Как найти контактное сопротивление

Контактное сопротивление — сопротивление контактной области между различными материалами, например контакт металл-полупроводник. Контактное сопротивление даёт вклад в общее сопротивление системы, которое можно отнести к интерфейсам контакта электрических выводов и соединений, а не к собственному сопротивлению материала. Этот эффект в англоязычной литературе описывается термином «электрическое контактное сопротивление» англ. electrical contact resistance (ECR) и возникает в результате ограниченных площадей истинного контакта на границе раздела и присутствия резистивных поверхностных плёнок или оксидных слоёв. ECR может изменяться со временем, чаще всего уменьшаясь в процессе, известном как ползучесть сопротивления. Идея падения потенциала на инжекционном электроде была введена Уильямом Шокли^[1], чтобы объяснить разницу между экспериментальными результатами и моделью постепенного приближения канала. В дополнение к термину ECR также используются интерфейсное сопротивление, переходное сопротивление. Термин «паразитное сопротивление» используется как более общий термин, в котором обычно предполагается, что контактное сопротивление является основным компонентом.

Экспериментальная характеристика[править | править код]

Здесь необходимо различать оценку контактного сопротивления в двухконтактных системах (например, диодах) и трёхконтактных системах (например, транзисторах).

Для двухконтактной схемы удельное сопротивление контакта экспериментально определяется как наклон кривой IV при V = 0

${displaystyle r_{c}=left{{frac {partial V}{partial J}}right}_{V=0}}$

где J — плотность тока или ток на единицу площади. Поэтому единицы удельного сопротивления контактов обычно выражаются в омах на квадратный метр или ${displaystyle Omega cdot {text{cm}}^{2}}$ . Когда ток является линейной функцией напряжения, говорят, что устройство имеет омические контакты.

Сопротивление контактов можно грубо оценить, сравнив результаты измерения с четырьмя выводами с результатами простого измерения с двумя выводами, выполненного с помощью омметра. В эксперименте с двумя выводами измерительный ток вызывает падение потенциала как на измерительных выводах, так и на контактах, так что сопротивление этих элементов неотделимо от сопротивления фактического устройства, с которым они включены последовательно. При измерении с четырёхточечным датчиком одна пара проводов используется для подачи измерительного тока, а вторая пара проводов, параллельная первой, используется для измерения падения потенциала на образце. В случае с четырьмя зондами нет падения потенциала на проводах измерения напряжения, поэтому падение контактного сопротивления не учитывается. Разница между сопротивлением, полученным с помощью методов с двумя и четырьмя выводами, является достаточно точным измерением контактного сопротивления при условии, что сопротивление выводов намного меньше. Удельное контактное сопротивление можно получить, умножив на площадь контакта. Также следует отметить, что контактное сопротивление может изменяться в зависимости от температуры.

В принципе, индуктивные и ёмкостные методы могут использоваться для измерения внутреннего импеданса без усложнения контактного сопротивления. На практике для определения сопротивления чаще используются методы постоянного тока.

Трёхконтактные системы, такие как транзисторы, требуют более сложных методов аппроксимации контактного сопротивления. Наиболее распространённый подход — это модель линии передачи (TLM). Здесь полное сопротивление устройства ${displaystyle R_{text{tot}}}$ отображается зависимостью от длины канала:

${displaystyle R_{text{tot}}=R_{text{c}}+R_{text{ch}}=R_{text{c}}+{frac {L}{WCmu left(V_{text{gs}}-V_{text{ds}}right)}}}$

где ${displaystyle R_{text{c}}}$ а также ${displaystyle R_{text{ch}}}$ — сопротивление контакта и канала соответственно, длина/ширина канала, — ёмкость подзатворного диэлетрика (на единицу площади), — подвижность носителей тока, и ${displaystyle V_{text{gs}}}$ а также ${displaystyle V_{text{ds}}}$ — напряжения затвор-исток и сток-исток. Следовательно, линейная экстраполяция полного сопротивления на нулевую длину канала даёт контактное сопротивление. Наклон линейной функции связан с крутизной канала и может использоваться для оценки подвижности носителей «без контактного сопротивления». Используемые здесь приближения (линейное падение потенциала в области канала, постоянное контактное сопротивление и так далее) иногда приводят к зависимому от свойств канала контактному сопротивлению^[2].

Помимо TLM была предложена четырёхконтактная схема измерений с затвором^[3] и модифицированный метод времени пролёта (TOF)^[4]. Прямые методы, позволяющие непосредственно измерить падение потенциала на инжекционном электроде, — это Кельвин-зондовая силовая микроскопия (KFM)^[5] и индуцированная электрическим полем генерация второй гармоники^[6].

В полупроводниковой промышленности структуры с поперечно-мостовым резистором Кельвина (CBKR) являются наиболее часто используемыми тестовыми структурами для определения характеристик контактов металл-полупроводник в планарных устройствах технологии СБИС. Во время процесса измерения подают ток (I) между контактами 1 и 2 и измеряют разность потенциалов между контактами 3 и 4. Контактное сопротивление Rk затем можно рассчитать как ^[7].

Механизмы[править | править код]

Для заданных физико-механических свойств материала параметры, которые определяют величину электрического контактного сопротивления (ECR) и его изменение на границе раздела, в первую очередь относятся к структуре поверхности и приложенной нагрузке (механика контакта)^[8]. Поверхности металлических контактов обычно имеют внешний слой из оксидного материала и адсорбированных молекул воды, что приводит к переходам конденсаторного типа на слабо контактирующих выступах и контактам резисторного типа на сильно контактирующих выступах, где прикладывается достаточное давление, чтобы выступы проникли в оксидный слой формирование пятно контакта металл-металл. Если пятно контакта достаточно мало, с размерами, сравнимыми или меньшими, чем длина свободного пробега электронов, сопротивление в пятне может быть описано с помощью формулы Шарвина, посредством чего перенос электронов может быть описан баллистической проводимостью. Как правило, со временем пятна контакта расширяются и контактное сопротивление на границе раздела, особенно на слабо контактирующих поверхностях, уменьшается в результате сварки под действием тока и пробоя диэлектрика. Этот процесс известен также как ползучесть с сопротивления^[9]. При механистической оценке явлений ЭЦР необходимо учитывать взаимосвязь химии поверхности, механики контактов и механизмов переноса заряда.

Квантовый предел[править | править код]

Когда проводник имеет пространственные размеры, близкие к ${displaystyle 2pi /k_{text{F}}}$ , где ${displaystyle k_{text{F}}}$ волновой вектор Ферми в проводящем материале, закон Ома больше не выполняется. Эти небольшие устройства называются квантовыми точечными контактами. Их проводимость должна быть целым числом, кратным значению ${displaystyle 2e^{2}/h}$ , где это элементарный заряд и — постоянная Планка. Квантовые точечные контакты ведут себя больше как волноводы, чем классические провода в повседневной жизни, и могут быть описаны формализмом рассеяния Ландауэра^[10]. Точечное контактное туннелирование — важный метод характеристики сверхпроводников.

Другие формы контактного сопротивления[править | править код]

Измерения теплопроводности также зависят от контактного сопротивления, что особенно важно при передаче тепла через гранулированную среду. Точно так же падение гидростатического давления (аналогично электрическому напряжению) происходит, когда поток жидкости переходит из одного канала в другой.

Значимость[править | править код]

Плохие контакты являются причиной выхода из строя или плохой работы самых разных электрических устройств. Например, ржавые зажимы соединительного кабеля могут помешать попыткам завести автомобиль с разряженной батареей. Грязные или ржавые контакты на предохранителе или его держателе могут создать ложное впечатление, что предохранитель перегорел. Достаточно высокое контактное сопротивление может вызвать значительное нагревание сильноточного устройства. Непредсказуемые или шумные контакты — основная причина выхода из строя электрического оборудования.

