Perfekt elektrisk kontakt, påverkan av materialegenskaper, tryck och dimensioner på kontaktresistans

Fasta kontakter görs i de flesta fall genom mekanisk anslutning av ledningar, och anslutningen kan göras antingen genom direkt anslutning av ledningar (till exempel bussar i elektriska transformatorstationer) eller av mellanliggande enheter - klämmor och terminaler.

Mekaniskt formade kontakter anropas åtdragningoch de kan monteras eller demonteras utan att störa deras enskilda delar. Förutom klämkontakter finns det fasta kontakter som erhålls genom lödning eller svetsning av de anslutna ledningarna. Vi kallar sådana kontakter all metall, eftersom de inte har någon fysisk gräns som avgränsar de två ledningarna.

Tillförlitligheten hos kontakterna i drift, motståndets stabilitet, frånvaron av överhettning och andra störningar bestämmer den normala driften av hela installationen eller linjen där det finns kontakter.

Den så kallade ideala kontakten måste uppfylla två huvudkrav:

• kontaktresistansen måste vara lika med eller lägre än ledarens resistans i en sektion av samma längd;
• kontaktuppvärmning med märkström måste vara lika med eller lägre än uppvärmningen av en tråd med motsvarande tvärsnitt.

År 1913 utvecklade Harris fyra lagar som styr elektriska kontakter (Harris F., Resistance of Electrical Contacts):

1. Alla andra förhållanden är lika, spänningsfallet i kontakten ökar i direkt proportion till strömmen. Med andra ord, kontakten mellan två material uppträder som ett motstånd.

2. Om tillståndet på ytorna i kontakten inte har någon effekt, varierar spänningsfallet över kontakten omvänt med trycket.

3. Kontaktresistansen mellan olika material beror på deras specifika motstånd. Material med låg resistivitet har också lågt kontaktmotstånd.

4. Motståndet hos kontakterna beror inte på storleken på deras yta, utan beror endast på det totala trycket i kontakten.

Kontaktytans storlek bestäms av följande faktorer: kontakternas värmeöverföringsförhållanden och korrosionsbeständighet, eftersom en kontakt med en liten yta kan förstöras genom inträngning av frätande ämnen från atmosfären lättare än en kontakt med en stor anliggningsyta.

Därför är det vid design av klämkontakter nödvändigt att känna till normerna för tryck, strömtäthet och storlek på kontaktytan, som säkerställer överensstämmelse med kraven för en ideal kontakt och som kan vara olika beroende på material, ytbehandling och kontakt design.

Kontaktmotståndet påverkas av följande materialegenskaper:

1.Materialets specifika elektriska resistans.

Ju högre kontaktresistans, desto högre specifik resistans för kontaktmaterialet.

2. Materialets hårdhet eller tryckhållfasthet. Det mjukare materialet deformeras lättare och etablerar kontaktpunkter snabbare och ger därför mindre elektriskt motstånd vid lägre tryck. I denna mening är det användbart att täcka hårda metaller med mjukare: tenn för koppar och mässing och tenn eller kadmium för järn.

3. Koefficienter för termisk expansion Det är också nödvändigt att ta hänsyn till, eftersom på grund av deras skillnad mellan materialet i kontakterna och till exempel bultar, kan ökade spänningar uppstå, vilket orsakar plastisk deformation av den svagare delen av kontakten och dess förstörelse med en minskning av temperaturen .

Mängden kontaktresistans bestäms av antal och storlek på punktkontakterna och beror (i varierande grad) på kontakternas material, kontakttrycket, behandlingen av kontaktytorna och storleken på kontaktytorna.

På kortslutningar temperaturen i kontakterna kan stiga så mycket att på grund av den olikformiga värmeutvidgningskoefficienten för materialet i bultarna och kontakten kan påkänningar över materialets elastiska gräns uppstå.

Detta kommer att orsaka lossning och förlust av kontakttäthet. Därför, vid beräkning, är det nödvändigt att kontrollera för ytterligare mekaniska spänningar i kontakten orsakade av kortslutningsströmmar.

Koppar börjar oxidera i luft vid rumstemperatur (20 - 30 °).Den resulterande oxidfilmen, på grund av sin ringa tjocklek, utgör inte ett särskilt hinder för bildandet av en kontakt, eftersom den förstörs när kontakterna komprimeras.

Till exempel visar kontakter som exponerats för luft i en månad före montering endast 10 % mer motstånd än nytillverkade kontakter. Stark oxidation av koppar börjar vid temperaturer över 70 °. Kontakterna, som hölls i cirka 1 timme vid 100 °, ökade deras motstånd 50 gånger.

En ökning av temperaturen accelererar signifikant oxidationen och korrosionen av kontakter på grund av att diffusionen av gaser i kontakten accelereras och reaktiviteten hos korrosiva ämnen ökar. Växlingen mellan uppvärmning och kylning främjar penetration av gaser i kontakt.

