Какие бывают контакты в электрике

Электрические контакты: принцип работы, типы, защита контактов

Известны 3 разновидности контактов: неразъемный контакт (соединение двух шин болтом), скользящий (с помощью реостата) и коммутирующий.

По форме контакты бывают

• точеные, они, в основном, используются для малых токов, при этих контактах происходит небольшое нажатие, а для того, чтобы уменьшить сопротивление контактов, применяются не окисляющиеся драгоценные металлы;
• линейные, с большой степенью нажатия и контактированием по линии, для производства этих контактов используется медь;
• поверхностные, применяются с большой степенью нажатия для контактирования при больших токах между двух поверхностей.

Электрические контакты также бывают подвижные и неподвижные.

• Подвижные контакты в процессе работы замыкаются, соединяясь между собой, либо размыкаются, разъединяясь с помощью механического или электромеханического привода, при этом устройства между собой остаются надежно скреплены.

В процессе работы неподвижных контактов, токоведущие надежно и плотно соединенные между собой элементы не перемещаются друг относительно друга.

Чтобы создать замкнутую электрическую цепь, нужно произвести несколько контактов.

Одним из примеров подвижного контакта является устройство рычажного контакта, рассчитанное на средние и большие токи, в котором в качестве материала применяется медь.

• Шарнирный контакт, где неподвижный элемент и подвижный элемент соединяются между собой с помощью силы, воздействующей на рычаг, может служить еще одним примером подвижного контакта.
• Скользящие контакты — это еще одна разновидность подвижных контактов, у которых, как и в щеточноколлекторном устройстве электрических машин постоянного тока, один элемент перемещается относительно других.

Также к подвижным контактам можно отнести герметизированные магнитоуправляемые контакты или герконы, простейший пример которых представляет собой запаянную стеклянную колбу миниатюрного размера, с двумя плоскими впаянными контактными пружинами, состоящими из мягкой магнитной стали.

Если эти герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) поместить в созданное обмоткой или постоянным магнитом магнитное поле, то их пружины будут намагничиваться и затем притягиваться друг к другу.

В это время происходит замыкание контактов и, как следствие, может замкнуться электрическая цепь. Контакты из-за силы упругости пружин разомкнутся только после полного исчезновения магнитного поля. Поверхности пружин на контактах покрываются тонким слоем драгоценного металла, имеющего малое удельное электрическое сопротивление (платина, золото, серебро).

С помощью герконов можно производить коммутации в электрических цепях при малых значениях тока от 0,5 до 1А. Колбу геркона вакуумируют или заполняют инертным газом.

Элементы геркона имеют малую массу и высокое быстродействие контактов от 0,5 до 1,0 мс.

Износоустойчивость — это самое важное из свойство герконов. У некоторых видов герконов количество переключений может достичь до двух тысяч в секунду, а срабатываний до сотен миллионов.

Герсиконы — это герметические магнитоуправляемые силовые контакты, являющиеся разновидностью герконов, которые позволяют произвести коммутации в электрических цепях при значениях тока 60А, 100А или 180А и при напряжении 220 440В.

Интересное видео о физике электрических контактов смотрите ниже:

Применение в технике связи.

Часто «сухие контакты» устанавливаются на регенераторах проводных систем передач. К контактам подключают датчик открытия помещения НРП (не обслуживаемый регенерационный пункт), датчик подтопления и др. Системы передачи обеспечивают отображение сигналов на соответствующих узловых пунктах с дальнейшей их обработкой — запись в журнал, звуковое оповещение для выезда аварийной бригады и прочее.

Зачем нужен сухой контакт?

Многие спрашивают — зачем было выдумывать отдельный термин, использовать такую запутанную схему с обработкой событий именно по сигналу тупа сухой контакт, да и просто, какая от него польза?

Ответ на эти вопросы достаточно прост, именно из-за того, что сухие контакты сами не обладают никакой формой сигнала, а лишь коммутируют то, что к ним подключают – позволяет управлять широчайшим спектром оборудования, не зависимо от используемых интерфейсов и параметров данных приборов. Именно поэтому второе, менее распространённое название у сухого контакта – безпотенциальный контакт.

Электрическое сопротивление контактов

Работу контактов определяет переходное электрическое сопротивление, которое зависит от площади контактирования. Чтобы уменьшить переходное сопротивление контактов, необходимо увеличить силу прижатия контактов.

В зависимости от силы переходного сопротивления, ток в цепи, вызывает нагрев контактов, который, в свою очередь, способствует увеличению переходного сопротивления и приводит к еще большему нагреву.

Таким образом достигается допустимый максимум рабочей температуры, находящийся в пределах от 100 до 120°С. По мере увеличения значения номинального тока коммутирующего аппарата, контактное переходное сопротивление должно уменьшаться с помощью повышения контактного нажатия, при этом обязательно необходимо увеличить поверхность охлаждения.

Состав материала из которого изготавливают токоведущие элементы контактов содержит материалы с минимальным удельным электрическим сопротивлением — серебро, медь или металлокерамические композиции.

