Styki w instalacjach elektrycznych i aparaturze elektrycznej

Punkty połączenia poszczególnych elementów tworzących dowolny obwód elektryczny nazywane są stykami elektrycznymi.

Kontakt elektryczny — połączenie przewodów, które umożliwiają przewodzenie prądu elektrycznego. Tworzenie styków przewodów prądowych nazywane jest korpusami styków lub stykami dodatnimi i ujemnymi, w zależności od bieguna źródła prądu, do którego są podłączone.

Słowo „kontakt” oznacza „dotyk”, „dotyk”. W systemie elektrycznym, który łączy różne urządzenia, maszyny, linie itp., Do ich połączenia wykorzystywana jest ogromna liczba styków. Niezawodność sprzętu i działanie systemu w dużej mierze zależy od jakości połączeń stykowych.

Klasyfikacja styków elektrycznych

Styki elektryczne są stałe i ruchome. Stałe styki - wszystkie typy odłączalne i integralne, przeznaczone do długotrwałego łączenia przewodów. Odłączalne styki są wykonane za pomocą zacisków, śrub, wkrętów itp., Integralne - przez lutowanie, spawanie lub nitowanie.Styki ruchome dzielą się na przerywane (styki przekaźników, przycisków, przełączników, styczników itp.) i ślizgowe (styki kolektora ze szczotkami, styki przełączników, potencjometrów itp.).

Najprostszym rodzajem styku elektrycznego jest para styków. Trudnym typem styku jest na przykład styk tworzący podwójne zamknięcie obwodu równoległego lub podwójne zamknięcie szeregowe (to ostatnie nazywa się sprzężeniem). Styk, który przełącza obwód, gdy urządzenie jest uruchomione, nazywa się przełączeniem. Styk przełączający, który przerywa obwód w momencie przełączania, nazywany jest stykiem przełączającym, a brak przerwania obwodu w momencie przełączania nazywany jest stykiem przejściowym.

W zależności od formy styki elektryczne dzielą się na:

• punkt (góra — płaszczyzna, kula — płaszczyzna, kula — kula), które są powszechnie stosowane w czułych urządzeniach i przekaźnikach przełączających niewielkie obciążenia;

• liniowe — występują na stykach w postaci cylindrycznych korpusów i na stykach szczotkowych;

• planarne — w wysokoprądowych urządzeniach przełączających.

Zwykle styki mocowane są na płaskich sprężynach, tzw stykowe (wykonane z brązów niklowo-srebrowych, fosforowych i berylowych oraz rzadziej ze stali), którym stawiane są wysokie wymagania co do stałości ich właściwości mechanicznych przez cały okres użytkowania urządzenia, często liczony w dziesiątkach i ponad milionie cykli. Zestaw sprężyn, wykonanych w postaci oddzielnego bloku, które są przełączane jednocześnie, tworzą grupę (lub pakiet) styków.

Charakterystyki eksploatacyjne elektrycznych połączeń stykowych

Styk styków nie występuje na całej powierzchni, a jedynie w poszczególnych punktach ze względu na chropowatość powierzchni styku przy dowolnej dokładności jej obróbki. Niemal niezależnie od rodzaju styków, kontakt elementów stykowych zawsze odbywa się na małych powierzchniach.

Wyjaśnia to fakt, że powierzchnia elementów stykowych nie może być idealnie płaska. Dlatego w praktyce, gdy powierzchnie styku zbliżają się do siebie, najpierw stykają się one z kilkoma wystającymi końcówkami (punktami), a następnie, ale wraz ze wzrostem nacisku, następuje odkształcenie materiału styku i punkty te zamieniają się w małe place zabaw.

Linie prądu elektrycznego przechodzące z jednego styku do drugiego są przyciągane do tych punktów styku. Dlatego styk wprowadza do połączonego przez siebie obwodu pewną dodatkową rezystancję styku Rk.

Jeśli powierzchnia styku jest pokryta folią, wówczas R wzrasta. Jednak bardzo cienkie warstwy (do 50 A) nie wpływają na rezystancję styku ze względu na efekt tunelowania. Grubsze folie mogą pękać pod wpływem siły nacisku lub przyłożonego naprężenia.