Det fastställdes också att under långvarig uppvärmning av kontakterna med ström observeras en cyklisk förändring i deras temperatur och motstånd. Detta fenomen förklaras av successiva processer:

• oxidation av koppar till CuO och ökning av motstånd och temperatur;
• med brist på luft, övergången från CuO till Cu2O och minskande motstånd och temperatur (Cu2O leder bättre än CuO);
• ökad lufttillgång, nybildning av CuO, ökat motstånd och temperatur m.m.

På grund av den gradvisa förtjockningen av oxidskiktet observeras så småningom en ökning av kontaktmotståndet.

Närvaron av svaveldioxid, vätesulfid, ammoniak, klor och syraångor i atmosfären har en mycket starkare effekt på kontakt med koppar.

I luften täcks aluminium snabbt med en tunn, mycket motståndskraftig oxidfilm. Användningen av aluminiumkontakter utan att ta bort oxidfilmen ger hög kontaktmotstånd.

Avlägsnande av filmen vid normala temperaturer är endast möjligt mekaniskt, och rengöring av kontaktytan måste utföras under ett lager av vaselin för att förhindra att luft når den rengjorda ytan. Aluminiumkontakter behandlade på detta sätt ger lågt kontaktmotstånd.

För att förbättra kontakten och skydda mot korrosion rengörs kontaktytorna vanligtvis med vaselin för aluminium och tenn för koppar.

Vid utformning av klämmor för anslutning av aluminiumtrådar är det nödvändigt att ta hänsyn till egenskapen hos aluminium att "krympa" över tiden, vilket leder till att kontakten försvagas. Med hänsyn till denna egenskap hos aluminiumtrådar är det möjligt att använda speciella terminaler med en fjäder, på grund av vilken det nödvändiga kontakttrycket upprätthålls i anslutning hela tiden.

Kontakttrycket är den viktigaste faktorn som påverkar kontaktmotståndet. I praktiken beror kontaktmotståndet huvudsakligen på kontakttrycket och i mycket mindre utsträckning på kontaktytans behandling eller storlek.

En ökning av kontakttrycket orsakar:

• minskning av kontaktmotstånd:
• förlustminskning;
• tät sammanfogning av kontaktytorna, vilket minskar oxidationen av kontakterna och därmed gör anslutningen mer stabil.

I praktiken används vanligtvis det normaliserade kontakttrycket, där kontaktresistansstabilitet uppnås. Sådana optimala kontakttryckvärden är olika för olika metaller och olika tillstånd på kontaktytorna.

En viktig roll spelar kontaktdensiteten över hela ytan, för vilken de specifika trycknormerna måste upprätthållas oavsett storleken på kontaktytan.

Behandlingen av kontaktytorna ska säkerställa att främmande filmer tas bort och ge maximal punktkontakt när ytorna är i kontakt.

Att täcka kontaktytorna med en mjukare metall, såsom förtenningskoppar eller järnkontakter, gör det lättare att uppnå bra kontakt vid lägre tryck.

För aluminiumkontakter är den bästa behandlingen att slipa kontaktytan med sandpapper under vaselin. Vaselin är nödvändigt eftersom aluminium i luft mycket snabbt blir täckt med en oxidfilm, och vaselin förhindrar luft från att nå den skyddade kontaktytan.

Ett antal författare menar att kontaktresistansen endast beror på det totala trycket i kontakten och inte beror på kontaktytans storlek.

Detta kan föreställas om, till exempel, med en minskning av kontaktytan, ökningen av kontaktmotståndet på grund av en minskning av antalet kontaktpunkter kompenseras av en minskning av motståndet på grund av att de plattas ut på grund av en ökning av den specifika kontakttryck.

En sådan ömsesidig kompensation av två motsatt riktade processer kan endast ske i undantagsfall. Många experiment visar att när kontaktlängden minskar och vid ett konstant totaltryck ökar kontaktmotståndet.

Med den halverade kontaktlängden uppnås motståndsstabilitet vid högre tryck.

Minskningen av kontaktuppvärmning vid en given strömtäthet underlättas av följande egenskaper hos kontaktmaterialet: lågt elektriskt motstånd, hög värmekapacitet och värmeledningsförmåga, samt en hög förmåga att utstråla värme på kontakternas yttre yta.

Korrosion av kontakter gjorda av olika metaller är mycket intensivare än kontakter gjorda av samma metaller.I detta fall bildas ett elektrokemiskt makroelement (metall A - våtfilm - metall B), som är en galvanisk cell. Här, liksom vid mikrokorrosion, kommer en av elektroderna att förstöras, nämligen den del av kontakten som består av en mindre ädel metall (anod).

I praktiken kan det finnas fall av anslutningstrådar bestående av olika metaller, till exempel koppar med aluminium. En sådan kontakt, utan särskilt skydd, kan korrodera den mindre ädla metallen, dvs aluminium. Faktum är att aluminium i kontakt med koppar är mycket frätande, så direkt bindning i kontakt mellan koppar och aluminium är inte tillåtet.