Искрение на контактах и электрическая дуга

При значительных напряжениях и токах во время размыкания электрической цепи, между расходящимися контактами, образуется электрический разряд. В это же время, в площадке контактирования, при расхождении контактов происходит резкий рост переходного сопротивления и разогрев контактов до их расплавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла.

В результате высокой температуры, контакты могут разогреваться и рваться, при этом металл контактов испаряется, а между контактами образуется ионизирующий проводящий воздушный промежуток, в котором под воздействием высокого напряжения, возникает электрическая дуга, которая снижает быстродействие коммутационного аппарата и способствует дальнейшему разрушению контактов.

Чтобы прекратить появление дуги, нужно увеличить сопротивление в цепи с помощью увеличения расстояния между контактами, или применить специальные меры для ее погашения.

Разрывная или коммутируемая мощность контактов — это произведение предельных значений тока и напряжения в цепи, при которых на минимальном расстоянии, между контактами электрическая дуга не образуется.

Электрическая дуга гаснет, когда в цепях переменного тока мгновенное значение тока достигнет нуля и может вновь появиться, если напряжение на контактах будет расти быстрее, чем произойдет восстановление электрической прочности промежутка между контактами.

В любом случае, в цепи переменного тока дуга неустойчива, а разрывная мощность контактов выше в несколько раз, чем в цепи постоянного тока.

В маломощных электрических аппаратах электрическая дуга на контактах появляется редко, но очень часто происходит опасное для чувствительных аппаратов искрение или пробой изоляционного промежутка. Пробой образуется в слаботочных цепях во время быстрого размыкания контактов и может привести к ложным отключениям и значительно сокращает срок службы контактов. С целью уменьшения искрения, применяются устройства искрогашения.

Ещё одно интересное видео об электрических контактах:

Ремонт контактного соединения

Контактное соединение допускается зачищать напильником или надфилем с номером не ниже 2. На месте контактных соединений делают надпайки из мягких сплавов.

Время от времени контактную поверхность очищают от оксидной пленки. Для этого используются:

1. Надфиль 2 номера и ниже.
2. Рубильник. Когда включаем, то нож замыкает и сдирает оксидную пленку. Но рубильник не рассчитан на частое использование, поэтому нельзя делать это часто.
3. Применение флюсов.

Согласно нормам, переходное сопротивление контактов должно быть не более чем на 10% больше сопротивления для такого же размера прямого участка проводника.

Сделанное контактно соединение не должно уменьшать механическую прочность жилы. Нельзя ломать, сверлить и срезать провод. А также должно иметь запас на повторное соединение. И не должно создавать гальванической пары.

Алюминий с медью соединять запрещено!

Минимум соединяется через болтовой соединение, разделяя проводники гайкой. Подключение более двух жил не допускается. И рекомендуем поставить гравер, чтобы защитить от ослабления контакта.

Алюминий обладает свойством текучести при температурном воздействии, поэтому время от времени необходимо их подтягивать. Желательно раз в год.

Устройства искро- и дугогашения

Самый эффективный способ для гашения электрической дуги — это ее охлаждение с помощью соприкосновения с изоляционными стенками специальных камер, которые отбирают теплоту дуги или за счет ее перемещения в воздухе.

В современных аппаратах широкое распространение получили дугогасительные камеры с узкой щелью и магнитным дутьем.

Дугу можно рассматривать как проводник с током; если его поместить в магнитное поле, то возникнет сила, которая вызовет перемещение дуги. При своем движении дуга обдувается воздухом; попадая в узкую щель между двумя изоляционными пластинами, она деформируется и вследствие повышения давления в щели камеры гаснет (рис. 2.4).

Щелевая камера образована двумя стенками 1, выполненными из изоляционного материала. Зазор между стенками очень мал. Катушка 4, включенная последовательно с главными контактами 5, возбуждает магнитный поток Ф, который направляется ферромагнитными наконечниками 2 в пространство между контактами. В результате взаимодействия дуги и магнитного поля появляется сила F, вытесняющая дугу к пластинам 7.

Эта конструкция дугогасительной камеры применяется и на переменном токе, так как с изменением направления тока изменяется направление потока Ф, а направление силы F остается неизменным.

Для уменьшения искрения на маломощных контактах постоянного тока применяют включение диода параллельно нагрузочному устройству (рис. 2.5). При этом цепь после коммутации (после отключения источника) замыкается через диод, таким образом уменьшается энергия искрообразовния.

Контакты в электроустановках и электрических аппаратах

Места соединения отдельных элементов, составляющих любую электрическую цепь, называются электрическими контактами .

Электрический контакт — соединение проводников, позволяющее проводить электрический ток. Проводники тока, образующие контакт, называются контактными телами или контактами положительными и отрицательными в зависимости от того, с каким полюсом источника тока они соединены.

Слово «контакт» означает «соприкосновение», «касание». В электрической системе, объединяющей различные аппараты, машины, линии и т. д., для их соединения используется огромное число контактов. От качества контактных соединений в значительной степени зависит надежность работы оборудования и системы.