Awaria elektryczna błon kontaktowych nazywana jest fryttingiem. Jeżeli folie nie ulegają zniszczeniu, wówczas Rk zależy głównie od odporności folii. Bezpośrednio po zdarciu styku, a także przy wystarczającej sile styku i napięciu w obwodzie styku, jego rezystancja jest określana głównie przez rezystancję stref skurczu.

Im większa siła przyłożona do styków i im bardziej miękki materiał, tym większy całkowity obszar styku powierzchni styku, a zatem mniej aktywny opór elektryczny na styku (w strefie warstwy przejściowej między powierzchniami styku). Ten aktywny opór nazywany jest oporem przejściowym.

Rezystancja przejściowa — jeden z głównych parametrów jakości styków elektrycznych, ponieważ charakteryzuje ilość energii pochłoniętej w masie stykowej, która zamienia się w ciepło i ogrzewa styk. Na rezystancję styków duży wpływ może mieć sposób obróbki powierzchni styku oraz ich stan. Na przykład szybko tworząca się warstwa tlenku na stykach aluminiowych może znacznie zwiększyć rezystancję styku.

Gdy prąd przepływa przez styki, są one podgrzewane, a na powierzchni styku obserwuje się najwyższą temperaturę z powodu obecności rezystancji przejścia. W wyniku nagrzewania styków rezystancja materiału styku i odpowiednio rezystancja przejścia.

Ponadto wzrost temperatury kontaktu sprzyja tworzeniu się tlenków na jego powierzchni, co jeszcze bardziej zwiększa rezystancję przejściową. I choć wraz ze wzrostem temperatury materiał styku może nieco zmięknąć, co wiąże się ze wzrostem powierzchni styku, to generalnie proces ten może doprowadzić do zniszczenia styków lub ich zgrzania. Ten ostatni, na przykład, jest bardzo niebezpieczny dla otwartych styków, ponieważ w rezultacie urządzenie z tymi stykami nie będzie w stanie wyłączyć obwodu. Dlatego dla różnych typów styków określa się maksymalną dopuszczalną temperaturę przy przepływającym przez nie długim prądzie.

Aby zmniejszyć nagrzewanie, możliwe jest zwiększenie masy metalu styków i ich chłodzonej powierzchni, co poprawi odprowadzanie ciepła. Aby zmniejszyć rezystancję styku, należy zwiększyć docisk styku, dobrać odpowiedni materiał i rodzaj styków.

Na przykład otwarte styki przeznaczone do użytku zewnętrznego zaleca się, aby były wykonane z materiałów lekko utleniających się lub pokrywały ich powierzchnię warstwą antykorozyjną. Takimi materiałami są w szczególności srebro, które może być stosowane do powlekania powierzchni stykowych.

Miedziane styki niełamliwe mogą być cynowane (powierzchnie cynowane są trudniejsze do utlenienia). W tym samym celu powierzchnie styku są pokryte smarem, na przykład wazeliną. Styki zanurzone w oleju są dobrze chronione przed korozją bez innych specjalnych środków. Jest to stosowane w wyłącznikach olejowych.

Działanie każdego układu elektrycznego składa się z 4 etapów — stanu otwartego, zwarcia, stanu zamkniętego i otwarcia, z których każdy wpływa na niezawodność styku.

W stanie otwartym środowisko zewnętrzne oddziałuje na styk elektryczny, w wyniku czego na ich powierzchni tworzą się błony.

W stanie zamkniętym, gdy styki są ściśnięte i przepływa przez nie prąd, nagrzewają się i odkształcają; w pewnych warunkach, jeśli styki przegrzewają się, może dojść do zgrzewania.

Podczas zamykania i otwierania styków dochodzi do zjawiska mostkowania lub wyładowania, któremu towarzyszy parowanie i przenoszenie styku metalu, zmieniając jego powierzchnię. Ponadto możliwe jest zużycie mechaniczne. styki wynikające z uderzania i ślizgania się o siebie.

Gdy styki zbliżają się do siebie na bardzo małe odległości, nawet przy małych napięciach źródła zasilania, gradient pola staje się tak duży, że wytrzymałość dielektryczna szczeliny załamuje się i następuje przebicie. Jeśli na powierzchni znajdują się ciała obce, zwłaszcza zawierające węgiel, to w momencie ich zetknięcia następuje odparowanie i stworzenie warunków do utylizacji.

