Неподвижные контакты осуществляются в большинстве случаев путем механического соединения проводников, причем соединение может быть произведено или непосредственным соединением проводников (например, шины на электрических подстанциях) или через промежуточные устройства — зажимы и клеммы.
Контакты, образованные механическим путем, называются зажимными, и они могут быть собраны или разобраны без нарушения их отдельных частей. Кроме зажимных существуют неподвижные контакты, полученные путем пайки или сварки соединяемых проводников. Такие контакты мы называем цельнометаллическими, так как в них нет физической границы, разграничивающей оба проводника.
Надежность контактов в эксплуатации, устойчивость сопротивления, отсутствие перегревов и других расстройств обусловливают нормальную работу всей установки или линии в которой контакты имеются.
Так называемый идеальный контакт должен удовлетворить двум основным требованиям:
- сопротивление контакта должно быть равно или ниже сопротивления проводника на участке одинаковой длины;
- нагрев контакта номинальным током должен быть равен или ниже нагрева проводника соответствующего сечения.
В 1913 г. Гаррис вывел четыре закона, которым подчиняются электрические контакты (Harris F., Electrical Contact Resistance):
1. При всех прочих равных условиях падение напряжения в контакте увеличивается прямо пропорционально величине тока. Другими словами, контакт между двумя материалами ведет себя подобно сопротивлению.
2. Если состояние поверхностей в контакте не имеет влияния, падение напряжения в контакте изменяется обратно пропорционально давлению.
3. Сопротивление контакта между разными материалами зависит от их удельного сопротивления. Материалы с низким сопротивлением имеют также низкое сопротивление в контакте.
4. Сопротивление контактов не зависит от величины их площади, а зависит только от полного давления в контакте.
Величина контактной поверхности обусловливается следующими факторами: условиями теплоотдачи контактов и стойкостью против коррозии, так как контакт с малой поверхностью может подвергаться разрушению от проникания коррозионных агентов из атмосферы легче, чем контакт с большой контактной поверхностью.
Поэтому при конструировании зажимных контактов необходимо знать нормы давления, плотности тока и величины контактной поверхности, обеспечивающие соблюдение требований, предъявляемых к идеальному контакту, и которые могут быть разными в зависимости от материала, обработки поверхности и конструкции контактов.
На сопротивление контакта влияют следующие свойства материала:
1. Удельное электросопротивление материала.
Сопротивление контакта тем больше, чем выше удельное сопротивление материала контактов.
2. Твердость или сопротивление сжатию материала. Более мягкий материал легче деформируется и быстрее устанавливает контактные точки, а потому при меньших давлениях дает меньшее электросопротивление. В этом смысле полезным оказывается покрытие твердых металлов более мягкими: оловом для меди и латуни и оловом или кадмием для железа.
3. Коэффициенты теплового расширения также необходимо учитывать, так как вследствие разности их между материалом контактов и, например, болтами могут получаться повышенные напряжения, вызывающие пластическую деформацию более слабой части контакта и его расстройство при понижении температуры.
Величина контактного сопротивления определяется числом и размером точечных контактов и зависит (в разной степени) от материала контактов, контактного давления, обработки контактных поверхностей и величины контактных поверхностей.
При коротких замыканиях температура в контактах может повыситься настолько, что вследствие неодинакового термического коэффициента расширения материала болтов и контакта могут возникнуть напряжения выше предела упругости материала.
Это поведет к расшатыванию и нарушению плотности контакта. Поэтому при расчете необходимо делать проверку на дополнительные механические напряжения в контакте, вызываемые токами короткого замыкания.
Медь начинает окисляться на воздухе при комнатной температуре (20 — 30°). Образующаяся пленка окиси вследствие небольшой толщины не является особым препятствием к образованию контакта, так как разрушается при сжатии контактов.
Например, контакты, бывшие на воздухе в течение месяца до сборки, показали только на 10% большее сопротивление, чем свежеизготовленные. Сильное окисление меди начинается при температуре выше 70°. Контакты, находившиеся около 1 часа при 100°, увеличили свое сопротивление в 50 раз.
Повышение температуры сильно ускоряет окисление и коррозию контактов вследствие того, что ускоряется диффузия газов в контакте и усиливается химическая активность вызывающих коррозию веществ. Попеременное нагревание и охлаждение способствуют проникновению газов в контакт.