Классификация электрических контактов

Электрические контакты бывают неподвижные и подвижные. Неподвижные контакты — разного рода разъемные и неразъемные, предназначены для длительного соединения проводников. Разъемные контакты осуществляются зажимами, болтами, винтами и т. п., неразъемные — пайкой, сваркой или клепкой. Подвижные контакты делятся на разрывные (контакты реле, кнопок, выключателей, контакторов и т. п.) и скользящие (контакты между коллектором и щетками, контакты коммутаторов, потенциометров и т. п.).

Простейший вид электрического контакта — контактная пара. Сложным видом контакта является, например, контакт, образующий двойное параллельное замыкание цепи или двойное последовательное замыкание (последний называется мостиковым). Контакт, переключающий цепь при срабатывании аппарата, называется переключающим. Переключающий контакт, разрывающий цепь в момент переключения, называется перекидным, а не разрывающий цепь в момент переключения — переходным.

В зависимости от формы электрические контакты делятся на:

точечные (острие — плоскость, сфера — плоскость, сфера — сфера), которые обычно используются в чувствительных приборах и реле, коммутирующих незначительные нагрузки;

линейные — имеют место при соприкосновении контактов в виде цилиндрических тел и при щеточных контактах;

плоскостные — в сильноточной коммутационной аппаратуре.

Контакты крепятся обычно на плоских пружинах, т. н. контактных (из нейзильбера, фосфористых и бериллиевых бронз и, реже, стали), к которым предъявляются высокие требования с точки зрения постоянства их механических качеств в течение всего срока службы аппарата, исчисляемого часто десятками и более млн. циклов. Выполненный в виде отдельного блока набор пружин, которые переключаются одновременно, образует контактную группу (или пакет).

Особенности работы электрических контактных соединений

Соприкосновение контактов происходит не по всей поверхности, а лишь в отдельных точках вследствие шероховатостей на поверхности контакта при любой точности ее обработки. Практически независимо от вида контактов соприкосновение контактных элементов всегда происходит по небольшим площадкам.

Объясняется это тем, что поверхность контактных элементов не может быть идеально ровной. Поэтому практически при сближении контактных поверхностей сначала в соприкосновение приходят несколько выступающих вершин (точек), а затем но мере увеличения давления происходит деформация материала контактов и эти точки превращаются в небольшие площадки.

Линии электрического тока, проходя от одного контакта к другому, стягиваются к этим точкам соприкосновения. Поэтому контакт вносит в коммутируемую им цепь некоторое дополнительное контактное сопротивление Rк.

Если поверхность контакта покрыта пленкой, то R к увеличивается. Однако очень тонкие пленки (до 50 А) не оказывают влияния на сопротивление контакта вследствие туннельного эффекта. Более толстые пленки могут разрушаться под влиянием контактного усилия или приложенного напряжения.

Электрический пробой пленок на контакте называется фриттингом. Если пленки не разрушены, то R к в основном определяется сопротивлением пленок. Сразу после зачистки контакта, а также при достаточных контактном усилии и напряжении в цепи контакта его сопротивление определяется главным образом сопротивлением областей стягивания.

Переходное сопротивление — один из основных параметров качества электрических контактов , так как оно характеризует количество энергии, поглощаемой в контактном соединении, которая переходит в теплоту и нагревает контакт. На переходное сопротивление могут оказывать сильное влияние способ обработки контактных поверхностей и их состояние. Например, быстро образующаяся пленка окиси на алюминиевых контактах может значительно увеличить переходное сопротивление.

При прохождении тока через контакты они нагреваются, причем наиболее высокая температура наблюдается на контактной поверхности из-за наличия переходного сопротивления. В результате нагрева контакта увеличивается удельное сопротивление материала контакта и соответственно переходное сопротивление.

Кроме того, повышение температуры контакта способствует образованию окислов на его поверхности , что в еще более значительной степени увеличивает переходное сопротивление. И хотя при повышении температуры материал контакта может несколько размягчаться, что связано с увеличением поверхности соприкосновения, в целом этот процесс может привести к разрушению контактов или их свариванию. Последнее, например, для размыкаемых контактов весьма опасно, так как в результате аппарат с этими контактами не сможет отключить цепь. Поэтому для разных типов контактов установлена определенная предельно допустимая температура при длительно протекающем через них токе .

Для уменьшения нагрева можно увеличить массу металла контактов и их охлаждаемую поверхность, что усилит теплоотвод. Чтобы снизить переходное сопротивление, необходимо повысить контактное давление, выбрать соответствующий материал и тип контактов.

Например, размыкаемые контакты, предназначенные для работы на открытом воздухе, рекомендуется изготавливать из материалов, слабо поддающихся окислению, или покрывать их поверхность антикоррозийным слоем. К таким материалам относится, в частности, серебро, которым можно покрыть контактные поверхности.

Медные неразмыкаемые контакты можно лудить (луженая поверхность труднее поддается окислению). Для тех же целей используют покрытие контактных поверхностей смазкой, например, вазелином. Хорошо предохраняются от коррозии без других специальных мер контакты, погруженные в масло. Это используется в масляных выключателях.

