Что такое переходное контактное сопротивление и как с ним бороться

Из размещенных на сайте Ремонтка.ком (remontka.com) ранее статей можно заметить, что как только вопрос касается способов соединения проводов, то сразу возникают споры вокруг того, какой из вариантов соединения лучше и надежнее. Наиболее качественным соединением контактов всегда будет то, которое обеспечивает наиболее низкое значение переходного контактного сопротивления как можно более длительное время.

Контактные соединения в большом количестве входят во все электрические цепи и аппараты и являются их очень ответственными элементами. Так как от состояния электрических контактов в наибольшей степени зависит безаварийная работа электрооборудования и электропроводки, то в этой статье давайте разберемся что же это такое — «переходное контактное сопротивление» и от каких факторов зависит его величина. Опираться при этом будем на теорию электрических аппаратов , так как именно именно в этой дисциплине вопросы электрическ ого контакт ирования исследован ы наиболее хорошо и подробно.

Электрический контакт (в отвлечённом смысле). Состояние, возникающее при соприкосновении двух проводников.

Итак. Контактное соединение – это конструктивное устройство, в котором осуществляется электрическое и механическое соединения двух или нескольких отдельных проводников, которые входят в электрическую цепь. В месте соприкосновения проводников образуется электрический контакт – токопроводящее соединение, через которое ток протекает из одной части в другую.

Простое наложение контактных поврехностей соединяемых проводников не обеспечивает хорошего контакта, так как действительное соприкосновение происходит не по всей поверхности, а только в немногих точках. Причина этого — неровность поверхности контактирующих элементов и даже при очень тщательной шлифовке на поверхностях остаются микроскопические возвышения и впадины.

В книгах по электрическим аппаратам можно встретить подтверждение этому на фотографиях сделанных с помощью микроскопа. Действительная площадь спорикосновения во много раз меньше общей контактной поверхности.

Из-за малой площади соприкосновения контакт представляет довольно значительное сопротивление для прохождения тока. Сопротивление в месте перехода тока из одной контактной поверхности в другую называется переходным контактным сопротивлением . Сопротивление контакта всегда больше, чем сплошного проводника таких же размеров и формы.

Переходное контактное сопротивление – это резкое увеличение активного сопротивления в месте перехода тока из одной детали в другую.

Его величина определяется по формуле, которая вываедена опытным путем в результате многочисленных исследований :

Rп = ε / ( 0,102 F ^m ),

г де ε – коэффициент, который зависит от свойств материала контактов, а т а кже от способа обработки и чистоты контактной поверхности ( ε зависит от физических свойств материалов контактов , удельного электрического сопротивления, механической прочности, способности материалов контактов к окислению, теплопроводности ) , F – сила контактного нажатия, Н, m – коэффициент, зависящий от числа точек соприкосновения контак т ных поверхностей. Этот коэффициент может принимать значения от 0,5 до 1. Для плос костного контакта m = 1.

Из уравнения также следует, что сопротивление контакта не зависит от размера контактных поверхностей и для контакта определяется прежде всего силой давления (контактного нажатия) .

Контактное нажатие – усилие, с которым одна контактная поверхность воздействует на другую. Число соприкосновений в контакте быстро растет при нажатии. Даже при небольших давлениях в контакте происходит пластическая деформация, вершины выступов сминаются и с увеличением давления все новые точки приходят в соприкосновение. Поэтому при создании контактных соединений применяют различные способы нажатия и скрепления проводников:

— механическое соединение при помощи болтов (для этого используются различные клеммники)

— приведение в соприкосновение при помощи упругого нажатия пружин ( клеммники с плоско-пружинным зажимом , например WAGO),

— сварку , спайку, опрессовку.

Если два проводника соприкасаются в контакте, то число площадок и суммарная площадь соприкосновения будут зависеть от величины силы нажатия и от прочности материала контакта (его временного сопротивления на смятие).

Переходное контактное сопротивление тем меньше, чем больше сила нажатия, так как от нее зависит действительная площадь соприкосновения. Однако давление в контакте целесообразно увеличивать только до некоторой определенной величины, потому что при малых значениях давления переходное сопротивление уменьшается быстро, а при больших – почти не изменяется.

Таким образом, давление должно быть достаточно большим для того, чтобы обеспечить малое переходное сопротивление, но не должно вызывать пластических деформаций в металле контактов, что может привести к их разрушению.

Свойства контактного соединения могут с течением времени меняться. Только новый, тщательно обработанный и зачищенный контакт при достаточном давлении имеет наименьшее возможное переходное контактное сопротивление.

В процессе эксплуатации под действием разнообразных факторов внешнего и внутреннего характера переходное сопротивление контакта увеличивается. Контактное соединение может настолько ухудшиться, что иногда становится источником аварии.

В очень большей степени переходное контактное сопротивление зависит от температуры . При протекании тока контакт нагревается и повышение температуры вызывает увеличение переходного сопротивления. Однако увеличение переходного сопротивления контакта идет медленнее, чем увеличение удельного сопротивления материала контакта, так как при нагреве снижается твердость материала и его временное сопротивление смятию, что, как известно, уменьшает переходное сопротивление.

Нагрев контакта приобретает особенно важное значение и в связи с его влиянием на процесс окисления контактных поверхностей. Окисление вызывает очень сильное увеличение переходного сопротивления. При этом окисление поверхности контакта идет тем интенсивнее, чем выше температура контакта.

Медь окисляется на воздухе при обычных температурах жилых помещений (около 20 ^о С). Образующаяся при этом окисная пленка не обладает большой прочностью и легко разрушается при сжатии. Особенно интенсивное окисление меди начинается при температурах выше 70 ^о С.

Алюминиевые контакты на воздухе окисляются более интенсивно, чем медь. Они быстро порываются пленкой окиси алюминия, которая является очень устойчивой и тугоплавкой и обладает такая пленка довольно высоким сопротивлением – порядка 10 ¹² ом х см.

Отсюда можно сделать вывод, что добиться нормального контактирования со стабильным переходным контактным сопротивлением, которое не будет увеличиваться в процессе эксплуатации в этом случае очень тяжело. Именно по этому использовать алюминий в электропроводке неудобно и опасно и большинство проблем с электропроводкой, которые описываются в книгах и в Интернете случаются именно при использовании проводов и кабелей с алюминиевыми жилами.

Таким образом, состояние контактных поврехностей оказывает решающее влияние на рост переходного сопротивления контакта. Для получения устойчивости и долговечности контактного соединения должна быть выполнена качественная зачистка и обработка контактной поверхности , а также создано оптимальное давление в контакте . Показателями хорошего качества контактов служат его переходное контактное сопротивление и температура нагрева.

Фактически используя любой из известных способов соединения проводов (клеммники разных видов, сварка проводов , пайка, опрессовка ) можно добиться стабильно низкого переходного контактного сопротивления. При этом, важно соединять провода правильно, обязательно соблюдая технологию с использованием необходимого для каждого способа соединения и ответвления проводов материалов и инструмента.