Установлено также, что при длительном нагреве контактов током наблюдается циклическое изменение их температуры и сопротивления. Это явление объясняется последовательно протекающими процессами:
- окислением меди в СuО и ростом сопротивления и температуры;
- при недостатке воздуха переходом СuО в Сu2О и понижением сопротивления и температуры (Сu2О проводит лучше, чем СuО);
- усилением доступа воздуха, новым образованием СиО, ростом сопротивления и температуры и т. д.
Вследствие постепенного утолщения слоя окислов в конечном итоге наблюдается увеличение сопротивления в контакте.
Значительно сильнее влияет на медный контакт присутствие в атмосфере сернистого газа, сероводорода, аммиака, хлора и кислотных паров.
Алюминий на воздухе быстро покрывается тонкой пленкой окиси с высоким сопротивлением. Применение алюминиевых контактов без удаления окисной пленки дает высокое контактное сопротивление.
Удаление пленки при обыкновенной температуре возможно только механическим путем, причем зачистка контактной поверхности должна производиться под слоем вазелина для того, чтобы не допустить доступа воздуха к зачищенной поверхности. Обработанные таким способом алюминиевые контакты дают низкое контактное сопротивление.
Для улучшения контакта и защиты его от коррозии обычно для алюминия применяется зачистка контактных поверхностей под вазелином, а для меди — лужение оловом.
При конструировании зажимов для соединения алюминиевых проводов необходимо иметь в виду свойство алюминия "садиться" с течением времени, вследствие чего контакт ослабляется. Учитывая это свойство алюминиевых проводов, можно использовать специальные клеммы с пружиой, благодаря которой в контакте все время поддерживается необходимое контактное давление.
Давление в контакте является самым существенным фактором, влияющим на сопротивление контакта. Практически сопротивление в контакте, главным образом, зависит от давления в контакте и в значительно меньшей степени от обработки или величины контактной поверхности.
Увеличение давления на контакт вызывает:
- уменьшение сопротивления контакта:
- уменьшение потерь;
- плотное соединение контактных поверхностей, которое уменьшает окисление контактов и тем самым делает соединение более устойчивым.
В практике обычно пользуются нормируемой величиной контактного давления, при котором достигается стабильность контактного сопротивления. Такие оптимальные значения контактного давления различны для разных металлов и разного состояния контактных поверхностей.
Важную роль играет плотность контакта по всей поверхности, для чего нормы удельного давления должны сохраняться независимо от величины контактной поверхности.
Обработка контактных поверхностей должна обеспечить удаление посторонних пленок и дать максимум точечных контактов при соприкосновении поверхностей.
Покрытие контактных поверхностей более мягким металлом, например, лужение медных или железных контактов, облегчает получение хорошего контакта при более низких давлениях.
Для алюминиевых контактов лучшей обработкой является зачистка контактной поверхности наждаком под вазелином. Вазелин необходим потому, что алюминий на воздухе очень быстро покрывается окисной пленкой, а вазелин препятствует доступу воздуха к защищаемой контактной поверхности.
Ряд авторов считает, что контактное сопротивление зависит только от общего давления в контакте и не зависит от величины контактной поверхности.
Это можно представить себе в том случае, если, например, при уменьшении контактной поверхности увеличение контактного сопротивления за счет уменьшения числа контактных точек компенсируется уменьшением сопротивления вследствие сплющивания их благодаря росту удельного контактного давления.
Такая взаимная компенсация двух противоположно направленных процессов может встретиться только в исключительных случаях. Многие эксперименты показывают, что при уменьшении длины контакта и при постоянном общем давлении контактное сопротивление растет.
При длине контактов, уменьшенной вдвое, стабильность сопротивления достигается при более высоких значениях давления.
Уменьшению нагрева контактов при заданной плотности тока способствуют следующие свойства материала контактов: низкое удельное электросопротивление, высокие теплоемкость и теплопроводность, а также высокая теплоизлучающая способность наружной поверхности контактов.
Коррозия контактов, составленных из разных металлов, протекает значительно интенсивнее, чем у контактов, состоящих из одинаковых металлов, В этом случае образуется электрохимическая макропара (металл А — влажная пленка — металл Б), представляющая собой гальванический элемент. Здесь, как и в случае микрокоррозии, один из электродов будет разрушаться, а именно часть контакта, состоящая «из менее благородного металла (анод).
В практике могут встречаться случаи соединения проводников, состоящих из разных металлов, например, медных с алюминиевыми. Такой контакт без специальной защиты может вызвать коррозию менее благородного металла, т. е. алюминия. Действительно, алюминий в контакте с медью сильно корродирует, поэтому непосредственное соединение в контакте меди и алюминия не допускается.