Работа любого электрического состоит из 4 этапов — разомкнутое состояние, замыкание, замкнутое состояние и размыкание, каждый из которых оказывает влияние на надежность контактирования.

В разомкнутом состоянии на электрический контакт воздействует внешняя среда и в результате на их поверхности образуются пленки.

В замкнутом состоянии, когда контакты прижаты друг к другу и через них проходит ток, они разогреваются и деформируются; при некоторых условиях, если контакты перегреются, может наступить сваривание.

При замыкании и размыкании контактов происходят мостиковые или разрядные явления, сопровождающиеся испарением и переносом металла контакт., изменяющим его поверхность. Кроме того, возможен механический износ контактов в результате ударов и скольжения друг по другу.

По мере сближения контактов на очень малых расстояниях, даже при сравнит, небольших напряжениях источника питания, градиент поля становится настолько большим, что электрическая прочность промежутка нарушается и наступает пробой. Если же на поверхности контактов имеются посторонние частицы, в особенности содержащие углерод, то при их соприкосновении происходит испарение и создаются условия для разряда.

Размыкание является обычно самым тяжелым этапом работы электрического контакта В зависимости от параметров цепи (R, L и С) и величины приложенного напряжения при размыкании возникают явления, вызывающие износ контактов. Если напряжение цепи больше напряжения U пл, при котором металл контактов плавится, то, т. к. при их расхождении уменьшается контактное усилие и, следовательно, площадь соприкосновения, будут расти сопротивление и температура.

Когда температуpa превысит точку плавления металла, между контактными поверхностями возникнет расплавленный металлический мостик, который постепенно растягивается и затем в наиболее горячем месте разрывается. Высокая температуpa при разрыве мостика облегчает возникновение разряда.

Самостоятельно мостик существует только в омических цепях при напряжениях источника питания ниже напряжения дугообразования. Если же в цепи имеется индуктивность, то вызываемые ею перенапряжения в момент разрыва тока способствуют возникновению при токах ниже токов дугообразования искры, а при токах выше токов дугообразования — дуги. Т. к. индуктивность в цепи имеется почти всегда, то мостики в большинстве случаев сопровождаются разрядом. Минимальное напряжение возникновения искры па электрическом контакте — 270—300 В.

Контакты любого типа должны обеспечить не только длительную работу без недопустимого перегрева в условиях нормального режима, но также и требуемую термическую и электродинамическую стойкость в режиме короткого замыкания. Подвижные размыкаемые контакты не должны также разрушаться под действием высокой температуры электрической дуги, которая образуется при их размыкании, и надежно замыкаться без приваривания и оплавления при включении на короткое замыкание. Рассмотренные выше меры способствуют также выполнению и этих требований.

Особенно хорошо сопротивляются разрушающему действию электрической дуги контакты из металлокерамики , которая представляет собой смесь измельченных порошков меди с вольфрамом или с молибденом и серебра с вольфрамом.

Такое соединение обладает одновременно хорошей электропроводностью вследствие использования меди или серебра и высокой температурой плавления благодаря использованию вольфрама или молибдена.

Есть и другой путь для устранения существующего противоречия, заключающегося в том, что материалы, обладающие хорошей электропроводностью (серебро, медь и др.), имеют, как правило, относительно низкую температуру плавления, а тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден) — низкую электропроводность. Это — использование двойной контактной системы , состоящей из параллельно включенных рабочих и дугогасительных контактов.

Рабочие контакты выполняют из материала с высокой электропроводностью, а дугогасительные контакты — из тугоплавкого материала. В нормальном режиме, когда контакты замкнуты, основная часть тока протекает через рабочие контакты.

При отключении цепи первыми размыкаются рабочие контакты, а затем дугогасительные. Поэтому фактически цепь разрывают дугогасительные контакты, для которых не представляет большой опасности даже ток короткого замыкания (при значительных токах короткого замыкания дополнительно используют специальные дугогасительные устройства).

При включении цепи сначала замыкаются дугогасительные контакты, а затем уже рабочие. Таким образом, рабочие контакты фактически полного разрыва или замыкания цепи не осуществляют. Это исключает опасность их оплавления и сваривания.

Для устранения возможности самопроизвольного размыкания контактов от электродинамических усилий при протекании токов короткого замыкания контактные системы конструируют так, чтобы электродинамические усилия при этих условиях обеспечивали дополнительное контактное давление, а для предотвращения возможного оплавления и сваривания контактов в момент включения цепи на короткое замыкание — ускоренное включение.

Для того чтобы при этом устранить опасность значительного упругого удара контактных поверхностей, используют предварительное нажатие контактов специальными пружинами . В этом случае обеспечивается и большая скорость включения, и устранение возможной вибрации, так как пружина заранее сжата и после касания контактов сила нажатия начинает нарастать не с нуля, а с некоторого определенного значения. режима, но также и требуемую термическую и электродинамическую стойкость в режиме короткого замыкания.

