Τέλεια ηλεκτρική επαφή, επίδραση των ιδιοτήτων του υλικού, της πίεσης και των διαστάσεων στην αντίσταση επαφής

Οι σταθερές επαφές γίνονται στις περισσότερες περιπτώσεις με μηχανική σύνδεση καλωδίων και η σύνδεση μπορεί να γίνει είτε με απευθείας σύνδεση καλωδίων (για παράδειγμα, λεωφορεία σε ηλεκτρικούς υποσταθμούς) είτε με ενδιάμεσες συσκευές - σφιγκτήρες και ακροδέκτες.

Οι μηχανικά σχηματισμένες επαφές ονομάζονται σφίξιμοκαι μπορούν να συναρμολογηθούν ή να αποσυναρμολογηθούν χωρίς να διαταραχθούν τα επιμέρους μέρη τους. Εκτός από τις επαφές σύσφιξης, υπάρχουν σταθερές επαφές που λαμβάνονται με συγκόλληση ή συγκόλληση των συνδεδεμένων συρμάτων. Τέτοιες επαφές καλούμε όλα μεταλλικά, καθώς δεν έχουν φυσικό όριο που οριοθετεί τα δύο καλώδια.

Η αξιοπιστία των επαφών σε λειτουργία, η σταθερότητα της αντίστασης, η απουσία υπερθέρμανσης και άλλες διαταραχές καθορίζουν την κανονική λειτουργία ολόκληρης της εγκατάστασης ή της γραμμής στην οποία υπάρχουν επαφές.

Η λεγόμενη ιδανική επαφή πρέπει να πληροί δύο βασικές απαιτήσεις:

• η αντίσταση επαφής πρέπει να είναι ίση ή μικρότερη από την αντίσταση του αγωγού σε τμήμα του ίδιου μήκους.
• Η θέρμανση επαφής με ονομαστικό ρεύμα πρέπει να είναι ίση ή μικρότερη από τη θέρμανση ενός σύρματος της αντίστοιχης διατομής.

Το 1913, ο Harris ανέπτυξε τέσσερις νόμους που διέπουν τις ηλεκτρικές επαφές (Harris F., Resistance of Electrical Contacts):

1. Όταν όλες οι άλλες συνθήκες είναι ίδιες, η πτώση τάσης στην επαφή αυξάνεται σε ευθεία αναλογία με το ρεύμα. Με άλλα λόγια, η επαφή μεταξύ δύο υλικών συμπεριφέρεται ως αντίσταση.

2. Εάν η κατάσταση των επιφανειών στην επαφή δεν επηρεάζει, η πτώση τάσης στην επαφή ποικίλλει αντίστροφα με την πίεση.

3. Η αντίσταση επαφής μεταξύ διαφορετικών υλικών εξαρτάται από την ειδική αντίστασή τους. Τα υλικά χαμηλής αντίστασης έχουν επίσης χαμηλή αντίσταση επαφής.

4. Η αντίσταση των επαφών δεν εξαρτάται από το μέγεθος της περιοχής τους, αλλά εξαρτάται μόνο από τη συνολική πίεση στην επαφή.

Το μέγεθος της επιφάνειας επαφής καθορίζεται από τους ακόλουθους παράγοντες: συνθήκες μεταφοράς θερμότητας των επαφών και αντοχή στη διάβρωση, καθώς μια επαφή με μια μικρή επιφάνεια μπορεί να καταστραφεί από τη διείσδυση διαβρωτικών παραγόντων από την ατμόσφαιρα πιο εύκολα από μια επαφή με μια μεγάλη επιφάνεια επαφής.

Επομένως, κατά το σχεδιασμό των επαφών σύσφιξης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα πρότυπα πίεσης, πυκνότητας ρεύματος και μεγέθους της επιφάνειας επαφής, τα οποία διασφαλίζουν τη συμμόρφωση με τις απαιτήσεις για ιδανική επαφή και που μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με το υλικό, την επεξεργασία επιφάνειας και την επαφή σχέδιο.

