммутирующими контактами. Среди коммутирующих контактов выделяют замыкающие контакты, размыкающие контакты и переключающие контакты.

На рис. 2.1 приведена иллюстрация условных обозначений контактов, отличающихся друг от друга по возможности перемещения одной контактной детали относительно другой контактной детали во время работы ЭА.

Совокупность из нескольких электрических контактов аппарата с устройствами гашения электрической дуги и другими вспомогательными деталями называют контактной системой (КС) аппарата.

Место соприкосновения контактных деталей характеризуют «кажущейся» и действительной площадями соприкосновения. Вследствие того, что поверхности деталей имеют шероховатость (бугорки и впадины), они соприкасаются не по всей кажущейся площади, а по отдельным малым площадкам, образующим фактическую площадь соприкосновения. Количество таких площадок зависит от геометрических форм соприкасающихся поверхностей, силы F_К нажатия одной контактной детали на другую, прочности материала деталей.

В зависимости от кажущейся площади соприкосновения условно различают три типа контактов: точечный, линейный, плоскостной. Соответственно, кажущееся соприкосновение контактных деталей имеет место в точке (по микроплощадке), по линии, по плоскости (по поверхности).

В электрических аппаратах применяют коммутирующие контакты всех трех типов.

2.2. Основные параметры коммутирующих контактов

В зависимости от конструкции различают мостиковые, пальцевые, врубные, розеточные, роликовые и стыковые коммутирующие контакты.

Рассмотрим основные параметры коммутирующих контактов на примере мостикового контакта. Изобразительная модель контактного узла с мостиковым контактом показана на рис. 2.2.

В состав контактного узла входят неподвижные контактные стойки 1, электрически соединяемые контактным мостиком 2. Контактные детали 1 и 2 образуют электрический контакт.

Мостик 2, толкатель 3 и контактная пружина 4 образуют подвижный контактный узел (ПКУ) 5. Пределы перемещения (ρ) ПКУ условно ограничены затемненными треугольниками.

Для разомкнутого положения контакта (рис. 2.2а) между контактными деталями создается необходимый по величине зазор δ>0. Минимальное расстояние между контактными поверхностями разомкнутого контакта называют раствором (δ_р) контакта.

Чтобы обеспечить надежное соприкосновение контактных деталей при замыкании контакта, кинематику ПКУ предусматривают такой, чтобы контактные детали вошли в соприкосновение раньше, чем толкатель подвижного узла дойдет до упора. Благодаря этому контактный мостик после соприкосновения с контактными стойками останавливается, а толкатель продолжает еще двигаться в прежнем направлении до упора, сжимая контактную пружину. Тогда, если при конечном положении толкателя у замкнутого контакта убрать неподвижные контактные стойки, то мостик контакта сместится на некоторое расстояние, называемое провалом контакта.

На рис. 2.2б контакт показан в замкнутом положении и приведен график, поясняющий понятия «раствор» и «провал» контакта.

Когда контакт разомкнут (рис. 2.2а), контактная пружина в подвижном контактном узле контактной системы сжата на величину Δl_Н (м) относительно ее длины в свободном состоянии. Тем самым обеспечивается так называемое начальное контактное нажатие (сила нажатия)

(Н),

где с – жесткость контактной пружины (Н/м).

При замкнутом положении контакта, когда толкатель перемещен до верхнего упора (рис. 2.2б), сила нажатия возрастает до значения

за счет дополнительного сжатия пружины на величину Δl_К. Силу F_КК называют конечным контактным нажатием.

Раствор, провал, начальное нажатие, конечное нажатие являются основными параметрами электрического контакта. Зазор δ (0≤δ≤δ_p) и контактное нажатие F_K (0 ≤ F_K ≤ F_KK) являются входными управляющими воздействиями для коммутирующего контакта, так как его выходное воздействие на электрическую цепь, а именно, вносимое в цепь сопротивление R_K , зависит от этих параметров.

На рис. 2.3а показана структурная схема контактного узла и устройства, с которыми он взаимодействует (они показаны пунктирными линиями).

Действие подвижной части контактного узла ПКУ для замыкающего контакта КК иллюстрируется с помощью характеристик управления на рис. 2.3б. Величина сопротивления R_K зависит не только от нажатия F_K , но и от величины зазора δ в случае возникновения электрической дуги на контакте при δ>0 и F_K =0 (см. п. 2.4 и п. 2.5). Сопротивление R_K может принимать малое значение, когда зазор δ>0 и горит электрическая дуга.

Характеристика управления коммутирующего контакта КК (функция R_K от F_K и δ) зависит от коммутируемого им тока и падения напряжения на контакте. Ток и напряжение электрической цепи являются возмущающими воздействиями на КК. Действие этих возмущающих воздействий отображено пунктирной стрелкой на структурной схеме (рис. 2.3а).

Лекция № 3 Электрические контакты, режимы их работы

Контакт является одним из основных элементов электроаппаратуры, от конструктивного исполнения и состояния которого в значительной степени зависит надежность работы электроустановки.