Примечания[править | править код]

↑ Shockley, William (September 1964). “Research and investigation of inverse epitaxial UHF power transistors”. Report No. A1-TOR-64-207.
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). “Insight into the contact resistance problem by direct probing of the potential drop in organic field-effect transistors”. Applied Physics Letters. 97 (26): 263304. Bibcode:2010ApPhL..97z3304W. DOI:10.1063/1.3533020.
↑ Pesavento, Paul V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). “Gated four-probe measurements on pentacene thin-film transistors: Contact resistance as a function of gate voltage and temperature”. Journal of Applied Physics. 96 (12): 7312. Bibcode:2004JAP….96.7312P. DOI:10.1063/1.1806533.
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). “Analysis of Transient Currents in Organic Field Effect Transistor: The Time-of-Flight Method”. Journal of Physical Chemistry C. 113 (43): 18459. DOI:10.1021/jp908381b.
↑ Bürgi, L.; Sirringhaus, H.; Friend, R. H. (2002). “Noncontact potentiometry of polymer field-effect transistors”. Applied Physics Letters. 80 (16): 2913. Bibcode:2002ApPhL..80.2913B. DOI:10.1063/1.1470702.
↑ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). “Probing carrier injection into pentacene field effect transistor by time-resolved microscopic optical second harmonic generation measurement”. Journal of Applied Physics. 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode:2009JAP…106a4511N. DOI:10.1063/1.3168434.
↑ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Alexey Y.; Wolters, Rob A. M. (February 2009). “Cross-Bridge Kelvin Resistor Structures for Reliable Measurement of Low Contact Resistances and Contact Interface Characterization”. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 22 (1): 146—152. DOI:10.1109/TSM.2008.2010746. ISSN 0894-6507. S2CID 111829. Архивировано из оригинала 2021-05-04. Дата обращения 2021-05-04.
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwénaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (December 2016). “Interfacial electro-mechanical behaviour at rough surfaces” (PDF). Extreme Mechanics Letters. 9 (3): 422—429. DOI:10.1016/j.eml.2016.03.021. Архивировано (PDF) из оригинала 2021-04-19. Дата обращения 2021-05-04.
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian A. H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). “Stress-Dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces”. Journal of Engineering Mechanics. 143 (3): B4015001. DOI:10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967.
↑ Landauer, Rolf (August 1976). “Spatial carrier density modulation effects in metallic conductivity”. Physical Review B. 14 (4): 1474—1479. Bibcode:1976PhRvB..14.1474L. DOI:10.1103/PhysRevB.14.1474.

Литература[править | править код]

Ney Contact Manual – Electrical Contacts for Low Energy Uses. — reprint of 1st. — Deringer-Ney, originally JM Ney Co., 2014. (недоступная ссылка) (NB. Free download after registration.)
Electrical Contacts: Principles and Applications. — 2. — CRC Press, Taylor & Francis, Inc., 2014-02-12. — Vol. 105. — ISBN 978-1-43988130-9.
Electric Contacts: Theory and Application. — reprint of 4th revised. — Springer Science & Business Media, 2013-06-29. — ISBN 978-3-540-03875-7. (NB. A rewrite of the earlier «Electric Contacts Handbook».)
Electric Contacts Handbook. — 3rd completely rewritten. — Berlin / Göttingen / Heidelberg, Germany : Springer-Verlag, 1958. — ISBN 978-3-66223790-8. [1] (NB. A rewrite and translation of the earlier «Die technische Physik der elektrischen Kontakte» (1941) in German language, which is available as reprint under ISBN 978-3-662-42222-9.)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren : []. — 3. — Berlin / Heidelberg / New York / Tokyo : Springer-Verlag, 2016. — ISBN 978-3-642-45426-4.

Источник

Электричество — наука о контактах, но, как и в других сферах жизни, не все контакты одинаково хороши. И когда в очередной раз заходит спор о способах соединений, начинаются ругательства в адрес популярных клеммников, а любители опрессовки получают техническое и моральное превосходство над оппонентами… Но чему это так? Почему плохие соединения нагреваются под нагрузкой? Давайте разбираться!

Тему нагрева проводников я уже затрагивал в статье «Почему греются провода и контакты? Закон Джоуля — Ленца.», в этой же статье хочу поговорить именно о контактах и их сопротивлении.

Общие сведения и основные определения

У любого проводника есть сопротивление, для его вычисления нужно знать удельное сопротивление проводника и его геометрические размеры, после чего подставить все эти данные во всем известную формулу:

где R — сопротивление проводника, ρ — удельное сопротивление (Ом×мм²/м), L – длина проводника (м), S — площадь поперечного сечения проводника (мм²).

И этого достаточно чтобы узнать активное сопротивление отдельного сплошного проводника. Но если проводник не сплошной и по его длине есть соединения или коммутационные аппараты, то к этому сопротивлению добавятся ещё и сопротивление контактов.

Если сказать простым языком, то электрический контакт — это место перехода тока из одного проводника в другой. А более точные определения узнать из ГОСТ 14312-79 «КОНТАКТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ. Термины и определения»:

1. Электрический контакт — соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи.

3. Контакт электрической цепи — часть электрической цепи, предназначенная для коммутации и проведения электрического тока.

4. Контакт-деталь — Деталь, соприкасающаяся с другой при образовании электрического контакта.

5. Контактное соединение — контакт электрической цепи, предназначенный только для проведения электрического тока и не предназначенный для коммутации электрической цепи при заданном действии устройства.

Из определений понятно, что контакты можно разделить на 2 группы:

Контакты, которые можно коммутировать (замыкать и размыкать), например, как в выключателях, автоматах, контакторах и прочих коммутационных аппаратах.
Контакты, которые нельзя коммутировать, предназначенные только для проведения тока — это разборные или неразборные соединения проводников любым возможным способом, то есть болтовые, обжатые, паянные или сварные соединения.

Части поверхностей проводников, которые касаются друг друга, называются контактными поверхностями. Однако даже когда контактные поверхности касаются друг друга всей площадью, это не значит, что ток протекает из одного проводника в другой через всю эту площадь. Дело в том, что есть кажущаяся и действительная контактная поверхность.

Кажущаяся контактная поверхность — это площадь пересечения контакт-деталей в замкнутом положении. То есть кажущаяся поверхность определяется формой и размерами контактных поверхностей, которые касаются друг друга.

Кажущаяся контактная поверхность (заштрихована) — такого в жизни не бывает

Но даже при тонкой обработке, шлифовке и полировке на контактах остаются шероховатости — бугорки, впадины, царапины… Из-за этого реальная или действительная поверхность соприкосновения значительно меньше и ток протекает только через небольшие площадки в местах соприкосновения деталей. Несколько преувеличивающую иллюстрацию этого вы видите на рисунке ниже. Здесь действительная контактная площадь заштрихована красным цветом в правой части рисунка, а в левой части стрелками указаны пути протекания тока.

Действительная поверхность контактов и ток через

В результате в точках перехода тока из одного проводника в другой образуются участки с повышенной плотностью тока по сравнению с плотностью тока в основном теле частей контакта. У этих участков повышенное сопротивление току из-за малой площади поперечного сечения и называется оно сопротивлением стягивания. Кроме него на переходное сопротивление контактов также влияет наличие окислов.

Переходное контактное сопротивление — это активное сопротивление, которое возникает в месте перехода тока из одной контактной поверхности в другую.

На что влияет

Согласно закону Ома, при протекании тока на сопротивлении падает какое-то напряжение, которое можно вычислить по формуле:

В то же время, когда протекает электрический ток через сопротивление, на нём выделяется мощность в виде тепла, которую можно рассчитать по формуле:

Так как переходное сопротивление контактов всегда больше сопротивления остальных проводников участка цепи, при протекании тока на контактах будет выделяться больше тепла, чем на других проводниках. При повышенных значениях переходного сопротивления контакты будут перегреваться, что приведёт к их дальнейшему свариванию или, наоборот, исчезновению контакта в этом месте и прекращению протекания тока.

Поэтому переходное сопротивление контактов оказывает сильнейшее влияние на работу элеткроцепи в целом.

От чего зависит

Переходное сопротивление контактов (Rп) зависит от двух составляющих — сопротивления оксидной плёнки (Rпл) и сопротивления стягивания (Rcт). Сопротивление стягивания — это как раз сопротивление касающихся участков контактных поверхностей, всё это можно записать в виде формулы:

Контакты бывают разных типов — линейные, поверхностные, точечные и другие. У точечного контакта соприкосновение поверхностей происходит в одной точке, а кажущаяся и действительная поверхности одинаковые. Но у других типов контактов это не так. Например, у линейных контактов точки соприкосновения лежат на одной линии, а у плоскостных — точки соприкосновения произвольно распределены по площади соприкасающихся поверхностей.