Подвижные размыкаемые контакты не должны также разрушаться под действием высокой температуры электрической дуги, которая образуется при их размыкании, и надежно замыкаться без приваривания и оплавления при включении на короткое замыкание. Рассмотренные выше меры способствуют также выполнению и этих требований.

Особенно хорошо сопротивляются разрушающему действию электрической дуги контакты из металлокерамики, которая представляет собой смесь измельченных порошков меди с вольфрамом или с молибденом и серебра с вольфрамом.

Такое соединение обладает одновременно хорошей электропроводностью вследствие использования меди или серебра и высокой температурой плавления благодаря использованию вольфрама или молибдена.

Основные конструкции контактов в электроустановках и электрических аппаратах

Конструкция неподвижных (жестких) неразмыкаемых контактных соединений должна обеспечивать надежное прижатие контактных поверхностей и минимальное переходное сопротивление. Шины лучше соединять несколькими болтами меньшего диаметра, чем одним большим, так как при этом обеспечивается большее число точек соприкосновения. При стягивании шин накладками переходное сопротивление ниже, чем при использовании сквозных болтов, когда в шинах требуется сверлить отверстия. Высокое качество контактного соединения дает сварка шин.

Подвижные размыкаемые контакты — основной элемент коммутационных аппаратов . В дополнение к общим требованиям для всех контактов они должны обладать дугостойкостью, способностью надежно включать и отключать цепь при коротком замыкании, а также выдерживать определенное число операций включения и отключения без механических повреждений.

Простейший контакт этого типа — рубящий плоский. При включении подвижный нож входит между неподвижными пружинящими губками. Недостаток такого плоского контакта заключается в том, что соприкосновение контактирующих поверхностей получается в нескольких точках из-за неровностей этих поверхностей.

Для получения линейного контакта на полосах ножа штампуют полуцилиндрические выступы, а для увеличения нажатия полосы сжимаются стальной пружинящей скобой. Контакты рубящего типа используют чаще всего в рубильниках и разъединителях.

Контактная часть пальцевого самоустанавливающегося контакта выполнена в виде пальцев, у пластинчатого — в виде пластин, у торцового — в виде плоского наконечника, у розеточного — в виде ламелей (сегментов), у щеточного — в виде щеток, набранных из упругих, тонких медных или бронзовых пластин.

Указанные контактные части (детали) в ряде конструкций могут изменять в ограниченных пределах свое положение относительно неподвижных контактов. Для их надежного электрического соединения предусматриваются гибкие токоведущие связи.

Упругость размыкающих контактов и необходимая сила давления достигаются обычно при помощи пластинчатых или спиральных пружин.

Пальцевые и розеточные контакты применяют в аппаратах напряжением выше 1000 В на различные токи в качестве рабочих и дугогасительных контактов, а пластинчатые — в качестве рабочих. Торцовые контакты применяют на напряжение 110 кВ и выше, на токи не более 1 — 1.5 кА в качестве рабочих и дугогасительных. Щеточные контакты используют в аппаратах на различные напряжения и значительные токи, но только в качестве рабочих контактов, так как электрическая дуга может повредить сравнительно тонкие пластинки щеток.

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

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

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.

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).

Электрические контакты: принцип работы, типы, защита контактов

Известны 3 разновидности контактов: неразъемный контакт (соединение двух шин болтом), скользящий (с помощью реостата) и коммутирующий.

По форме контакты бывают

• точеные, они, в основном, используются для малых токов, при этих контактах происходит небольшое нажатие, а для того, чтобы уменьшить сопротивление контактов, применяются не окисляющиеся драгоценные металлы;
• линейные, с большой степенью нажатия и контактированием по линии, для производства этих контактов используется медь;
• поверхностные, применяются с большой степенью нажатия для контактирования при больших токах между двух поверхностей.

Электрические контакты также бывают подвижные и неподвижные.

• Подвижные контакты в процессе работы замыкаются, соединяясь между собой, либо размыкаются, разъединяясь с помощью механического или электромеханического привода, при этом устройства между собой остаются надежно скреплены.

В процессе работы неподвижных контактов, токоведущие надежно и плотно соединенные между собой элементы не перемещаются друг относительно друга.

Чтобы создать замкнутую электрическую цепь, нужно произвести несколько контактов.

Одним из примеров подвижного контакта является устройство рычажного контакта, рассчитанное на средние и большие токи, в котором в качестве материала применяется медь.

• Шарнирный контакт, где неподвижный элемент и подвижный элемент соединяются между собой с помощью силы, воздействующей на рычаг, может служить еще одним примером подвижного контакта.
• Скользящие контакты — это еще одна разновидность подвижных контактов, у которых, как и в щеточноколлекторном устройстве электрических машин постоянного тока, один элемент перемещается относительно других.

Также к подвижным контактам можно отнести герметизированные магнитоуправляемые контакты или герконы, простейший пример которых представляет собой запаянную стеклянную колбу миниатюрного размера, с двумя плоскими впаянными контактными пружинами, состоящими из мягкой магнитной стали.

Если эти герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) поместить в созданное обмоткой или постоянным магнитом магнитное поле, то их пружины будут намагничиваться и затем притягиваться друг к другу.