Η αντίσταση επαφής επηρεάζεται από τις ακόλουθες ιδιότητες υλικού:

1.Ειδική ηλεκτρική αντίσταση του υλικού.

Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση επαφής, τόσο μεγαλύτερη είναι η ειδική αντίσταση του υλικού επαφής.

2. Η σκληρότητα ή η αντοχή σε θλίψη του υλικού. Το μαλακότερο υλικό παραμορφώνεται πιο εύκολα και δημιουργεί σημεία επαφής πιο γρήγορα και επομένως δίνει λιγότερη ηλεκτρική αντίσταση σε χαμηλότερη πίεση. Με αυτή την έννοια, είναι χρήσιμο να καλύπτονται σκληρά μέταλλα με μαλακότερα: κασσίτερος για χαλκό και ορείχαλκο και κασσίτερος ή κάδμιο για σίδηρο.

3. Συντελεστές θερμικής διαστολής Είναι επίσης απαραίτητο να ληφθεί υπόψη, επειδή λόγω της διαφοράς μεταξύ του υλικού των επαφών και, για παράδειγμα, των μπουλονιών, μπορεί να προκληθούν αυξημένες τάσεις, προκαλώντας πλαστική παραμόρφωση του ασθενέστερου τμήματος της επαφής και καταστροφή του με μείωση της θερμοκρασίας .

Το μέγεθος της αντίστασης επαφής καθορίζεται από τον αριθμό και το μέγεθος των σημειακών επαφών και εξαρτάται (σε ​​διάφορους βαθμούς) από το υλικό των επαφών, την πίεση επαφής, την επεξεργασία των επιφανειών επαφής και το μέγεθος των επιφανειών επαφής.

Στο βραχυκυκλώματα η θερμοκρασία στις επαφές μπορεί να αυξηθεί τόσο πολύ που λόγω του μη ομοιόμορφου συντελεστή θερμικής διαστολής του υλικού των μπουλονιών και της επαφής, μπορεί να προκύψουν τάσεις πάνω από το ελαστικό όριο του υλικού.

Αυτό θα προκαλέσει χαλάρωση και απώλεια της στεγανότητας επαφής. Επομένως, κατά τον υπολογισμό, είναι απαραίτητο να ελέγχετε για πρόσθετες μηχανικές καταπονήσεις στην επαφή που προκαλούνται από ρεύματα βραχυκυκλώματος.

Ο χαλκός αρχίζει να οξειδώνεται στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου (20 - 30 °).Η προκύπτουσα μεμβράνη οξειδίου, λόγω του μικρού πάχους της, δεν αποτελεί ιδιαίτερο εμπόδιο για το σχηματισμό επαφής, καθώς καταστρέφεται όταν οι επαφές συμπιέζονται.

Για παράδειγμα, οι επαφές που εκτέθηκαν στον αέρα για ένα μήνα πριν από τη συναρμολόγηση εμφανίζουν μόνο 10% μεγαλύτερη αντίσταση από τις φρεσκοφτιαγμένες επαφές. Η ισχυρή οξείδωση του χαλκού ξεκινά σε θερμοκρασίες πάνω από 70 °. Οι επαφές, οι οποίες διατηρήθηκαν για περίπου 1 ώρα στους 100 °, αύξησαν την αντίστασή τους 50 φορές.

Η αύξηση της θερμοκρασίας επιταχύνει σημαντικά την οξείδωση και τη διάβρωση των επαφών λόγω του γεγονότος ότι η διάχυση των αερίων στην επαφή επιταχύνεται και η αντιδραστικότητα των διαβρωτικών ουσιών αυξάνεται. Η εναλλαγή θέρμανσης και ψύξης προωθεί τη διείσδυση αερίων σε επαφή.

Διαπιστώθηκε επίσης ότι κατά την παρατεταμένη θέρμανση των επαφών με ρεύμα, παρατηρείται κυκλική μεταβολή στη θερμοκρασία και στην αντίστασή τους.Το φαινόμενο αυτό εξηγείται από διαδοχικές διεργασίες:

• οξείδωση του χαλκού σε CuO και αύξηση της αντίστασης και της θερμοκρασίας.
• με την έλλειψη αέρα, τη μετάβαση από το CuO στο Cu2O και τη μείωση της αντίστασης και της θερμοκρασίας (το Cu2O άγει καλύτερα από το CuO).
• αυξημένη πρόσβαση αέρα, νέος σχηματισμός CuO, αύξηση αντίστασης και θερμοκρασίας κ.λπ.

Λόγω της σταδιακής πάχυνσης του στρώματος οξειδίου, παρατηρείται τελικά αύξηση της αντίστασης επαφής.

Η παρουσία διοξειδίου του θείου, υδρόθειου, αμμωνίας, χλωρίου και ατμών οξέος στην ατμόσφαιρα έχει πολύ ισχυρότερη επίδραση στην επαφή με τον χαλκό.

Στον αέρα, το αλουμίνιο καλύπτεται γρήγορα με ένα λεπτό, εξαιρετικά ανθεκτικό φιλμ οξειδίου. Η χρήση επαφών αλουμινίου χωρίς αφαίρεση του φιλμ οξειδίου δίνει υψηλή αντίσταση επαφής.

Η αφαίρεση της μεμβράνης σε συνηθισμένες θερμοκρασίες είναι δυνατή μόνο μηχανικά και ο καθαρισμός της επιφάνειας επαφής πρέπει να πραγματοποιείται κάτω από ένα στρώμα βαζελίνης για να αποτραπεί η είσοδος αέρα στην καθαρισμένη επιφάνεια. Οι επαφές αλουμινίου που έχουν υποστεί επεξεργασία με αυτόν τον τρόπο δίνουν χαμηλή αντίσταση επαφής.

Για τη βελτίωση της επαφής και την προστασία από τη διάβρωση, οι επιφάνειες επαφής συνήθως καθαρίζονται με βαζελίνη για αλουμίνιο και κασσίτερο για χαλκό.

Κατά το σχεδιασμό σφιγκτήρων για τη σύνδεση συρμάτων αλουμινίου, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η ιδιότητα του αλουμινίου να «συρρικνώνεται» με την πάροδο του χρόνου, με αποτέλεσμα να εξασθενεί η επαφή. Λαμβάνοντας υπόψη αυτήν την ιδιότητα των συρμάτων αλουμινίου, είναι δυνατή η χρήση ειδικών ακροδεκτών με ελατήριο, λόγω των οποίων διατηρείται η απαραίτητη πίεση επαφής στη σύνδεση ανά πάσα στιγμή.

Η πίεση επαφής είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την αντίσταση επαφής. Στην πράξη, η αντίσταση επαφής εξαρτάται κυρίως από την πίεση επαφής και σε πολύ μικρότερο βαθμό από την επεξεργασία ή το μέγεθος της επιφάνειας επαφής.

Η αύξηση της πίεσης επαφής προκαλεί:

• μείωση της αντίστασης επαφής:
• μείωση απώλειας?
• σφιχτή συγκόλληση των επιφανειών επαφής, που μειώνει την οξείδωση των επαφών και έτσι κάνει τη σύνδεση πιο σταθερή.

Στην πράξη, χρησιμοποιείται συνήθως η κανονικοποιημένη πίεση επαφής, όπου επιτυγχάνεται σταθερότητα αντίστασης επαφής. Αυτές οι βέλτιστες τιμές πίεσης επαφής είναι διαφορετικές για διαφορετικά μέταλλα και διαφορετικές καταστάσεις των επιφανειών επαφής.

Σημαντικό ρόλο παίζει η πυκνότητα επαφής σε ολόκληρη την επιφάνεια, για την οποία πρέπει να διατηρούνται οι συγκεκριμένες προδιαγραφές πίεσης ανεξάρτητα από το μέγεθος της επιφάνειας επαφής.