Сопротивление стягивания рассчитывается разными формулами для разных типов материалов с учётом вида их деформации (упругая или пластичная) и останавливаться на них мы не будем. Потому что для расчёта переходного сопротивления есть формула, полученная опытным путём:

где knx — коэффициент, который зависит от материала и формы контакта, способа обработки поверхности и её состояния; Fк — контактное нажатие; показатель степени n — характеризует число точек соприкосновения и для разных типов контактов может отличаться: для поверхностного контакта n = 0,7-1, для линейного n = 0,5-0,7, для точечный n = 0,5.

Контактное нажатие — это сила, с которой сжимаются контакт-детали.

Из формулы мы видим, что переходное сопротивление зависит только от силы контактного нажатия и формы контакта, а площади контактной поверхности здесь нет.

Дело в том, что при увеличении силы контактного нажатия неровности на контактных поверхностях сминаются и из-за этого увеличивается площадь касания, что приводит к снижению переходного сопротивления.

Точки касания контактных поверхностей с малой и большой силой контактного нажатия

Но всему есть предел и бесконечно увеличивать прижим контактов нельзя, потому что металл может деформироваться и чрезмерное сжатие приведёт повреждению контактных напаек.

Сопротивление окислов — это вторая важная составляющая переходного сопротивления. Дело в том, что металлы окисляются на воздухе, из-за этого переходное сопротивление может вырасти в десятки и сотни раз. Для борьбы с этим негативным эффектом используют определённые конструкции контактных деталей или изготавливают их из более устойчивых к окислению материалов.

В некоторых типах контактов конструктивно заложено снятие плёнки при коммутации. Например, в рубильниках при замыкании ножи скользят по контактным стойкам, при этом снимается слой окисла и сажи с поверхности.

По той же причине контактные напайки часто изготавливают серебра или других дорогих металлов или их сплавов с более дешёвыми. Дело в том, что серебро, например, например, окисляется на воздухе значительно дольше чем медь, к тому же сопротивление окислов серебра ненамного больше, чем сопротивление самого серебра. Тогда как сопротивление окисла алюминия доходит до 1012 Ом×см. То есть это фактически диэлектрик.

Выдержка из книги «Уход за контактами низковольтных аппаратов» В. А. Образцова

Но кроме окисления контактов на воздухе, есть и другие факторы, которые влияют на переходное сопротивление — дуги при коммутации и высокие температуры.

При коммутации происходит образование дуги, особенно при включении ёмкостной и отключении индуктивной нагрузки. При горении дуги материал контактной поверхности распыляется в окружающую среду и переносится с одного контакта на другой. При разборке коммутационных аппаратов вы и сами могли видеть капли металла на стенках рядом с контактами. В результате поверхности контактов повреждаются — уменьшается количество точек касания и действительная площадь контактной поверхности.

Из-за этого увеличивается контактное сопротивление, а следовательно, и нагрев.

Кроме этого, во время горения дуги происходит локальное увеличение температуры катодных пятен (места, где начинает и заканчивается дуга). Она может достигать и точки плавления материала контактов. К тому же при высокой температуре процесс окисления поверхностей происходит в разы интенсивнее, чем при комнатной температуре.

Из-за всего этого в процессе использования коммутационных аппаратов контактные поверхности постоянно износятся и повышается переходное контактное сопротивление.

Рассмотренные проблемы присущи не только коммутационным приборам, им подвержены и неразмыкаемые соединения контактов. Но в этом случае возможно создать значительно большее сжатие, например, с помощью болтового соединения и опрессовки. Таким образом достигается большая действительная площадь контактной поверхности и меньшее переходное сопротивление.

Поэтому опрессовка гильзами, как правильно, лучше, чем использование любых пружинных клеммников, а сварка и подавно.

Выводы

Основное влияние на переходное сопротивление оказывает контактное нажатие, а также износ и окисление в процессе эксплуатации.

Для защиты и снижения влияния дуги на состояние контактов используются дугозащитные камеры и другие способы её гашения. А для защиты от окисления контакты изготавливают из материалов, которые меньше окисляются (серебро, платина, палладий и их сплавы, и композиты).

Алексей Бартош специально для ЭТМ.

Источник

Контактное сопротивление

Пусть известно
сопротивление R
участка проводника длиной l.
Разрежем этот проводник перпендикулярно
оси. Получившиеся поверхности обработаем
любым способом и приведем в соприкосновение.
Сопротивление этого же участка проводника
возрастет на некоторую величину R_к,
которую называют сопротивлением
контакта. Это сопротивление имеет две
составляющие.
Первая
обусловлена загрязненностью и окислением
поверхностей, когда в цепь вводится
дополнительное сопротивление различных
пленок на поверхности контактирующих
тел. Вторая
заключается в том, что при контакте
касание поверхностей происходит не по
всей плоскости, а по отдельным площадкам,
расположенным по плоскостям в соответствии
с микрогеометрией сдавливаемых граней.
В результате стягивания линий тока к
площадке контактирования путь тока
меняется. Сечение проводника, через
которое фактически проходит ток,
становится меньше, что вызывает увеличение
сопротивления. Сопротивление в области
точки касания, обусловленное явлением
стягивания линий тока, называется
сопротивлением стягивания контакта.

Таким образом,
сопротивление контакта представляется
как сумма сопротивления стягивания и
сопротивления пленки:

где R_с
– сопротивление стягивания вектора
плотности тока, зависящее от материала
контактов, числа площадок контактирования
и силы сжатия; R_пл
– сопротивление окисной пленки,
меняющееся в процессе работы в очень
широких пределах.

Положим, что контакты
имеют только одну площадку касания и
что эта площадка имеет форму круга с
радиусом а.
Величину радиуса при пластической
деформации можно найти с помощью
уравнения:

(3.1)

где F
– сила контактного нажатия; σ – временное
сопротивление смятия контактного
материала.

Для определения R_к одноточечного
контакта применяют формулу Хольма:

(3.2)

где 
– удельное сопротивление контактного
материала.

Для многоточечного
контакта:

где n
– число точек контактирования.

С учетом (3.1) переходное
сопротивление запишется в виде:

(3.3)

Переходное
сопротивление для линейного контакта:

где l
– длина контакта по линии, r
– радиус кривизны поверхности контакта,
Е
– модуль упругости материала контакта,
F
— контактное нажатие.

Если имеет место
применение разнородных контактных пар,
то величина Е
или 
выбирается для более мягкого материала.

Режимы работы контактов

Включение цепи.
При
включении контактов имеют место следующие
процессы:

Вибрация контактов.
Эрозия
контактов – результат образования
разряда между сходящимися контактами.

Пусть подвижный
контакт связан с контактным рычагом
через контактную пружину. Неподвижный
контакт жестко закреплен в опоре. Привод
подвижного контакта воздействует на
рычаг. В момент соприкосновения контактов
происходит удар, в результате которого
происходит деформация смятия и отброс
подвижного контакта. Между контактами
загорается электрическая дуга. Движение
контакта прекращается, когда энергия
удара перейдет в энергию сжатия пружины.
После чего произойдет опять замыкание
контактов и отброс. Вибрация контактов
приводит к многократному образованию
электрической дуги, которая приводит
к оплавлению и распылению контактов. В
связи с износом контактов уменьшается
контактное нажатие во включенном
положении, что приводит к увеличению
переходного сопротивления. Для уменьшения
вибрации контактная пружина имеет
предварительную деформацию при
разомкнутых контактах. С ростом начального
нажатия вибрация резко уменьшается.
Однако при чрезмерном начальном нажатии
вибрация снова возрастает из-за
недостаточной силы приводного механизма.
Кроме того, на вибрацию контактов сильно
влияет момент инерции подвижной части,
с ростом которого вибрация усиливается.
Поэтому контакты необходимо по возможности
облегчить.

При включении цепи
при сближении контактов возрастает
напряженность электрического поля
между контактами. При некотором расстоянии
происходит пробой межконтактного
промежутка. В дуговую форму разряд не
переходит, т.к. контакты замыкаются,
прекращая разрядные процессы. Возникающие
при пробое электроны бомбардируют анод
и вызывают его износ. Износ контактов
в результате переноса материала с одного
контакта на другой без изменения состава
материала, называется физическим износом
или эрозией.