Различают два основных вида контактных соединений: неподвижные – для жесткого соединения токоведущих частей и подвижные, контактные поверхности которых замыкают или размыкают электрические цепи.

Основным материалом для изготовления контактов является медь. Контакты, предназначенные для работы в ответственных установках с тяжелым режимом работы, имеют напаянные серебряные пластины.

Большое применение в качестве контактного материала, особенно в крановом электрооборудовании, нашла металлокерамика. Этот материал состоит из серебра с примесью 15% окиси кадмия и обозначается СОК – 15. Контакты из керамики обладают малым и стабильным электрическим сопротивлением, повышенным сопротивлением электрическому износу и привариванию при относительно больших значениях тока и небольших нажатиях на контакты. Сопротивление контакта обратно пропорционально силе нажатия.

Для медных контактов оптимальное значение усилия нажатия, обеспечивающее малую величину переходного сопротивления, составляет приблизительно (50-100) кг/см 2 .

При размыкании контактов под нагрузкой вследствие действия ЭДС самоиндукции и ионизации воздушного промежутка между контактами возможно возникновение электрической дуги, которая вызывает оплавление или подгорание контактов.

Для защиты контактов от действия дуги и сокращения времени ее действия применяют различные дугогасительные приспособления и устройства.

Гашение дуги может быть осуществлено с помощью роговых разрядников. При этом способе электрическая дуга под действием потока горячего воздуха, перемещающегося вверх, поднимается по расходящимся рогам, удлиняется, обрывается и гаснет.

Контакты часто размещают внутри асбоцементной камеры, которая охлаждает дугу и препятствует ее распространению на соседние камеры.

В стенках асбоцементной камеры часто устанавливают деионную решетку, состоящую из ряда изолированных друг от друга луженых стальных пластин. При размыкании контактов возникшая дуга индуцирует в пластинах вихревые токи. Созданный этими токами магнитный поток смещает дугу в сторону пластин, затягивает внутрь решетки, где дуга рассекается на мелкие части, быстро охлаждается и гаснет.

Для гашения дуги широко используют и другие способы: дугогасительные катушки, минеральное масло, сжатый воздух и др.

К режимам работы контактов относятся:

• включение цепи;
• контакты во включенном состоянии;
• отключение цепи.

В режиме включения цепи в контактных системах электрических аппаратов могут иметь место следующие процессы: вибрация контактов и эрозия на поверхности контактов. На рис. 3.1 показан процесс вибрации при включении контактов. В точке А контакты соприкоснулись и напряжение на них (U) стало равным нулю, а ток стал равным I. После касания подвижный контакт продолжает движение за счет инерции подвижных частей и деформации материала контактов. В точке В контакт останавливается и начинает двигаться в противоположную сторону за счет упругих сил, возникающих из-за деформации контактов. Этот процесс продолжается до точки С, в которой цепь разрывается, ток становится равным нулю, но контакт не останавливается, а продолжает движение по инерции до положения X. После этого подвижный контакт под действием пружины снова стремится замкнуться, и ток появляется в точке D. Таким образом, отброс контакта за счет упругих сил материала контакта равен X, а за счет сил инерции — X. За время tm контакты расходятся на расстояние, равное X– X. Если X> X, то вибрация контактов не приведет к их размыканию (после точки G). б а Рис. 3.1. Вибрация контактов при замыкании цепи: а – процесс вибрации контактов на активную нагрузку; б – зависимость контактного нажатия от перемещения подвижного контакта При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к сильному износу контактов из-за плавления и распыления материала контактов. В связи с этим принимают различные конструктивные решения для уменьшения вибрации. В процессе включения по мере приближения подвижного контакта к неподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами. При определенном расстоянии между контактами произойдет пробой межконтактного зазора. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами. Электрическая дуга при пробое не возникает, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом – анод, и его материал переходит на катод, откладываясь на нем в виде тонких игл. Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом, или эрозией. Эрозия при замыкании контактов невелика, но при малых нажатиях и малых межконтактных зазорах она может привести к их привариванию. Во включенном состоянии контактов рассматриваются два режима: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток короткого замыкания. Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе I падение напряжения на переходном сопротивлении R было меньше падения напряжения в контакте для точки размягчения материала, т. е. . (3.1) Вероятность приваривания контактов зависит от их конструкции и от всей токоведущей цепи аппарата. Электродинамические силы, действующие между токоведущими деталями, используют для повышения электродинамической стойкости контактов. Так, например, при кинематической схеме аппарата представленной на рис. 3.2,а контактная пружина должна создавать усилие 2, которое можно рассчитать по формуле: , (3.2) где — ток электродинамической стойкости (амплитуда ударного тока), А; — контактное нажатие (усилие), Н; — эмпирический коэффициент. а б Рис. 3.2. Использование ЭДУ контура для повышения динамической стойкости контактов При кинематической схеме (рис. 3.2, б) электродинамическое усилие (ЭДУ), действующее на перемычку, позволяет выбрать контактную пружину с меньшим усилием нажатия. В режиме отключения цепи высокая температура приводит к интенсивному окислению и распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов. Износ, связанный с окислением и образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом, или коррозией. Перенос материала с одного электрода на другой наиболее вреден при постоянном токе. Направление переноса в этом случае постоянно, что ведет к быстрому выходу из строя контактов. Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией, а в обратную сторону – отрицательной. Мерой эрозии является потеря массы и объема контакта. Для борьбы с эрозией контактов на токи от 1 до 600 A принимаются следующие меры:

• сокращение длительности горения дуги с помощью дугогасительных устройств (ДУ);
• устраняются вибрации контактов;
• применяются дугостойкие материалы контактов.