Η επεξεργασία των επιφανειών επαφής πρέπει να εξασφαλίζει την αφαίρεση ξένων μεμβρανών και να δίνει μέγιστες σημειακές επαφές όταν οι επιφάνειες έρχονται σε επαφή.

Η κάλυψη των επιφανειών επαφής με ένα μαλακότερο μέταλλο, όπως επαφές χαλκού ή σιδήρου, διευκολύνει την επίτευξη καλής επαφής σε χαμηλότερες πιέσεις.

Για τις επαφές αλουμινίου, η καλύτερη επεξεργασία είναι να τρίψετε την επιφάνεια επαφής με γυαλόχαρτο κάτω από βαζελίνη. Η βαζελίνη είναι απαραίτητη επειδή το αλουμίνιο στον αέρα καλύπτεται πολύ γρήγορα με μια μεμβράνη οξειδίου και η βαζελίνη εμποδίζει τον αέρα να φτάσει στην προστατευμένη επιφάνεια επαφής.

Ορισμένοι συγγραφείς πιστεύουν ότι η αντίσταση επαφής εξαρτάται μόνο από τη συνολική πίεση στην επαφή και δεν εξαρτάται από το μέγεθος της επιφάνειας επαφής.

Αυτό μπορεί να φανταστεί κανείς εάν, για παράδειγμα, με μείωση της επιφάνειας επαφής, η αύξηση της αντίστασης επαφής λόγω μείωσης του αριθμού των σημείων επαφής αντισταθμίζεται από μείωση της αντίστασης λόγω της ισοπέδωσής τους λόγω αύξησης του ειδικού πίεση επαφής.

Μια τέτοια αμοιβαία αντιστάθμιση δύο αντίθετα κατευθυνόμενων διαδικασιών μπορεί να συμβεί μόνο σε εξαιρετικές περιπτώσεις. Πολλά πειράματα δείχνουν ότι όσο μειώνεται το μήκος επαφής και σε σταθερή ολική πίεση, η αντίσταση επαφής αυξάνεται.

Με το μισό μήκος επαφής, επιτυγχάνεται σταθερότητα αντίστασης σε υψηλότερες πιέσεις.

Η μείωση της θέρμανσης επαφής σε μια δεδομένη πυκνότητα ρεύματος διευκολύνεται από τις ακόλουθες ιδιότητες του υλικού επαφής: χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση, υψηλή θερμοχωρητικότητα και θερμική αγωγιμότητα, καθώς και υψηλή ικανότητα ακτινοβολίας θερμότητας στην εξωτερική επιφάνεια των επαφών.

Η διάβρωση των επαφών από διαφορετικά μέταλλα είναι πολύ πιο έντονη από αυτή των επαφών από τα ίδια μέταλλα.Στην περίπτωση αυτή σχηματίζεται ένα ηλεκτροχημικό μακροζεύγος (μέταλλο Α — υγρό φιλμ — μέταλλο Β), το οποίο είναι ένα γαλβανικό στοιχείο. Εδώ, όπως και στην περίπτωση της μικροδιάβρωσης, ένα από τα ηλεκτρόδια θα καταστραφεί, δηλαδή το τμήμα της επαφής που αποτελείται από ένα λιγότερο ευγενές μέταλλο (άνοδος).

Στην πράξη, μπορεί να υπάρχουν περιπτώσεις σύνδεσης καλωδίων που αποτελούνται από διαφορετικά μέταλλα, για παράδειγμα, χαλκό με αλουμίνιο. Μια τέτοια επαφή, χωρίς ειδική προστασία, μπορεί να διαβρώσει το λιγότερο πολύτιμο μέταλλο, δηλαδή το αλουμίνιο. Στην πραγματικότητα, το αλουμίνιο σε επαφή με τον χαλκό είναι πολύ διαβρωτικό, επομένως δεν επιτρέπεται η άμεση συγκόλληση σε επαφή μεταξύ χαλκού και αλουμινίου.