В это время происходит замыкание контактов и, как следствие, может замкнуться электрическая цепь. Контакты из-за силы упругости пружин разомкнутся только после полного исчезновения магнитного поля. Поверхности пружин на контактах покрываются тонким слоем драгоценного металла, имеющего малое удельное электрическое сопротивление (платина, золото, серебро).

С помощью герконов можно производить коммутации в электрических цепях при малых значениях тока от 0,5 до 1А. Колбу геркона вакуумируют или заполняют инертным газом.

Элементы геркона имеют малую массу и высокое быстродействие контактов от 0,5 до 1,0 мс.

Износоустойчивость — это самое важное из свойство герконов. У некоторых видов герконов количество переключений может достичь до двух тысяч в секунду, а срабатываний до сотен миллионов.

Герсиконы — это герметические магнитоуправляемые силовые контакты, являющиеся разновидностью герконов, которые позволяют произвести коммутации в электрических цепях при значениях тока 60А, 100А или 180А и при напряжении 220 440В.

Интересное видео о физике электрических контактов смотрите ниже:

Общая характеристика

Электрические контакты должны свободно коммутировать токи от 10-9 до 109 А при напряжении от 10-7 до 106 В. По конструктивному исполнению, если исключить переходные формы, электрические контакты можно разбить на три группы:
— подвижные, функция которых замыкать и размыкать цепь при кратковременной либо длительной коммутации тока;

— скользящие, в которых происходит перемещение контактирующих поверхностей относительно друг друга без нарушения электрического контакта;

— неразъемные, в которых в процессе работы не происходит разъединения контактирующих поверхностей.

Электрическое сопротивление контактов

Работу контактов определяет переходное электрическое сопротивление, которое зависит от площади контактирования. Чтобы уменьшить переходное сопротивление контактов, необходимо увеличить силу прижатия контактов.

В зависимости от силы переходного сопротивления, ток в цепи, вызывает нагрев контактов, который, в свою очередь, способствует увеличению переходного сопротивления и приводит к еще большему нагреву.

Таким образом достигается допустимый максимум рабочей температуры, находящийся в пределах от 100 до 120°С. По мере увеличения значения номинального тока коммутирующего аппарата, контактное переходное сопротивление должно уменьшаться с помощью повышения контактного нажатия, при этом обязательно необходимо увеличить поверхность охлаждения.

Состав материала из которого изготавливают токоведущие элементы контактов содержит материалы с минимальным удельным электрическим сопротивлением — серебро, медь или металлокерамические композиции.

Искрение на контактах и электрическая дуга

При значительных напряжениях и токах во время размыкания электрической цепи, между расходящимися контактами, образуется электрический разряд. В это же время, в площадке контактирования, при расхождении контактов происходит резкий рост переходного сопротивления и разогрев контактов до их расплавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла.

В результате высокой температуры, контакты могут разогреваться и рваться, при этом металл контактов испаряется, а между контактами образуется ионизирующий проводящий воздушный промежуток, в котором под воздействием высокого напряжения, возникает электрическая дуга, которая снижает быстродействие коммутационного аппарата и способствует дальнейшему разрушению контактов.

Чтобы прекратить появление дуги, нужно увеличить сопротивление в цепи с помощью увеличения расстояния между контактами, или применить специальные меры для ее погашения.

Разрывная или коммутируемая мощность контактов — это произведение предельных значений тока и напряжения в цепи, при которых на минимальном расстоянии, между контактами электрическая дуга не образуется.

Электрическая дуга гаснет, когда в цепях переменного тока мгновенное значение тока достигнет нуля и может вновь появиться, если напряжение на контактах будет расти быстрее, чем произойдет восстановление электрической прочности промежутка между контактами.

В любом случае, в цепи переменного тока дуга неустойчива, а разрывная мощность контактов выше в несколько раз, чем в цепи постоянного тока.

В маломощных электрических аппаратах электрическая дуга на контактах появляется редко, но очень часто происходит опасное для чувствительных аппаратов искрение или пробой изоляционного промежутка. Пробой образуется в слаботочных цепях во время быстрого размыкания контактов и может привести к ложным отключениям и значительно сокращает срок службы контактов. С целью уменьшения искрения, применяются устройства искрогашения.

Ещё одно интересное видео об электрических контактах:

Электрические контакты

Эл.контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся проводники называются контактами или контакт-деталями.

По назначению контакты подразделяются на соединительные и коммутирующие.

Соединительные контакты служат только для проведения тока, а на коммутирующие дополнительно возлагаются задачи включения, отключения или переключения эл.цепей.

Для соединительных контактов характерно разделение на взаимно неподвижные неразъемные и взаимно подвижные скользящие или катящиеся.

Неподвижные разборные и неразборные контакты соединяются с помощью либо болтов, либо горячей или холодной сварки. При болтовом соединении медные шины зачищают от оксидов и смазываются техническим вазелином. После сборки место стыков покрывается влагостойким лаком или краской.

Момент при затяжке болтов контролируется специальным тарированным моментным ключом.

Подвижные неразмыкающие контактные соединения типа гибкая связь изготавливается из медной ленты толщиной 1 мм и менее или из многожильного жгута, сплетенного из медных жил диаметром 1 мм и менее. Гибкая связь применяется при перемещениях подвижного элемента не более 25 см. При больших ходах и больших номинальных токах применяется контактные соединения в виде скользящих и роликовых токосъемов.

Разрывные контакты. Существует много видов коммутирующих контактов: рубящие, торцевые, щеточные, пальцевые, розеточные, стыковые рычажные, мостиковые, с плоскими пружинами и прочие.

Расстояние между неподвижным и подвижным контактами в отключенном состоянии аппарата называется раствором контакта. Подвижные контакты, имеющие возможность устанавливаться в положения с максимальным числом контактных площадок, называются самоустанавливающимися.

В пальцевых контактах используется контактный узел с перекатывающим подвижным контактом. Касание происходит в одной точке, а затем точка касания переходит в другую. При этом происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному с небольшим проскальзыванием, за счет чего пленка оксида на них стирается.

Сопротивление эл. контакта. Благодаря нажатию Р одного контакта на другой образуются площадки действительного касания контактов. В результате линии тока стягиваются к площадкам касания, длина их увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически проходит ток, уменьшается. Это вызывает увеличение сопротивление. Величина его называется сопротивлением стягивания

где m=0,7÷1 – для линейных 0,7÷0,8, для плоскостного 1, К – постоянная, зависящая от материала и конструкции контакта; Р – сила контактного нажатия.

Результирующее переходное сопротивление контактов Rк, может быть представлено как сумма сопротивления Rст и сопротивление пленок Rпл:

Переходное сопротивление из–за сопротивления пленок может возрасти в сотни – тысячи раз.

В связи с этим контакты на малые токи (малые нажатия) изготавливаются из благородных металлов, не поддающихся окислению — золото, платина и др.

В сильноточных контактах пленка разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контакта относительно другого.

Режимы работы контактов.

Включение цепи. В процессе замыкания создаются условия для эл.пробоя и загорается дуга. Под действием включающего механизма происходит соприкосновение контактов, и дуга замыкания гаснет. Соприкосновение контактов носит ударный характер и возникает вибрация контактов, при которой возможно повторное возникновение дуги или искры.

Для уменьшения вибрации создается предварительный натяг контактной пружиной при разомкнутых контактах, кроме того, масса контактов должна быть минимальной. Дуга замыкания может нагреть контакты до температуры плавления металла. После замыкания, когда начинается остывание контактов, возможно их сваривание. Для ослабления эффекта сваривания при замыкании, контакты выполняются из металлокерамических материалов.

При включении на существующее К3 вибрация контактов усиливается из–за возникновения отбрасывающих сил в точках касания.

Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их соприкосновения, усилие предварительного натяга контактной пружины должно компенсировать ЭДУ отброса и создавать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению точек касания.

Контакты во включенном состоянии. Для каждого материала существуют определенные, характерные для него падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, определяющих фазовое состояние материала. Так температуре рекристаллизации соответствует напряжение размягчения материала — Uр, а температуре плавления – Uпл.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при Iн падение напряжения на переходном сопротивлении Rк было меньше Uр:

Iн * Rк ≤ (0.5 ÷ 0.8) Uр tº Uр(B)

серебро 150 0,09

вольфрам 1000 0,4

Использование контактов при условии Uк< Uр, что напряжение на них не превзойдет напряжения размягчения, возможно лишь в маломощных аппаратах.

Поэтому в аппаратах, работающих при больших номинальных токах и в режимах К3, не исключено расплавление контактного пятна в замкнутом состоянии, что может привести к свариванию контактов.

Значение тока, при котором в установившемся режиме нагрева происходит оплавление площадки касания контактов, называется минимальным плавящим током Iпл.∞.

Отключение цепи. В процессе размыкания контактов, контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и за счет этого растет температура точек касания. В момент разъединения контактов между ними возникает мостик из жидкого металла. После разрыва мостика в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает дуговой или тлеющий разряд.

Высокая температура приводит к интенсивному окислению материала контактов, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок.

Износ, связанный с окислением и образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом или коррозией.

Износ, связанный с переносом материала с одного электрода на другой называется эрозией. Эрозия наиболее вредна на постоянном токе.

Мера износа контактов характеризуется уменьшением провала контактов. Под провалом понимают путь, пройденный точкой соприкосновения контактов, если во включенном положении убран другой контакт.

Методы борьбы с эрозией контактов.

При токах более 1А:

— сокращается длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

— устраняется вибрация контактов при включении;

— применяются дугостойкие материалы контактов.

Для контактов на токи от долей ампера до нескольких ампер применяются схемные методы уменьшения эрозии (рис. 2).

RН LH

RШ

(-) RН LH (+)

RН LH

Рисунок 2. Схемы для уменьшения износа контактов.

Почти вся электромагнитная энергия, накопленная в цепи, при отключении контактов выделяется в дуге. Чем меньше эта энергия, тем меньшее эрозия контактов.