Различают мостиковую
и дуговую эрозию контактов.

Мостиковая эрозия
наблюдается, когда между размыкающимися
контактами существует расплавленный
металлический перешеек, образовавшийся
под действием энергии, выделяемой
протекающим через контакты током.
Мостиковая эрозия обусловлена тем, что
разрыв происходит не в середине мостика,
а ближе к одному из электродов (чаще к
аноду). Это приводит к переносу металла
из одного электрода на другой. Анод, как
правило, имеет более высокую температуру,
поэтому часть металла из него переходит
на катод. На катоде появляется выступ,
а на аноде кратер. Мостиковая эрозия
имеет место, в основном, в слаботочных
аппаратах.

Дуговая эрозия
имеет место, когда в межконтактном
промежутке существует электрический
разряд, обычно содержащий пары металла
(металл испаряется). В результате дуговой
эрозии происходит интенсивный износ
контактов.

Проведение
тока во включенном состоянии.
В этом режиме следует различать два
случая: через контакты длительно
протекает номинальный ток; через контакты
протекает ток короткого замыкания.

Для различных
материалов характерной является
температура размягчения материала
,
которой соответствует падение напряжения
на контакте U_к₁,
и температура плавления материала
,
которой соответствует падение напряжения
на контакте U_к₂.
Для надежной работы контактов необходимо,
чтобы при номинальном токе I_н
падение напряжения на контакте было
меньше U_к₁:

Расчет параметров
контактной системы при I_н
сводится к определению:

Необходимого
контактного нажатия при заданном
значении тока и максимальной температуре
площадки контактирования.
Температуры
контактной площадки при заданных
параметрах контактной системы.

Общее решение задачи
сводят к решению уравнения распределения
тепла в контактном элементе при наличии
внутренних источников тепла:

где
I_н
– величина тока в номинальном режиме,
протекающего по одному контакту, А;

– соответственно температура площадки
контактирования;

– температура контактного элемента,
которую принимаем равной допустимой
температуре нагрева соседних с контактами
элементов токоведущего контура
⁰С;
L
– число Лоренца, изменяющееся в пределах
;
λ – коэффициент теплопроводности
контактного материала,
;
ξ_м
– коэффициент, характеризующий чистоту
обработки поверхности.

Из
уравнения можно определить:

силу
контактного нажатия:

температуру
площадки контактирования:

допустимое
значение тока:
.

Контактные системы
коммутационных аппаратов во включенном
состоянии должны выдерживать термическое
и электродинамическое воздействие тока
короткого замыкания заданного значения
без сваривания и отброса контактов.
Результирующее усилие самопроизвольного
отброса контактов при протекании тока
короткого замыкания через замкнутые
контакты складывается из электродинамических
усилий отброса F_ЭД,
отбрасывающего усилия, вызванного
электромагнитным полем F_ЭМ,
усилий термического характера F_ТЕРМ,
за счет взрывного испарения контактного
материала в площадке стягивания тока.
Для надежной работы контактной системы
необходимо, чтобы контактное нажатие
преобладало над суммарными усилиями
отброса:

В замкнутом состоянии
контактов, при протекании токов короткого
замыкания может произойти холодное
сваривание контактов. При токах короткого
замыкания в точках контактирования
температура нагрева может превысить
температуру рекристаллизации материала
_рекр
и в точках контактирования произойдет
сваривание контактов. Процесс сваривания
контактов характеризуется величиной
тока сваривания, при котором контакты
свариваются и механическим сцеплением
(силой отрыва). Эти параметры зависят
от материала контактов, его теплофизических
и механических свойств, прочностных
характеристик.

Отключение
цепи. При
размыкании контактов сила контактного
нажатия уменьшается, переходное
сопротивление возрастает, и как следствие
растет температура точек касания. В
момент размыкания контактов температура
достигает точки плавления и между
контактами возникает мостик из жидкого
металла. Далее мостик обрывается и
возникает дуговой разряд (мостиковая
эрозия). При дуговом разряде температура
анодного и катодного пятна дуги достигает
точки плавления материалов. Высокая
температура приводит к их интенсивному
окислению, распылению контактного
материала в окружающее пространство,
переносу материала с одного электрода
на другой и образованию пленок. Все это
приводит к износу контактов (дуговая
эрозия).

Пути снижения эрозии
контактов:

Сокращение
длительности горения дуги с помощью
дугогасительных устройств.
Устранение вибрации
контактов при включении.
Применение дугостойких
материалов контактов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

From Wikipedia, the free encyclopedia

The term contact resistance refers to the contribution to the total resistance of a system which can be attributed to the contacting interfaces of electrical leads and connections as opposed to the intrinsic resistance. This effect is described by the term electrical contact resistance (ECR) and arises as the result of the limited areas of true contact at an interface and the presence of resistive surface films or oxide layers. ECR may vary with time, most often decreasing, in a process known as resistance creep. The idea of potential drop on the injection electrode was introduced by William Shockley^[1] to explain the difference between the experimental results and the model of gradual channel approximation. In addition to the term ECR, interface resistance, transitional resistance, or just simply correction term are also used. The term parasitic resistance is used as a more general term, of which it is usually assumed that contact resistance is a major component.

Sketch of the contact resistance estimation by the transmission line method.

Experimental characterization[edit]

Here we need to distinguish the contact resistance evaluation in two-electrode systems (e.g. diodes) and three-electrode systems (e.g. transistors).

For two electrode systems the specific contact resistivity is experimentally defined as the slope of the I-V curve at V = 0:

$r_{c}=left{{frac {partial V}{partial J}}right}_{{V=0}}$

where J is the current density, or current per area. The units of specific contact resistivity are typically therefore in ohms-square meter, or $Omega cdot {text{cm}}^{2}$ . When the current is a linear function of the voltage, the device is said to have ohmic contacts.

The resistance of contacts can be crudely estimated by comparing the results of a four terminal measurement to a simple two-lead measurement made with an ohmmeter. In a two-lead experiment, the measurement current causes a potential drop across both the test leads and the contacts so that the resistance of these elements is inseparable from the resistance of the actual device, with which they are in series. In a four-point probe measurement, one pair of leads is used to inject the measurement current while a second pair of leads, in parallel with the first, is used to measure the potential drop across the device. In the four-probe case, there is no potential drop across the voltage measurement leads so the contact resistance drop is not included. The difference between resistance derived from two-lead and four-lead methods is a reasonably accurate measurement of contact resistance assuming that the leads resistance is much smaller. Specific contact resistance can be obtained by multiplying by contact area. Contact resistance may vary with temperature.

Inductive and capacitive methods could be used in principle to measure an intrinsic impedance without the complication of contact resistance. In practice, direct current methods are more typically used to determine resistance.

The three electrode systems such as transistors require more complicated methods for the contact resistance approximation. The most common approach is the transmission line model (TLM). Here, the total device resistance ${displaystyle R_{text{tot}}}$ is plotted as a function of the channel length:

${displaystyle R_{text{tot}}=R_{text{c}}+R_{text{ch}}=R_{text{c}}+{frac {L}{WCmu left(V_{text{gs}}-V_{text{ds}}right)}}}$

where ${displaystyle R_{text{c}}}$ and ${displaystyle R_{text{ch}}}$ are contact and channel resistances, respectively, L/W is the channel length/width, is gate insulator capacitance (per unit of area), is carrier mobility, and ${displaystyle V_{text{gs}}}$ and ${displaystyle V_{text{ds}}}$ are gate-source and drain-source voltages. Therefore, the linear extrapolation of total resistance to the zero channel length provides the contact resistance. The slope of the linear function is related to the channel transconductance and can be used for estimation of the ”contact resistance-free” carrier mobility. The approximations used here (linear potential drop across the channel region, constant contact resistance, …) lead sometimes to the channel dependent contact resistance.^[2]

Beside the TLM it was proposed the gated four-probe measurement^[3] and the modified time-of-flight method (TOF).^[4] The direct methods able to measure potential drop on the injection electrode directly are the Kelvin probe force microscopy (KFM)^[5] and the electric-field induced second harmonic generation.^[6]

In the semiconductor industry, Cross-Bridge Kelvin Resistor(CBKR) structures are the mostly used test structures to characterize metal-semiconductor contacts in the Planar devices of VLSI technology. During the measurement process, force the current (I) between contact 1&2 and measure the potential deference between contacts 3&4. The contact resistance Rk can be then calculated as .^[7]

Mechanisms[edit]

For given physical and mechanical material properties, parameters that govern the magnitude of electrical contact resistance (ECR) and its variation at an interface relate primarily to surface structure and applied load (Contact mechanics).^[8] Surfaces of metallic contacts generally exhibit an external layer of oxide material and adsorbed water molecules, which lead to capacitor-type junctions at weakly contacting asperities and resistor type contacts at strongly contacting asperities, where sufficient pressure is applied for asperities to penetrate the oxide layer, forming metal-to-metal contact patches. If a contact patch is sufficiently small, with dimensions comparable or smaller than the mean free path of electrons resistance at the patch can be described by the Sharvin mechanism, whereby electron transport can be described by ballistic conduction. Generally, over time, contact patches expand and the contact resistance at an interface relaxes, particularly at weakly contacting surfaces, through current induced welding and dielectric breakdown. This process is known also as resistance creep.^[9] The coupling of surface chemistry, contact mechanics and charge transport mechanisms needs to be considered in the mechanistic evaluation of ECR phenomena.

Quantum limit[edit]

When a conductor has spatial dimensions close to ${displaystyle 2pi /k_{text{F}}}$ , where ${displaystyle k_{text{F}}}$ is Fermi wavevector of the conducting material, Ohm’s law does not hold anymore. These small devices are called quantum point contacts. Their conductance must be an integer multiple of the value $2e^{2}/h$ , where is the elementary charge and is Planck’s constant. Quantum point contacts behave more like waveguides than the classical wires of everyday life and may be described by the Landauer scattering formalism.^[10] Point-contact tunneling is an important technique for characterizing superconductors.

Other forms of contact resistance[edit]

Measurements of thermal conductivity are also subject to contact resistance, with particular significance in heat transport through granular media. Similarly, a drop in hydrostatic pressure (analogous to electrical voltage) occurs when fluid flow transitions from one channel to another.

Significance[edit]

Bad contacts are the cause of failure or poor performance in a wide variety of electrical devices. For example, corroded jumper cable clamps can frustrate attempts to start a vehicle that has a low battery. Dirty or corroded contacts on a fuse or its holder can give the false impression that the fuse is blown. A sufficiently high contact resistance can cause substantial heating in a high current device. Unpredictable or noisy contacts are a major cause of the failure of electrical equipment.

References[edit]

^ Shockley, William (September 1964). “Research and investigation of inverse epitaxial UHF power transistors”. Report No. A1-TOR-64-207.
^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). “Insight into the contact resistance problem by direct probing of the potential drop in organic field-effect transistors”. Applied Physics Letters. 97 (26): 263304. Bibcode:2010ApPhL..97z3304W. doi:10.1063/1.3533020.
^ Pesavento, Paul V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). “Gated four-probe measurements on pentacene thin-film transistors: Contact resistance as a function of gate voltage and temperature”. Journal of Applied Physics. 96 (12): 7312. Bibcode:2004JAP….96.7312P. doi:10.1063/1.1806533.
^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). “Analysis of Transient Currents in Organic Field Effect Transistor: The Time-of-Flight Method”. Journal of Physical Chemistry C. 113 (43): 18459. doi:10.1021/jp908381b.
^ Bürgi, L.; Sirringhaus, H.; Friend, R. H. (2002). “Noncontact potentiometry of polymer field-effect transistors”. Applied Physics Letters. 80 (16): 2913. Bibcode:2002ApPhL..80.2913B. doi:10.1063/1.1470702.
^ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). “Probing carrier injection into pentacene field effect transistor by time-resolved microscopic optical second harmonic generation measurement”. Journal of Applied Physics. 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode:2009JAP…106a4511N. doi:10.1063/1.3168434.
^ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Alexey Y.; Wolters, Rob A. M. (February 2009). “Cross-Bridge Kelvin Resistor Structures for Reliable Measurement of Low Contact Resistances and Contact Interface Characterization”. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 22 (1): 146–152. doi:10.1109/TSM.2008.2010746. ISSN 0894-6507. S2CID 111829.
^ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwénaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (December 2016). “Interfacial electro-mechanical behaviour at rough surfaces” (PDF). Extreme Mechanics Letters. 9 (3): 422–429. doi:10.1016/j.eml.2016.03.021.
^ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian A. H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). “Stress-Dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces”. Journal of Engineering Mechanics. 143 (3): B4015001. doi:10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967.
^ Landauer, Rolf (August 1976). “Spatial carrier density modulation effects in metallic conductivity”. Physical Review B. 14 (4): 1474–1479. Bibcode:1976PhRvB..14.1474L. doi:10.1103/PhysRevB.14.1474.

Что такое переходное контактное сопротивление

Итак, давайте разберемся, что же такое переходное контактное сопротивление, а для этого надо начать с контактного соединения.

Переходное сопротивление (ПС) – это такое сопротивление, которое появляется там, где поверхности контактов соединяются друг с другом. Оно возникает при преодолении током границы токопроводящего соединения. В этом случае активное сопротивление резким скачком увеличивается при прохождении тока от одной поверхности к другой.

Контактное соединение – это конструктивное устройство, в котором создается механическое и вследствие этого электрическое соединение двух и более проводников входящих в электрическую цепь.

В месте контакта двух проводников создается электрический контакт – токопроводящее соединение, в результате которого ток протекает из одного проводника в другой.

Причем если мы с вами просто приложим два проводника друг к другу, то это не обеспечит надежный контакт. Так как реальный контакт проводников осуществляется не по всей поверхности прислоненных пластин, а лишь в немногочисленных точках.

А все из-за того, что на проводнике присутствуют микроскопические ямы и бугры и даже тщательная обработка (шлифовка) не устранит такие неровности.

Получается, что из-за столь незначительного контакта поверхностей в данном месте будет довольно большое сопротивление протеканию тока.

Сопротивление в месте перехода тока из одного проводника в другой и получило название “Переходное сопротивление контактов.”

Определение. Переходное контактное сопротивление – это активное сопротивление в месте перехода тока из одной детали в другую.

Величину такого сопротивления можно найти по формуле, которая была получена экспериментальным путем:

Как вы, наверное, заметили, если внимательно изучить формулу, то становится очевидно, что сопротивление контакта не имеет прямой зависимости от размера контактных поверхностей. И в этом случае для переходного сопротивления гораздо важнее сила давления (контактного нажатия).

Контактным нажатием называется усилие, с которым оказывается давление одной контактной поверхности на другую.

Число контактных точек начинает увеличиваться по мере того, как возрастает сила нажатия. Причем даже при малом давлении процесс деформации вершин и впадин в значительной степени увеличивает число точек соприкосновения.

И именно по этой причине для создания надежного контакта используют разнообразные способы сжатия и скрепления проводников:

1. Механическое соединение с помощью болтовых соединений.

2. Использование пружин для упругого нажатия (Wago клеммники).

3. Сварка, пайка и опрессовка.

Получается, что переходное контактное сопротивление тем меньше, чем больше сила нажатия, а, следовательно, больше реальная площадь соприкосновения проводников.

Примечание. На первый взгляд кажется, что выше представленное утверждение не согласуется с экспериментально полученной формулой, но на самом деле все прекрасно согласуется. Ведь по формуле мы с вами высчитываем сопротивление в конкретной точке, но с ростом давления количество точек соприкосновения увеличивается, создавая в месте контакта все больше условно параллельных сопротивлений. А, как известно, при параллельном соединении суммарное сопротивление уменьшается.

Но при этом следует учесть, что увеличивать давление (тем самым снижая сопротивление) можно только до определенного уровня. Нельзя допускать пластических деформаций соединяемых проводников, ведь это может привести к их разрушению.

Также данное сопротивление зависит от температуры, ведь при нагреве проводника возрастает переходное контактное сопротивление. Еще следует учесть, что при росте температуры существенно быстрее изменяется удельное сопротивление материала, в результате чего переходное сопротивление наоборот уменьшается.

Получается, что небольшой нагрев не столь страшен, главное чтобы температура не превышала определенных рамок.

Изменение контактного сопротивления со временем

Как говорят классики: “Ничто не вечно под луной.” Так дела обстоят и с надежно выполненным контактом. Минимальное переходное сопротивление у него будет лишь в самом начале, а во время эксплуатации оно может существенно измениться и вот почему.

Сильное влияние на такое сопротивление оказывает температура. Так даже при температуре в 20 градусов по Цельсию медь окисляется, в результате чего на поверхности жилы формируется оксидная пленка, которую достаточно легко разрушить.

А вот если температура провода в результате сильно возросшей нагрузки или плохого контакта возрастет до +70 градусов и более, процесс формирования оксидной пленки ускорится многократно, что приведет к еще большему увеличению сопротивления, а, следовательно, увеличит нагрев, что может привести к плачевным последствиям.

Но еще хуже дела обстоят с алюминием, ведь это очень активный металл и процесс формирования пленки из оксидов идет гораздо интенсивней. А сформированная пленка (в отличие от медной) очень устойчива и тугоплавка. Сопротивление окисла алюминия равно 10^12 Ом*см.

Отсюда следует вывод, что использовать алюминий для выполнения, например, домашней проводки, нежелательно. Ведь таким образом создать надежное контактное соединение со стабильно низким контактным сопротивлением будет достаточно сложно.

И, подводя итог всего вышенаписанного, хочу сказать, что какой бы вы не выбрали способ соединения проводов, самое главное, чтобы контакт был выполнен строго по всем правилам и требованиям, и тогда переходное контактное сопротивление будет минимально, и соединение при должном периодическом обслуживании (если это не сварка тут обслуживание не нужно) прослужит вам очень долго и безаварийно.

Причины возникновения явления

Контактное соединение коммутирует между собой участки электроцепи. Там, где происходит соединение, получается токопроводящее взаимное прикосновение, через которое ток из одного участка цепи переходит в другой. Обычное наложение поверхностей не выполняет качественного соединения. Это связано с тем, что реальные поверхности – это неровности, имеющие выступы и углубления. При достаточном увеличении изображения можно это наблюдать даже на отшлифованных плоскостях.

Внимание! На практике получается, что площадь реального прикосновения гораздо меньше всей площади контакта.

Ещё одной причиной возникновения такого сопротивления являются пленки окисления металла, присутствующие на поверхностях. Они препятствуют движению электричества и стягивают линии тока к точкам касания. Избавиться от этого сопротивления полностью невозможно. Его величина всегда больше, чем удельные сопротивления металлов, из которых выполнены проводники.

От чего зависит переходное сопротивление контактов?

Мы выяснили, что от площадей соприкасаемых поверхностей мало что зависит. На нагрев участка механического соединения влияют и другие явления. Например, окисление меди приводит к повышению температуры нагрева на скрутках соединительных проводов. Аналогичный процесс происходит также при соединении алюминиевых проводников.

В результате окисления проводников на их поверхностях образуется тонкая оксидная плёнка. С одной стороны, наличия пленок препятствует проникновению кислорода вглубь металла, предотвращая дальнейшее его разрушение, но с другой стороны они являются ещё одной причиной роста переходных сопротивлений.

Когда медь окисляется, то на поверхности контактной площадки образуется устойчивая плёнка. А это всегда приводит к увеличению сопротивляемости перехода. Устранить дефект можно путём протирания контактов спиртом. Регулярная процедура чистки помогает содержать коммутационные устройства в актуальном состоянии.

Алюминиевый контакт лучше поддаётся влиянию контактного нажатия, благодаря пластичности этого металла. С целью увеличения силы нажатия применяются болты, пружинные зажимы и различные клеммники.

Медные соединительные провода часто припаивают. В местах спайки переходное сопротивление минимальное.

Подводя итог, можем констатировать:

Простое соприкосновение контактных поверхностей не обеспечивает надёжного контакта, поскольку соединение происходит не по всей поверхности, а лишь в немногих точках.
на преодоление контактного перехода почти не влияют размеры и формы контактных площадок (см. график на рис. 3).
Контактное нажатие существенно влияет на структуру перехода. Однако, это влияние проявляется только при сравнительно незначительных усилиях. После некоторого значения приложенной силы, вызвавшей смятие, сопротивляемость току стабилизируется.
Со временем на медных и алюминиевых контактах образуется защитная плёнка, увеличивающая сопротивление. Для борьбы с этим явлением используют сплавы, покрывают поверхности серебром. Окисление активизируется при повышении температуры (для меди свыше 70 ºC). Температура в свою очередь зависит от токов нагрузки.
Очень интенсивно на открытом воздухе окисляется алюминий. Оксидная плёнка алюминия обладает довольно большим удельным сопротивлением.

Рис. 3. Переходное сопротивление стали
Чтобы добиться нужного результата, следует учитывать комплексное влияние всех вышеперечисленных факторов. Правилами устройств электроустановок строго регламентируется сопротивление контактной группы. Нарушение этих требований может привести к авариям.

Факторы, влияющие на величину переходного сопротивления

Прежде, чем говорить о факторах, нужно знать, что собой представляют контакты. Они различаются по виду контактируемой поверхности:

точечные – соединение происходит в точке;
линейные – соприкасаются по линии;
плоскостные – контакт по плоскости.

Примеры точечных соединений – «сфера – сфера»; «вершина конуса – плоскость», «сфера – плоскость» и др. К линейным относятся соприкосновения: «тор – плоскость», «цилиндр – плоскость», «цилиндр – цилиндр» и т.п.

Площадь прикосновения контактов можно подсчитать по формуле:

Sпр = F/σ,

где:

F – сила сжатия контактов;
σ – временное сопротивление материала контактов сжатию.

Существуют разные способы соединения:

механические (скрутки, болтовые зажимы, опрессовка);
сварка;
пайка.

Величина переходного сопротивления определяется по формуле:

Rп = knx/(0,102*Fk)n,

где:

knx – коэффициент, обуславливаемый материалом, формой контакта, состоянием поверхности;
Fk – сила, с которой сжимаются контакты;
n – показатель степени, показывающий число точек соприкосновения.

Показатель степени для разных видов контактов:

для точечного – n = 0,5;
для линейного – n = 0,5-0,7;
для плоскостного (поверхностного) – n = 0,7-1.

Существуют принятые по гост ГОСТ 24606.3-82 нормы переходного сопротивления контактов.

Внимание! С окислением поверхностей металлов в местах соединений можно бороться при помощи протирания контактов спиртосодержащими растворами. Допустимо смазывать болтовые соединения солидолом, это поможет снижать доступ кислорода и замедлять процесс окисления.

Регулярная протяжка контактов и скруток, недопустимость соединений меди и алюминия, полировка губок контакторов – всё это меры борьбы с переходным сопротивлением.

К сведению. Плохое прижатие контактируемых поверхностей вызывает не только повышение сопротивления, но и увеличение степени нагрева проводников.

Зачем измерять переходное сопротивление (ПС)

Электрические установки (ЭУ), а также корпуса электродвигателей, генераторов, трансформаторов и других преобразователей необходимо заземлять. Присоединение заземляющего устройства к оборудованию и ЭУ выполняется болтовым соединением, которое так же имеет ПС.

Для надёжности срабатывания защитного отключения при коротком замыкании переменного тока на корпус ПС периодически должно проверяться.

Результаты тестирования ПС дают возможность понять, какова вероятность поражения человека током, есть ли опасность возгорания оборудования при повышении температуры на плохих контактах. Высокое ПС увеличивает время срабатывания защитного оборудования.

Методика измерения

Существует регламент измерений Rп для коммутационных устройств: автоматических выключателей, разъединителей, сборных и соединительных шин и другой аппаратуры.

Методы измерений следующие:

метод непосредственного отсчёта;
способ вольтметра-амперметра;
измерение статической нестабильности Rп.

При первом способе тестирования применяют приборы, позволяющие выполнять непосредственный отсчёт с учётом погрешности (±10%). При этом методе измеряют сопротивление контактного соединения.

Важно! Тестируемые поверхности контакт-детали не зачищают и не обрабатывают перед измерением. Контакт-деталь сочленяют (замыкают) и присоединяют к выводам приборов. Размыкание контактов и передвижение измерительных проводов недопустимы.

При помощи метода вольтметра-амперметра определяют величину падения напряжения (при установленном значении тока) на тестируемом переходе.

Схема измерительной установки

Все погрешности измерений приборов, входящих в схему, должны быть в пределах ±3%. Значение R1 подбирают на два порядка больше, чем предполагаемое измеряемое сопротивление.

Расчёт результатов измерений выполняют по формуле:

Rп = UPV2/IPA,

где:

UPV2 – результат, полученный на вольтметре PV2, В;
IPA – ток, измеряемый амперметром PA, А.

Статическую нестабильность Rп определяют, находя величину среднеквадратичного отклонения Rп по результатам многочисленных замеров.

Внимание! Переходное сопротивление замеряют одним из методов, рассмотренных выше. Контакт-деталь размыкают и заново смыкают перед каждым тестированием, снимая электрическую нагрузку.

Необходимый результат получают, используя формулы на рис. ниже.

Формулы для расчёта результата методом статической нестабильности

Погрешность результатов, полученных при этом методе, лежит в пределах ±10% (с вероятностью 0,95).

Перечень приборов, применяемых для измерений

Измерения Rп переходов проводят и микрометром ММR-610. В результате работы тестируют сопротивления постоянному току контактов автоматов и других соединений. Проводят два вида измерений:

однонаправленным током;
двунаправленным током.

В первом случае не отображается величина активного сопротивления R, зато этот метод убыстряет процесс измерений там, где нет внутренних напряжений и сил электростатики. Во втором случае прибор устраняет погрешности (ошибки), возникающие от присутствия в тестируемой конструкции таких сил и напряжений.

Микроомметр MMR – 610

Полученные в результате измерений (проверки) данные записываются в протокол, согласно ПУЭ-7 п.1.8.5. Протокол хранится совместно с паспортами на оборудование.

Как часто замерять ПС заземления

Заземление – это специальное соединение оборудования с заземляющим устройством (ЗУ).

ЗУ представляет собой устройство, состоящее из следующих элементов:

заземлителя (контура заземления);
шины заземления;
заземляющих проводников.

Проверку в полном объёме с вскрытием грунта, осмотром состояния заземлителей и соединяющих их проводников проводят 1 раз в 12 лет. Внеплановые проверки проводят после капитальных ремонтов, связанных с заземляющими элементами. Срок проверки и измерений ПС ЗУ назначается на основании рекомендаций организации, которая выполняла предыдущую проверку.

Значение Rп, лежащее в пределах регламентируемых норм, обеспечивает стабильную работу коммутационных устройств. Это, в свою очередь, способствует бесперебойной и безопасной эксплуатации оборудования.

Переходное сопротивление — контактное соединение

Переходное сопротивление контактного соединения ( контакта) зависит от температуры нагрева контактных деталей и степени его окисления. Повышение переходного сопротивления с повышением температуры контакта объясняется увеличением удельного электрического сопротивления материала контакта.

Переходное сопротивление контактных соединений следует измерять взрывозащищенными приборами в соответствии с требованиями ПУЭ.

Переходное сопротивление контактного соединения в силовой степени зависит от окисления контактной поверхности, которое может привести к увеличению переходного сопротивления в десятки и сотни раз.

Переходное сопротивление контактного соединения при температуре 70 не должно превышать более чем на 20 % сопротивления целого участка шины той же длины. Стабильность соединения достигается установкой под гайку каждого болта пружинящих шайб, которые применяются для медных и стальных шин при резких изменениях температуры или при наличии вибрации, а для алюминиевых шин — во всех случаях.

Переходное сопротивление контактного соединения не должно заметно превышать сопротивления цельного участка шины ( или провода) такой же длины.

Измерение переходных сопротивлений контактных соединений производится микроомметрами или контактомерами, т.е. специальными приборами для измерения малых сопротивлений. Эти приборы имеют специальные контактные наконечники щупов, которые прижимаются к токопроводящим элементам с обеих сторон проверяемого контактного соединения. Со стороны проверяемого сопротивления присоединяются потенциальные наконечники, с внешней стороны — токовые наконечники щупов. Обозначения потенциальных ( П) и токовых ( Т) наконечников нанесены на рукоятки щупов. Оценка качества контактного соединения производится сопоставлением значения сопротивления участка с контактным соединением со значением сопротивления токоведущего элемента на участке, длина которого равна участку с проверяемым контактным соединением.

Большая стабильность и малое переходное сопротивление контактного соединения, осуществленного посредством оси, подтверждаются длительным опытом эксплуатации.

Соответственно изменению действительной площади соприкосновения контактов изменяется переходное сопротивление контактного соединения.

Объективным и прямым методом контроля качества контактного соединения является измерение величины переходного сопротивления контактного соединения или падения напряжения на нем и сравнение полученных данных с нормативными. Наряду с этим контактное соединение осматривают, используя в необходимых случаях лупы, а также измеряют штриховыми инструментами.

Из ( 8 — 20) следует, что при неизменной общей площади соприкасающихся поверхностей переходное сопротивление контактного соединения или контакта тем меньше, чем больше контактное давление, так как от него зависит их действительная площадь соприкосновения деталей.

Необходимо также измерять омическое сопротивление обмоток встроенных ( втулочных) трансформаторов тока на всех отпайках, обмоток реле, переходных сопротивлений контактных соединений, недоступных для осмотра, и отдельных контактных соединений, вызывающих сомнение в их качестве

Особое внимание надо уделять штепсельным и скользящим контактным соединениям, например контактам, с помощью которых вторичные элементы тележки ячейки КРУ соединяются со вторичными элементами, расположенными в неподвижных отсеках.

Количество тепла, выделяющееся в 1 сек в контактном соединении или в контакте, равно I2RK, где / — величина тока, а Кк — переходное сопротивление контактного соединения или контакта. Одновременно с процессом нагрева идет процесс охлаждения путем отдачи тепла в окружающее пространство и прилегающим менее нагретым металлическим частям. Температура контактного соединения или контакта установится после того, как количество тепла, выделяющееся в нем, будет равно количеству отдаваемого тепла.

Негативные факторы, возникающие от высокого переходного сопротивления

Законы электротехники констатируют факт увеличения выделяемого тепла на контактах при высоком переходном сопротивлении. Это приводит к тепловому расширению проводников и соответственно к ослаблению места контакта. Слабый контакт, в свою очередь повышает переходное сопротивление, которое в конечном итоге стремится к бесконечности. Резко возрастающий ток вызывает отгорание или сваривание контактных соединений. Процесс нагрева может происходить с образованием электрической дуги, что создает реальную опасность возникновения пожара.

Как уменьшить величину переходного сопротивления

Для обеспечения нормальной работы электрооборудования, недопущения аварийных ситуаций существуют рекомендации по применению способов реализации контактных соединений.

Механические

Этот способ основан на сжатии соприкасаемых поверхностей проводников для увеличения пятна контакта. Зависимость переходного сопротивления (Rn) от усилия сжатия F (давления) показана на графике.

Из графика следует, что чем больше усилие сжатия, тем меньше переходное контактное сопротивление. Однако целесообразность в повышении усилия сжатия имеет ограничения. При достижении определенной величины оно уже перестает влиять на изменение сопротивления. Следует учитывать прочностные характеристики сжимаемых контактов при выборе оптимального давления. Для примера рассмотрим несколько наиболее часто применяемых механических способов соединения проводников.

Опрессовка. Этот способ заключается в совместном деформировании опрессовочной гильзы и соединяемых контактных проводников. Основными инструментами для опрессовки служат пресс-клещи и переносные гидропрессы. Гильза для повышения электрических характеристик соединения выполняется из специальных материалов (электротехническая медь, электротехнический алюминий).
Зажимы с помощью резьбовых соединений. В качестве рабочего материала для таких соединений применяются клеммные колодки. Они состоят из пластикового корпуса, в который вставлены с обеих сторон латунные трубки с резьбой с предварительно накрученными винтиками. Для соединения в отверстия клеммы вставляются соединяемые проводники и закручиванием винтов с определенным усилием крепятся в ней.

Пружинные зажимы. Отличаются разнообразием конструкций, но в основе всех заложена пружина, обеспечивающая своей силой упругости давление на контактируемые поверхности проводников. Здесь важно использовать пружинные зажимы от производителей. Некачественные пружины со временем могут потерять упругость и ослабить контакт. На изображении зажим при помощи листовой пружины от немецкого производителя WAGO.

