Perfekt elektrisk kontakt, indflydelse af materialeegenskaber, tryk og dimensioner på kontaktmodstand

Faste kontakter er lavet i de fleste tilfælde ved mekanisk tilslutning af ledninger, og forbindelsen kan foretages enten ved direkte forbindelse af ledninger (for eksempel busser i elektriske understationer) eller af mellemliggende enheder - klemmer og terminaler.

Mekanisk dannede kontakter kaldes stramningog de kan samles eller skilles ad uden at forstyrre deres individuelle dele. Ud over spændekontakter er der faste kontakter opnået ved lodning eller svejsning af de tilsluttede ledninger. Vi kalder sådanne kontakter alt metal, da de ikke har nogen fysisk grænse, der afgrænser de to ledninger.

Pålideligheden af ​​kontakterne i drift, modstandens stabilitet, fraværet af overophedning og andre forstyrrelser bestemmer den normale drift af hele installationen eller linjen, hvor der er kontakter.

Den såkaldte ideelle kontakt skal opfylde to hovedkrav:

• kontaktmodstanden skal være lig med eller lavere end lederens modstand i et afsnit af samme længde;
• kontaktopvarmning med mærkestrøm skal være lig med eller lavere end opvarmningen af ​​en ledning med det tilsvarende tværsnit.

I 1913 udviklede Harris fire love, der styrer elektriske kontakter (Harris F., Resistance of Electrical Contacts):

1. Alt andet lige, stiger spændingsfaldet i kontakten i direkte proportion til strømmen. Med andre ord opfører kontakten mellem to materialer sig som en modstand.

2. Hvis tilstanden af ​​overfladerne i kontakten ikke har nogen effekt, varierer spændingsfaldet over kontakten omvendt med trykket.

3. Kontaktmodstanden mellem forskellige materialer afhænger af deres specifikke modstand. Materialer med lav resistivitet har også lav kontaktmodstand.

4. Kontakternes modstand afhænger ikke af størrelsen af ​​deres område, men afhænger kun af det samlede tryk i kontakten.

Størrelsen af ​​kontaktfladen bestemmes af følgende faktorer: varmeoverførselsforhold for kontakterne og korrosionsbestandighed, da en kontakt med en lille overflade lettere kan ødelægges ved indtrængning af ætsende midler fra atmosfæren end ved kontakt med en stor kontaktflade.

Derfor er det ved design af spændekontakter nødvendigt at kende normerne for tryk, strømtæthed og størrelse af kontaktfladen, som sikrer overholdelse af kravene til en ideel kontakt, og som kan være forskellige afhængigt af materiale, overfladebehandling og kontakt design.

Kontaktmodstanden påvirkes af følgende materialeegenskaber:

1.Specifik elektrisk modstand af materialet.

Jo højere kontaktmodstand, jo højere er kontaktmaterialets specifikke modstand.

2. Materialets hårdhed eller trykstyrke. Det blødere materiale deformeres lettere og etablerer kontaktpunkter hurtigere og giver derfor mindre elektrisk modstand ved lavere tryk. I denne forstand er det nyttigt at dække hårde metaller med blødere: tin til kobber og messing og tin eller cadmium til jern.

3. Termisk udvidelseskoefficienter Det er også nødvendigt at tage i betragtning, fordi der på grund af deres forskel mellem materialet i kontakterne og for eksempel bolte kan forekomme øgede spændinger, hvilket forårsager plastisk deformation af den svagere del af kontakten og dens ødelæggelse med et fald i temperaturen .

Mængden af ​​kontaktmodstand bestemmes af antallet og størrelsen af ​​punktkontakterne og afhænger (i varierende grad) af kontakternes materiale, kontakttrykket, behandlingen af ​​kontaktfladerne og kontaktfladernes størrelse.

På kortslutninger temperaturen i kontakterne kan stige så meget, at der på grund af den uensartede termiske udvidelseskoefficient af boltenes materiale og kontakten kan opstå spændinger over materialets elastiske grænse.

Dette vil medføre løsning og tab af kontakttæthed. Derfor er det ved beregningen nødvendigt at kontrollere for yderligere mekaniske spændinger i kontakten forårsaget af kortslutningsstrømme.

Kobber begynder at oxidere i luft ved stuetemperatur (20 - 30 °).Den resulterende oxidfilm repræsenterer på grund af sin lille tykkelse ikke en særlig hindring for dannelsen af ​​en kontakt, da den ødelægges, når kontakterne komprimeres.

For eksempel viser kontakter, der er udsat for luft i en måned før montering, kun 10 % mere modstand end nylavede kontakter. Stærk oxidation af kobber begynder ved temperaturer over 70 °. Kontakterne, som blev holdt i omkring 1 time ved 100 °, øgede deres modstand 50 gange.

En stigning i temperaturen fremskynder signifikant oxidationen og korrosion af kontakter på grund af det faktum, at diffusionen af ​​gasser i kontakten accelereres, og reaktiviteten af ​​ætsende stoffer øges. Skiftet mellem opvarmning og afkøling fremmer indtrængning af gasser i kontakt.