Otwarcie jest zwykle najtrudniejszą częścią pracy. styk elektryczny W zależności od parametrów obwodu (R, L i C) oraz wielkości przyłożonego napięcia podczas otwierania, zachodzą zjawiska powodujące zużycie styków. Jeżeli napięcie w obwodzie jest większe niż napięcie Upl, w którym metal styków topi się, po ich rozdzieleniu siła styku maleje, a zatem zwiększa się powierzchnia styku, rezystancja i temperatura.

Gdy temperatura przekroczy temperaturę topnienia metalu, między powierzchniami styku utworzy się mostek stopionego metalu, stopniowo rozciągający się, a następnie pękający w najgorętszym punkcie. Wysoka temperatura przy zerwaniu mostka ułatwia zainicjowanie wyrzutu.

Sam mostek istnieje tylko w obwodach omowych przy napięciach zasilania poniżej napięcia łuku. Jeśli w obwodzie występuje indukcyjność, to wywołane przez nią przepięcia w momencie przerwania prądu przyczyniają się do pojawienia się iskry przy prądach poniżej prądów łukowych, a przy prądach powyżej prądów łukowych - łuków. Ponieważ w obwodzie prawie zawsze występuje indukcyjność, mostkom w większości przypadków towarzyszy wyładowanie. Minimalne napięcie iskry w gniazdku elektrycznym — 270-300 V.

Styki dowolnego typu muszą zapewniać nie tylko ciągłą pracę bez niedopuszczalnego przegrzania w normalnych warunkach, ale także niezbędną odporność termiczną i elektrodynamiczną w trybie zwarciowym. Ruchome styki przerywające nie powinny być również niszczone przez wysoką temperaturę łuku elektrycznego, który powstaje podczas ich otwierania, i niezawodnie zamykane bez spawania i topienia po włączeniu na zwarcie. Omówione powyżej działania również przyczyniają się do spełnienia tych wymagań.

Styki metalowo-ceramiczne, będące mieszaniną rozdrobnionych proszków miedzi z wolframem lub molibdenem oraz srebra z wolframem.

Taki związek jednocześnie posiada dobra przewodność elektryczna dzięki zastosowaniu miedzi lub srebra oraz wysokiej temperaturze topnienia dzięki zastosowaniu wolframu lub molibdenu.

Istnieje inny sposób wyeliminowania istniejącej sprzeczności, który polega na tym, że materiały o dobrej przewodności elektrycznej (srebro, miedź itp.) z reguły mają stosunkowo niską temperaturę topnienia, a materiały ogniotrwałe (wolfram, molibden) mają niską przewodność elektryczną. Jest to zastosowanie układu podwójnych styków, składającego się ze styków operacyjnych i styków łukowych połączonych równolegle.

Styki robocze wykonane są z materiału o wysokiej przewodności elektrycznej, a styki łukowe — z materiału ognioodpornego. W trybie normalnym, gdy styki są zwarte, większość prądu przepływa przez styki robocze.

Gdy obwód jest pozbawiony napięcia, najpierw otwierają się styki robocze, a następnie styki oparne.Dlatego w rzeczywistości obwód jest przerywany przez styki łukowe, dla których nawet prąd zwarciowy nie stanowi dużego zagrożenia (w przypadku znacznych prądów zwarciowych stosuje się dodatkowo specjalne urządzenia łukowe).

Gdy obwód jest włączony, najpierw zamykają się styki opalne, a następnie styki robocze. W ten sposób styki robocze w rzeczywistości nie przerywają ani nie zamykają całkowicie obwodu. Eliminuje to niebezpieczeństwo stopienia i zespawania.

Aby wyeliminować możliwość spontanicznego otwierania kontaktów z wysiłki elektrodynamiczne przy przepływie prądów zwarciowych układy styków projektuje się tak, aby siły elektrodynamiczne w tych warunkach zapewniały dodatkowy docisk styku i zapobiegały ewentualnemu nadtopieniu i zespawaniu styków w momencie załączenia obwodu zwarciowego, przełączenia przyspieszonego.

Aby wyeliminować niebezpieczeństwo znacznego sprężystego uderzenia w powierzchnie styków, należy zastosować wstępne dociśnięcie styków specjalnymi sprężynami... W takim przypadku zapewniona jest zarówno duża prędkość przełączania, jak i eliminacja ewentualnych drgań, ponieważ sprężyna jest wstępnie ściśnięty i po dotknięciu styków siła pchająca zaczyna rosnąć nie od zera, ale od pewnej określonej wartości. trybie zwarciowym, ale także wymaganej rezystancji termicznej i elektrodynamicznej w trybie zwarciowym.

Ruchome styki przerywające nie powinny być również niszczone przez wysoką temperaturę łuku elektrycznego, który powstaje podczas ich otwierania, i niezawodnie zamykane bez spawania i topienia po włączeniu na zwarcie.Omówione powyżej działania również przyczyniają się do spełnienia tych wymagań.

Szczególnie odporne na destrukcyjne działanie łuku elektrycznego są styki wykonane z metaloceramiki, będącej mieszaniną rozdrobnionych proszków miedzi z wolframem lub z molibdenem i srebra z wolframem.

Taki związek ma zarówno dobrą przewodność elektryczną dzięki zastosowaniu miedzi lub srebra, jak i wysoką temperaturę topnienia dzięki zastosowaniu wolframu lub molibdenu.

Podstawowe konstrukcje styków w instalacjach elektrycznych i urządzeniach elektrycznych

Konstrukcja stałych (sztywnych) niełamliwych złączy stykowych musi zapewniać pewne dociśnięcie powierzchni styku i minimalną rezystancję styku. Lepiej jest łączyć opony kilkoma mniejszymi śrubami niż jedną dużą, ponieważ zapewnia to więcej punktów styku. Podczas łączenia opon rezystancja styku jest mniejsza niż przy użyciu śrub, gdy konieczne jest wywiercenie otworów w oponach. Wysoką jakość połączenia stykowego zapewnia spawanie szyn zbiorczych.

Ruchome styki przerywające — podstawowy element łączników... Oprócz ogólnych wymagań dla wszystkich styków, muszą one posiadać odporność na łuk, zdolność niezawodnego włączania i wyłączania obwodu w przypadku zwarcia, a także wytrzymać określoną liczbę operacji przełączania i wyłączania bez uszkodzeń mechanicznych.

Najprostszym stykiem tego typu jest styk płaski. Po włączeniu ruchome ostrze wchodzi między stałe szczęki sprężynowe. Wadą takiego płaskiego styku jest to, że ze względu na nieregularności tych powierzchni styk powierzchni stykowych występuje w kilku punktach.

W celu uzyskania styku liniowego na listwach nożowych tłoczone są półcylindryczne występy, aw celu zwiększenia docisku listwy ściska się stalowym zaciskiem ze sprężyną.Styki rozwierne są najczęściej stosowane w wyłącznikach i rozłącznikach.

Część stykowa samonastawnego styku palcowego jest wykonana w postaci palców, w płytce - w postaci płytek, na końcu - w postaci płaskiego wierzchołka, w gnieździe - w postaci lameli ( segmenty), w pędzlu — w postaci pędzli z elastycznych, cienkich płytek miedzianych lub brązowych.

Określone części (części) styków w wielu konstrukcjach mogą zmieniać, w ograniczonych granicach, swoje położenie względem styków stałych. Elastyczne połączenia przewodzące prąd zapewniają niezawodne połączenie elektryczne.

Stabilność zrywanych styków i wymaganą siłę ściskającą uzyskuje się zwykle za pomocą sprężyn płytkowych lub śrubowych.

Styki i styki palcowe są stosowane w urządzeniach na napięcia powyżej 1000 V dla różnych prądów jako styki robocze i opalne, a styki płaskie jako styki robocze. Styki krańcowe stosowane są dla napięć 110 kV i wyższych, dla prądów nieprzekraczających 1 — 1,5 kA jako styki robocze i łukowe. Styki szczotkowe są stosowane w urządzeniach na różne napięcia i znaczne prądy, ale tylko jako styki robocze, ponieważ łuk elektryczny może uszkodzić stosunkowo cienkie szczotki.