В схеме рис.2, а нагрузка шунтирована резистором Rш. При отключении вся эл.магнитная энергия переходит в тепловую, выделяемую в сопротивлениях Rш и Rн.

Тлеющий разряд отсутствует при Rш . Дуга отсутствует при условии , где U0 и I0 – минимальное значение напряжения и тока необходимые для поддержания дугового разряда для материала контакта. Для платины: U0 =17 В, I0 =0,9 А; меди: U0 =12,3 В, I0=0,43 А. Наличие резистора Rш увеличивают токовую нагрузку контактов.

В схеме рис.2,б контакты нагружаются только током нагрузки и обратным током диода VD. При отключении цепи вся эл.магнитная энергия нагрузки выделяется в сопротивлении Rн и прямом сопротивлении диода.

В схеме рис. 2,в контактный промежуток шунтируется резистором Rш, что облегчает гашение дуги и уменьшает износ контактов. Для полного отключения цепи необходим дополнительный контакт К2.

В схеме рис.2,г контакт шунтирован цепочкой RшС. Положим вначале, что Rш=0. Ток в конденсаторе , где U – напряжение на контактах. Наличие конденсатора уменьшает ток через контакт, а также снижает скорость нарастания напряжения на контактах. Все это облегчает процесс отключения.

При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии разряда конденсатора. Для ограничения тока разряда служит резистор Rш.

Требования к материалам контактов почти всегда противоречивы, и потому не существует такого материала, который применялся бы в качестве контактного во всех случаях.

Основные показатели контактных материалов:

1. высокая эл.проводимость и теплопроводимость;

2. высокая коррозийная стойкость;

3. стойкость против образования пленок с высоким эл.сопротивлением;

4. малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

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

7. высокая дугостойкость (температура плавления);

8. высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9. простота обработки, низкая стоимость.

В качестве контактных материалов используются:

— чистые металлы – медь, алюминий, серебро, золото, платина, палладий, родий, олово, вольфрам, молибден, кадмий и др.

— сплавы – латунь, бронза, силумин и др.;

— композиции взаимно не сплавляемых металлов – вольфрам – серебро, вольфрам – медь;

— композиции металлов с оксидами металлов – серебро – оксид кадмия, серебро – оксид меди, медь – оксид меди;

— композиция металлов с карбидами вольфрам – карбид вольфрама;

— композиция металлов с углеродом – серебро – графит, медь – графит.

Многочисленные тройные композиции. Вследствие низкой дугостойкости медь не применяют в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается слоем серебра толщиной 20-30 мкм. В аппаратах включаемых относительно редко на большие токи ставятся серебряные пластинки.

Алюминий обладает малой износостойкостью и легко окисляется и его применение ограничивается соединительными контактами. Необходимость снижения температуры контактов, уменьшение требуемых усилий нажатия вызывает применение в качестве контактных материалов металлов, обладающих высокой эл.проводимостью, в частности серебра. Оно применяется в реле, в контакторах при токах до 20 А. При больших токах до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Для исключения окисления и образования плохо проводящих пленок, для контактов различных аппаратов автоматики используют благородные металлы – золото, платину, палладий.

Металлооксидные композиции используют при повышенных требованиях в отношении сваривания. Металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяются на большие токи К3.

В аппаратах НН применяется металлокерамика КМК – А10 из серебра и оксида кадмия. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация оксида кадмия на пары кадмия и кислород. Выделяющий газ, заставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контактов, что значительно снижает температуру контактов.

Серебро–графитовые и медно–графитные контакты применяются как дугогасительные.

Устройства искро- и дугогашения

Самый эффективный способ для гашения электрической дуги — это ее охлаждение с помощью соприкосновения с изоляционными стенками специальных камер, которые отбирают теплоту дуги или за счет ее перемещения в воздухе.

В современных аппаратах широкое распространение получили дугогасительные камеры с узкой щелью и магнитным дутьем.

Дугу можно рассматривать как проводник с током; если его поместить в магнитное поле, то возникнет сила, которая вызовет перемещение дуги. При своем движении дуга обдувается воздухом; попадая в узкую щель между двумя изоляционными пластинами, она деформируется и вследствие повышения давления в щели камеры гаснет (рис. 2.4).

Щелевая камера образована двумя стенками 1, выполненными из изоляционного материала. Зазор между стенками очень мал. Катушка 4, включенная последовательно с главными контактами 5, возбуждает магнитный поток Ф, который направляется ферромагнитными наконечниками 2 в пространство между контактами. В результате взаимодействия дуги и магнитного поля появляется сила F, вытесняющая дугу к пластинам 7.

Эта конструкция дугогасительной камеры применяется и на переменном токе, так как с изменением направления тока изменяется направление потока Ф, а направление силы F остается неизменным.

Для уменьшения искрения на маломощных контактах постоянного тока применяют включение диода параллельно нагрузочному устройству (рис. 2.5). При этом цепь после коммутации (после отключения источника) замыкается через диод, таким образом уменьшается энергия искрообразовния.