Det blev også fastslået, at der under langvarig opvarmning af kontakterne med strøm observeres en cyklisk ændring i deres temperatur og modstand. Dette fænomen forklares af successive processer:

• oxidation af kobber til CuO og stigning i modstand og temperatur;
• med mangel på luft, overgangen fra CuO til Cu2O og faldende modstand og temperatur (Cu2O leder bedre end CuO);
• øget luftadgang, nydannelse af CuO, stigning i modstand og temperatur mv.

På grund af den gradvise fortykkelse af oxidlaget observeres til sidst en stigning i kontaktmodstanden.

Tilstedeværelsen af ​​svovldioxid, hydrogensulfid, ammoniak, klor og syredampe i atmosfæren har en meget stærkere effekt på kontakt med kobber.

I luften bliver aluminium hurtigt dækket af en tynd, meget modstandsdygtig oxidfilm. Brugen af ​​aluminiumskontakter uden at fjerne oxidfilmen giver høj kontaktmodstand.

Fjernelse af filmen ved almindelige temperaturer er kun mulig mekanisk, og rensning af kontaktfladen skal udføres under et lag vaseline for at forhindre luft i at nå den rensede overflade. Aluminiumskontakter behandlet på denne måde giver lav kontaktmodstand.

For at forbedre kontakten og beskytte mod korrosion renses kontaktfladerne normalt med vaseline til aluminium og tin til kobber.

Ved design af klemmer til tilslutning af aluminiumtråde er det nødvendigt at tage højde for aluminiums egenskaber til at "krympe" over tid, som et resultat af, at kontakten svækkes. Under hensyntagen til denne egenskab af aluminiumstråde er det muligt at bruge specielle terminaler med en fjeder, på grund af hvilken det nødvendige kontakttryk opretholdes i forbindelse til enhver tid.

Kontakttryk er den væsentligste faktor, der påvirker kontaktmodstanden. I praksis afhænger kontaktmodstanden hovedsageligt af kontakttrykket og i langt mindre grad af behandlingen eller størrelsen af ​​kontaktfladen.

En stigning i kontakttryk forårsager:

• reduktion af kontaktmodstand:
• tabsreduktion;
• tæt binding af kontaktfladerne, hvilket reducerer oxidationen af ​​kontakterne og dermed gør forbindelsen mere stabil.

I praksis anvendes normalt det normaliserede kontakttryk, hvor der opnås kontaktmodstandsstabilitet. Sådanne optimale kontakttrykværdier er forskellige for forskellige metaller og forskellige tilstande af kontaktfladerne.

En vigtig rolle spiller kontakttætheden over hele overfladen, for hvilken de specifikke tryknormer skal opretholdes uanset størrelsen af ​​kontaktfladen.

Behandlingen af ​​kontaktfladerne skal sikre fjernelse af fremmedfilm og give maksimale punktkontakter, når overfladerne er i kontakt.

Tildækning af kontaktfladerne med et blødere metal, såsom fortinning af kobber eller jernkontakter, gør det lettere at opnå god kontakt ved lavere tryk.

For aluminiumskontakter er den bedste behandling at slibe kontaktfladen med sandpapir under vaseline. Vaseline er nødvendig, fordi aluminium i luft meget hurtigt bliver dækket af en oxidfilm, og vaselin forhindrer luft i at nå den beskyttede kontaktflade.

En række forfattere mener, at kontaktmodstanden kun afhænger af det samlede tryk i kontakten og ikke afhænger af kontaktfladens størrelse.

Dette kan forestilles, hvis f.eks. med et fald i kontaktfladen, stigningen i kontaktmodstand på grund af et fald i antallet af kontaktpunkter kompenseres af et fald i modstand på grund af deres udfladning på grund af en stigning i den specifikke kontakttryk.

En sådan gensidig kompensation af to modsat rettede processer kan kun forekomme i undtagelsestilfælde. Mange forsøg viser, at når kontaktlængden aftager og ved et konstant totaltryk, øges kontaktmodstanden.

Med den halverede kontaktlængde opnås modstandsstabilitet ved højere tryk.

Reduktionen af ​​kontaktopvarmning ved en given strømtæthed lettes af kontaktmaterialets følgende egenskaber: lav elektrisk modstand, høj varmekapacitet og termisk ledningsevne samt en høj evne til at udstråle varme på kontakternes ydre overflade.

Korrosion af kontakter lavet af forskellige metaller er meget mere intens end af kontakter lavet af de samme metaller.I dette tilfælde dannes et elektrokemisk makroelement (metal A - våd film - metal B), som er en galvanisk celle. Her, som ved mikrokorrosion, vil en af ​​elektroderne blive ødelagt, nemlig den del af kontakten, der består af et mindre ædelt metal (anode).

I praksis kan der være tilfælde af forbindelsesledninger bestående af forskellige metaller, for eksempel kobber med aluminium. En sådan kontakt, uden særlig beskyttelse, kan korrodere det mindre ædle metal, det vil sige aluminium. Faktisk er aluminium i kontakt med kobber meget ætsende, så direkte binding i kontakt mellem kobber og aluminium er ikke tilladt.