Соединение контактов с помощью сварки

Эта технология позволяет создать надежный контакт с минимальным превышением переходного сопротивления. Применяется в электромонтажных работах, где в качестве расходника используется угольный электрод. Малый сварочный ток дает относительно слабую электрическую дугу и практически нулевое разбрызгивание металла дают электромонтажнику возможность работы в защитных очках вместо маски.

Сварку следует производить на короткой дуге, при увеличенной внешняя воздушная среда оказывает отрицательное воздействие на зону сварки в виде появления на ней пор, что повышает величину переходного сопротивления.

Пайка контактов

Перед пайкой важно правильно выполнить скрутку соединяемых проводников. Самостоятельная эксплуатация контактов выполненных в виде скруток запрещено ПУЭ («Правилами устройства электроустановок»). Сам процесс не требует особых навыков в отличие от сварки, где надо уметь держать короткую дугу. Так как материал, с помощью которого производят пайку (свинцово-оловянный и ему подобные) не обладает высокими прочностными характеристиками, то эта технология используется для соединения малых сечений (кабеля контрольные, управления, интернет кабеля).

Борьба с окислениями поверхностей контактов повышает эффективность передачи тока через соединение. Следует не допускать длительный период работы контактов из меди или алюминия, необходимо периодически выполнять чистку поверхностей спиртом.

Покрытие контактов серебром, платиной, лужение, никелирование, цинкование добавляют им коррозионную стойкость. При этом указанное покрытие практически не влияет на электрические характеристики соединения.

Как контролировать величину переходного сопротивления

В графики планово — предупредительного ремонта электрического оборудования, в котором имеются контактные устройства в обязательном порядке входит проверка их переходного сопротивления. Периодичность таких работ учитывает требования ПТЭЭП («Правил технической эксплуатации электроустановок»). Однако решающее слово о назначении проверки переходного напряжения остается за эксплуатирующей электрооборудование организацией. Своевременное обнаружение неисправности контактов позволяет предотвратить выход из строя всего оборудования.

Выявить неисправность контакта поможет измерение переходного сопротивления. Существует несколько методов в определении этого параметра. Однако общим для всех способов замера служит измерение переходного сопротивления в установленных нормативно — технической документацией значений тока и напряжения.

Установленные ПУЭ значения номинального тока и напряжения для определения допустимого переходного сопротивления не позволяют напрямую применять для измерения обычные омметры или тестеры. Выйти из положения поможет простая схема с применением амперметра и милливольтметра.

Увеличением/уменьшением нагрузки R подбирается рабочий ток контактной пары, а милливольтметр фиксирует при данном токе напряжение. По формуле закона Ома переходное сопротивление контакта определяется расчетным путем.

Существуют специальные миллиомметры и микроомметры с помощью которых переходное сопротивление контакта можно определить, подключив зажимы непосредственно к его концам.

Эти измерительные приборы отличаются по принципу действия, весогабаритным характеристикам, метрологическими показателями. Однако требования к зажимам («крокодильчикам») у них одинаковые. Они должны плотно прилегать к подключаемым с их помощью концам входа и выхода, для чего зажимы оснащаются болтовыми соединениями, пружинами сжатия и другой подобной оснасткой.

Некоторые электрические устройства имеют конструктивные особенности, которые необходимо учитывать при измерении переходного сопротивления. Например, высоковольтные выключатели оснащены трансформаторами тока. В процессе измерения переходного сопротивления подача тока вызывает переходной процесс, возникающий в обмотках трансформатора. Измерительный прибор должен иметь в конструкции устройство обеспечивающее исключение такой погрешности.

Устранить под ноль переходное сопротивление согласно законам физики невозможно. Надо просто научиться с ним мирно сосуществовать, соблюдая все технические регламенты по профилактике контактных пар, контролю их с помощью измерительных приборов. В этом случае величина переходного сопротивления будет столь мала, что ее негативное влияние не будет ощущаться при работе электроустановок.

Сложность измерения сопротивлений в различных соединениях

В силовой электрической цепи полюса высоковольтного выключателя кроме переходного сопротивления контактов присутствует и сопротивление различных соединений. Чаще всего приборы комплектуются только измерительным кабелем зажимом типа «крокодил», и при неправильном его подключении к контактам между аппаратным зажимом и шпилькой ввода — переходное сопротивление может иметь завышенныо значения, прибор покажет значение выше паспортной величины, и будет выполнен совершенно не нужный ремонт контактов выключателя.

Если же снимать потенциальные сигналы не аппаратных зажимов, а со шпилек, то в измеряемый участок цепи окажется включенным только переходное сопротивление контактов выключателя. Но закрепить «крокодилы» непосредственно за шпильки часто не удается из-за отсутствия доступа к ним, поэтому прибор должен комплектоваться специальными выносными потенциальными контактами.

Нормы по ПУЭ 7

Правилами предусмотрено соблюдение важных параметров, включая допустимые значения для контактных переходов. Измерения сопротивления постоянному току проводятся при испытаниях разъединителей и отделителей. Нормы по ПУЭ 7 требуют, чтобы показания величин для отделителей и разъединителей, предназначенных для работы под напряжением от 110 кВ, соответствовали данным заводов-изготовителей.

По правилам ПУЭ 7 для разъединителей типа РОН3, рассчитанных на номинальное напряжение 400 – 500 кВ (при номинальном токе 2000 А) переходное сопротивление не должно превышать 200 мкОм. Для ЛРН (110 – 220 кВ/ 600 А сопротивление контактов должно составлять 220 мкОм.

Требования для остальных типов отделителей, применяемые в сетях 110 – 500 кВ:

Номинальному току 600 А соответствует сопротивление 175 мкОм;
1000 А – 120 мкОм;
1500 – 2000 А – наибольшее допустимое сопротивление 50 мкОм.

Измерения выполняются между точкой «контактный ввод» и на клемме «контактный вывод».

Нюансы

Измерение металлосвязи проводится сразу после монтажа, прямо перед пуском и началом эксплуатации, а затем, с периодичностью в 3 года, при проведении плановых испытаний и обслуживания. Вместе с проверкой, а также при смене времени года, когда возможны подтапливания и излишняя влажность, проверяют сопротивление изоляции кабелей и электрических машин.

Проверить качество контакта и измерить его переходное сопротивление с помощью простого бытового мультиметра, типа DT830 и подобных не получится. В области малых сопротивлений они либо не измеряют вообще (до десятых, но не сотых Ома), а одно только сопротивление между щупами у них доходит до 1 Ома, а иногда и превышает. О точности здесь говорить не приходится.

Иногда, чтобы измерить качество контакта, не нужны приборы, так как очевидно его разрушение. В крайних случаях доходит до того, что можно измерить его температуру рукой, если он греется — значит нужна его профилактика и последующие замеры и проверка милиомметром.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором наглядно показывается, как проверяют наличие металлосвязи прибором:

Проверка металлосвязи очень важна для безопасности жизнедеятельности сотрудников предприятия и жильцов дома. Из-за плохого заземления в розетках или его полного отсутствия есть вероятность появление потенциала на корпусе прибора. А когда человек к нему коснется, произойдет либо электротравма, либо непоправимое. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

ТеорияКак построить векторную диаграмму токов и напряжений

ТеорияТиристорный преобразователь частоты

Источник

Экспериментальная характеристика[править | править код]

Механизмы[править | править код]

Квантовый предел[править | править код]

Другие формы контактного сопротивления[править | править код]

Значимость[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Общие сведения и основные определения

На что влияет

От чего зависит

Выводы

Контактное сопротивление

Режимы работы контактов

Experimental characterization[edit]

Mechanisms[edit]

Quantum limit[edit]

Other forms of contact resistance[edit]

Significance[edit]

See also[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

Что такое переходное контактное сопротивление

Причины возникновения явления

От чего зависит переходное сопротивление контактов?

Факторы, влияющие на величину переходного сопротивления

Зачем измерять переходное сопротивление (ПС)

Методика измерения

Как часто замерять ПС заземления

Переходное сопротивление — контактное соединение

Негативные факторы, возникающие от высокого переходного сопротивления