9 Классификация электрических контактов. Контактная поверхность и контактное сопротивление

Электрический контакт – соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются также контактами или контакт-деталями.

Классификация электрических контактов

Виды контактных соединений, наиболее часто встречающиеся в электрических аппаратах, классифицируются по различным признакам. По виду соединения электрические контакты могут быть:

• взаимонеподвижные: разъёмные (болтовое соединение); неразъёмные (сварные, паяные, напылённые);
• взаимоподвижные: неразмыкающиеся – предназначенные для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижные или наоборот: гибкие связи типа «косичка», щёточные скользящие, жидкометаллические, роликовые;
• размыкающиеся – расходящиеся в процессе работы: мостиковые контакты, розеточные контакты, пальцевые или ножевые, с плоскими пружинами (рис. 2.1).

Контактная поверхность и контактное сопротивление

Для выяснения сущности явления электрического контакта рас­смотрим механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам. Обычно, для обеспечения надежного протекания электрического тока, контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия. Эта сила может создаваться при затяжке болтов, при обжатии контактного наконеч­ника на конце провода или кабеля или из-за деформации пружин контактной системы. При этом мик­ровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируют­ся; в соприкосновение могут прийти другие выступы и они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Контакт твёрдых тел

Давление в разных точках поверхности контактных площадок в общем случае не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации. Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках, а при сжатии их силой — по отдельным площадкам. Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называ­ется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации микровыступов, которые воспринимают усилие. Эта часть кон­тактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей усилие.

Рассмотрим однородный линейный проводник постоянного попе­речного сечения (рис. 2.3), по которому протекает постоянный ток I. Между точками а и б, находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U₁. Тогда активное сопротивление участка проводника R₁ = U₁/I.

Рис. 2.3. К определению переходного сопротив­ления контактов: а — проводник;

б — проводник с контактом.

Разрежем проводник в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой Р. При протекании того же тока I получим разность потенциалов между точками а и б равную U₂ и отличную от разности потенциалов U₁. В этом опыте сопротивление R₂ = U₂/I. Разность сопротивлений R_пер = R₂ – R₁ называется переходным сопротивлением контакта.

Переходное сопротивление контакта зависит от обработки поверхности. Шлифовка ведёт к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов затруднено, поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Материалы, используемые для изготовления электрических контактов

От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надежность работы.

Требования, предъявляемые к материалам контактных соединений:

2. Стойкость против коррозии.

3. Стойкость против образования пленок с высоким r.

4. Малая твердость материала, для уменьшения силы нажатия.

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

7. Высокая дугостойкость (температура плавления).

8. Высокое значение тока и напряжения, необходимые для дугообразования.

9. Простота обработки и низкая стоимость.

Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям.

Для контактных соединений применяются следующие материалы:

Медь. Удовлетворяет почти всем перечисленным выше требованиям, за исключением коррозионной стойкости. Оксиды меди имеют низкую проводимость. Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях применяют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей.

В коммутирующих контактах медь применяется при нажатиях свыше 3 Н для всех режимов работы, кроме продолжительного. Для продолжительного режима медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по борьбе с окислением рабочих поверхностей. Медь может использоваться и для дугогасительных контактов. При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение медных контактов не рекомендуется.

Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Оксиды серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро используется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы. В контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей).

Серебро обычно применяется в виде накладок — вся деталь выполняется из меди или другого материала, на который приваривается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность.

Алюминий. По сравнению с медью обладает значительно меньшими проводимостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую оксидную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может использоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью.

Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алюминия, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нарушится (не следует завышать контактное нажатие). Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют оксидных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление.

Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой температуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и сплавы вольфрам — молибден, вольфрам — платина, и другие применяются при малых токах для контактов с большой частотой размыкания. При средних и больших токах они используются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.

Температуры плавления различных проводниковых материалов

Металлокерамика — механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью.

Наиболее распространенными композициями металлокерамики являются: серебро — вольфрам, серебро — молибден, серебро — никель, серебро оксид кадмия, серебро — графит, серебро — графит — никель, медь — вольфрам, медь — молибден и др. Применяется металлокерамика для дугогасительных контактов (композиции с серебром в основном для переменного тока) на средние и большие отключаемые токи, а также для главных контактов на номинальные токи до 600 А.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика