Kontakte in elektrischen Anlagen und elektrischen Geräten

Die Verbindungspunkte der einzelnen Elemente, aus denen ein Stromkreis besteht, werden elektrische Kontakte genannt.

Elektrischer Kontakt – Verbindung von Drähten, die die Übertragung von elektrischem Strom ermöglichen. Die Bildung von Stromleiterkontakten nennt man Kontaktkörper oder Plus- und Minuskontakte, je nachdem an welchen Pol der Stromquelle sie angeschlossen sind.

Das Wort „Kontakt“ bedeutet „berühren“, „berühren“. In einem elektrischen System, das verschiedene Geräte, Maschinen, Leitungen usw. vereint, werden zu deren Verbindung eine Vielzahl von Kontakten verwendet. Die Zuverlässigkeit der Geräte und der Betrieb des Systems hängen maßgeblich von der Qualität der Kontaktverbindungen ab.

Klassifizierung elektrischer Kontakte

Elektrische Kontakte sind fest und beweglich. Feste Kontakte – alle Arten von abnehmbaren und integrierten Kontakten, die für die langfristige Verbindung von Drähten ausgelegt sind. Lösbare Kontakte werden durch Klemmen, Bolzen, Schrauben usw. hergestellt, einstückig – durch Löten, Schweißen oder Nieten.Bewegliche Kontakte werden in unterbrochene (Kontakte von Relais, Tasten, Schaltern, Schützen usw.) und gleitende (Kontakte zwischen Kollektor und Bürsten, Kontakte von Schaltern, Potentiometern usw.) unterteilt.

Die einfachste Art von elektrischem Kontakt ist ein Kontaktpaar. Eine schwierige Kontaktart ist beispielsweise ein Kontakt, der einen doppelten Parallelschluss oder einen doppelten Reihenschluss (letzteres wird als Kopplung bezeichnet) bildet. Der Kontakt, der den Stromkreis schaltet, wenn das Gerät betätigt wird, wird als Wechsler bezeichnet. Ein Schaltkontakt, der den Stromkreis zum Zeitpunkt des Schaltens unterbricht, wird als Schaltkontakt bezeichnet, und ein Schaltkontakt, der den Stromkreis zum Zeitpunkt des Schaltens nicht unterbricht, wird als Übergangskontakt bezeichnet.

Je nach Form werden elektrische Kontakte unterteilt in:

• Punkt (oben – Ebene, Kugel – Ebene, Kugel – Kugel), die üblicherweise in empfindlichen Geräten und Relais verwendet werden, die kleinere Lasten schalten;

• linear – treten bei Kontakten in Form von zylindrischen Körpern und bei Bürstenkontakten auf;

• planar – in Hochstrom-Schaltgeräten.

Üblicherweise werden die Kontakte an Flachfedern, den sogenannten, befestigt Kontakt (aus Neusilber-, Phosphor- und Berylliumbronze und seltener aus Stahl), an die hohe Anforderungen an die Konstanz ihrer mechanischen Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer des Geräts gestellt werden, die oft in Dutzenden und mehr als einer Million Zyklen berechnet wird. Ein Satz Federn in Form eines separaten Blocks, der gleichzeitig geschaltet wird, bildet eine Kontaktgruppe (oder ein Paket).

Leistungsmerkmale elektrischer Kontaktverbindungen

Der Kontakt der Kontakte erfolgt nicht vollflächig, sondern aufgrund der Rauheit der Kontaktfläche bei beliebiger Genauigkeit der Bearbeitung nur an einzelnen Punkten. Fast unabhängig von der Art der Kontakte erfolgt die Kontaktierung der Kontaktelemente immer kleinflächig.

Dies liegt daran, dass die Oberfläche der Kontaktelemente nicht vollkommen eben sein kann. In der Praxis kommt es daher bei der Annäherung der Kontaktflächen zunächst zu Kontakt mit mehreren hervorstehenden Spitzen (Punkten) und dann, jedoch mit zunehmendem Druck, zu einer Verformung des Kontaktmaterials und diese Punkte verwandeln sich in kleine Spielplätze.

Von diesen Kontaktpunkten werden elektrische Stromlinien angezogen, die von einem Kontakt zum anderen verlaufen. Daher führt der Kontakt einen zusätzlichen Kontaktwiderstand Rk in den von ihm verbundenen Stromkreis ein.

Wird die Kontaktfläche mit einer Folie abgedeckt, erhöht sich R. Sehr dünne Folien (bis 50 A) haben aufgrund des Tunneleffekts jedoch keinen Einfluss auf den Kontaktwiderstand. Dickere Folien können bei Kontaktkraft oder Belastung brechen.

Ein elektrischer Ausfall von Kontaktfilmen wird als Fritten bezeichnet. Wenn die Filme nicht zerstört werden, wird Rk hauptsächlich durch den Widerstand der Filme bestimmt. Unmittelbar nach dem Abisolieren eines Kontakts sowie bei ausreichender Kontaktkraft und Spannung im Kontaktkreis wird sein Widerstand hauptsächlich durch den Widerstand der Kontraktionszonen bestimmt.

Je größer die auf die Kontakte ausgeübte Kraft und je weicher ihr Material ist, desto größer ist die Gesamtkontaktfläche der Kontaktflächen und desto weniger aktiv elektrischer Wiederstand an der Verbindungsstelle (im Bereich der Übergangsschicht zwischen den Kontaktflächen). Dieser aktive Widerstand wird als transienter Widerstand bezeichnet.

Der Übergangswiderstand ist einer der Hauptparameter für die Qualität elektrischer Kontakte, da er die in der Kontaktmasse absorbierte Energiemenge charakterisiert, die in Wärme umgewandelt wird und den Kontakt erwärmt. Der Kontaktwiderstand kann stark durch die Behandlung der Kontaktflächen und deren Beschaffenheit beeinflusst werden. Beispielsweise kann ein sich schnell bildender Oxidfilm auf Aluminiumkontakten den Kontaktwiderstand deutlich erhöhen.

Wenn der Strom durch die Kontakte fließt, werden diese erhitzt und aufgrund des Übergangswiderstands wird an der Kontaktoberfläche die höchste Temperatur beobachtet. Durch die Kontakterwärmung erhöht sich der Widerstand des Kontaktmaterials und dementsprechend der Widerstand des Übergangs.

Darüber hinaus fördert eine Erhöhung der Kontakttemperatur die Bildung von Oxiden auf seiner Oberfläche, was den Übergangswiderstand noch deutlich erhöht. Und obwohl bei einer Temperaturerhöhung das Kontaktmaterial etwas erweichen kann, was mit einer Vergrößerung der Kontaktfläche einhergeht, kann dieser Vorgang im Allgemeinen zur Zerstörung der Kontakte oder deren Verschweißung führen. Letzteres ist beispielsweise bei offenen Kontakten sehr gefährlich, da das Gerät mit diesen Kontakten dann den Stromkreis nicht abschalten kann. Daher wird für verschiedene Kontaktarten eine maximal zulässige Temperatur bei langem Stromfluss ermittelt.

Um die Erwärmung zu reduzieren, ist es möglich, die Masse des Metalls der Kontakte und ihrer gekühlten Oberfläche zu erhöhen, was die Wärmeableitung verbessert. Um den Kontaktwiderstand zu verringern, ist es notwendig, den Kontaktdruck zu erhöhen, das entsprechende Material und die Art der Kontakte auszuwählen.

Beispielsweise wird empfohlen, offene Kontakte, die für den externen Gebrauch bestimmt sind, aus leicht oxidierbaren Materialien herzustellen oder ihre Oberfläche mit einer Korrosionsschutzschicht zu überziehen. Zu diesen Materialien gehört insbesondere Silber, das zur Beschichtung von Kontaktflächen verwendet werden kann.

Unzerbrechliche Kontakte aus Kupfer können verzinnt werden (verzinnte Oberflächen sind schwieriger zu oxidieren). Zu den gleichen Zwecken werden die Kontaktflächen mit einem Gleitmittel, beispielsweise Vaseline, bedeckt. In Öl getauchte Kontakte sind ohne weitere besondere Maßnahmen gut vor Korrosion geschützt. Dies wird in Öl-Leistungsschaltern verwendet.

Der Betrieb jeder elektrischen Anlage besteht aus 4 Phasen – Offener Zustand, Kurzschluss, Geschlossener Zustand und Öffnen, von denen jede die Zuverlässigkeit des Kontakts beeinflusst.

Im offenen Zustand wirkt die äußere Umgebung auf den elektrischen Kontakt und es bilden sich dadurch Filme auf ihrer Oberfläche.

Im geschlossenen Zustand, wenn die Kontakte zusammengedrückt werden und Strom durch sie fließt, erwärmen und verformen sie sich; Unter bestimmten Umständen kann es bei Überhitzung der Kontakte zu Verschweißungen kommen.

Beim Schließen und Öffnen der Kontakte kommt es zu Brücken- oder Entladungsphänomenen, begleitet von Verdampfung und Übertragung des Metallkontakts, wodurch sich seine Oberfläche verändert. Darüber hinaus ist mechanischer Verschleiß möglich. Kontakte, die durch gegenseitiges Anstoßen und Verrutschen entstehen.

Wenn sich die Kontakte selbst bei kleinen Spannungen der Stromquelle in sehr kleinen Abständen einander nähern, wird der Feldgradient so groß, dass die Spannungsfestigkeit der Lücke zusammenbricht und es zu einem Durchschlag kommt. Befinden sich auf der Oberfläche Fremdpartikel, insbesondere solche, die Kohlenstoff enthalten, kommt es bei deren Kontakt zur Verdunstung und es werden Bedingungen für die Entsorgung geschaffen.

Das Öffnen ist normalerweise der schwierigste Teil der Arbeit. elektrischer Kontakt Abhängig von den Parametern des Stromkreises (R, L und C) und der Größe der beim Öffnen angelegten Spannung treten Phänomene auf, die zum Verschleiß der Kontakte führen. Wenn die Spannung im Stromkreis größer ist als die Spannung Upl, bei der das Metall der Kontakte nach deren Trennung schmilzt, nimmt die Kontaktkraft ab und damit erhöhen sich Kontaktfläche, Widerstand und Temperatur.

Wenn die Temperatur den Schmelzpunkt des Metalls überschreitet, bildet sich zwischen den Kontaktflächen eine Brücke aus geschmolzenem Metall, die sich allmählich ausdehnt und dann an der heißesten Stelle bricht. Die hohe Temperatur beim Bruch der Brücke erleichtert die Einleitung des Auswurfs.

Die Brücke selbst existiert nur in ohmschen Stromkreisen bei Versorgungsspannungen unterhalb der Lichtbogenspannung. Befindet sich im Stromkreis eine Induktivität, so tragen die von ihr im Moment der Stromunterbrechung verursachten Überspannungen zum Auftreten eines Funkens bei Strömen unterhalb der Lichtbogenströme und bei Strömen oberhalb der Lichtbogenströme – Lichtbögen – bei. Da im Stromkreis fast immer eine Induktivität vorhanden ist, gehen Brücken in den meisten Fällen mit einer Entladung einher. Mindestfunkenspannung an der Steckdose – 270–300 V.

Kontakte jeglicher Art müssen nicht nur einen Dauerbetrieb ohne unzulässige Überhitzung unter normalen Bedingungen gewährleisten, sondern auch die erforderliche thermische und elektrodynamische Beständigkeit im Kurzschlussbetrieb. Bewegliche Trennkontakte sollen zudem nicht durch die hohe Temperatur des beim Öffnen entstehenden Lichtbogens zerstört werden und beim Einschalten im Kurzschlussfall sicher geschlossen werden, ohne zu verschweißen und zu schmelzen. Auch die oben diskutierten Maßnahmen tragen zur Erfüllung dieser Anforderungen bei.

Metall-Keramik-Kontakte, bei denen es sich um eine Mischung aus zerkleinerten Kupferpulvern mit Wolfram oder Molybdän und Silber mit Wolfram handelt.

Eine solche Verbindung besitzt gleichzeitig gute elektrische Leitfähigkeit durch die Verwendung von Kupfer oder Silber und den hohen Schmelzpunkt durch die Verwendung von Wolfram oder Molybdän.

Es gibt eine andere Möglichkeit, den bestehenden Widerspruch zu beseitigen, der darin besteht, dass Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit (Silber, Kupfer usw.) in der Regel einen relativ niedrigen Schmelzpunkt haben, feuerfeste Materialien (Wolfram, Molybdän) jedoch eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Dabei kommt ein Doppelkontaktsystem zum Einsatz, das aus parallel geschalteten Betriebs- und Lichtbogenkontakten besteht.

Arbeitskontakte bestehen aus Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und Lichtbogenkontakte aus feuerbeständigem Material. Im Normalbetrieb, wenn die Kontakte geschlossen sind, fließt der größte Teil des Stroms durch die Arbeitskontakte.

Im stromlosen Zustand öffnen zunächst die Arbeitskontakte und anschließend die Lichtbogenkontakte.Daher wird der Stromkreis tatsächlich durch Lichtbogenkontakte unterbrochen, für die selbst der Kurzschlussstrom keine große Gefahr darstellt (bei erheblichen Kurzschlussströmen werden zusätzlich spezielle Lichtbogengeräte verwendet).

Beim Einschalten des Stromkreises werden zunächst die Lichtbogenkontakte und anschließend die Arbeitskontakte geschlossen. Die Betriebskontakte unterbrechen oder schließen den Stromkreis also nicht vollständig. Dadurch ist die Gefahr des Schmelzens und Verschweißens ausgeschlossen.

Um die Möglichkeit einer spontanen Kontaktöffnung auszuschließen elektrodynamische Anstrengungen Beim Fließen von Kurzschlussströmen sind die Kontaktsysteme so ausgelegt, dass die elektrodynamischen Kräfte unter diesen Bedingungen für zusätzlichen Kontaktdruck sorgen und ein mögliches Schmelzen und Verschweißen der Kontakte im Moment des Einschaltens des Kurzschlusses, beschleunigtes Schalten, verhindern.

Um die Gefahr einer erheblichen elastischen Belastung der Kontaktflächen auszuschließen, nutzen Sie die Vorpressung der Kontakte mit Spezialfedern... Dabei ist sowohl eine hohe Schaltgeschwindigkeit als auch die Eliminierung möglicher Vibrationen gewährleistet, da die Feder vorgespannt ist. komprimiert und nach dem Berühren von Kontakten beginnt die Schubkraft nicht bei Null, sondern ab einem bestimmten vorgegebenen Wert zu wachsen. sondern auch der erforderliche thermische und elektrodynamische Widerstand im Kurzschlussbetrieb.

Bewegliche Trennkontakte sollen zudem nicht durch die hohe Temperatur des beim Öffnen entstehenden Lichtbogens zerstört werden und beim Einschalten im Kurzschlussfall sicher geschlossen werden, ohne zu verschweißen und zu schmelzen.Auch die oben diskutierten Maßnahmen tragen zur Erfüllung dieser Anforderungen bei.

Besonders widerstandsfähig gegen die zerstörerische Wirkung eines Lichtbogens sind Kontakte aus Metallkeramik, einer Mischung aus zerkleinerten Kupferpulvern mit Wolfram oder mit Molybdän und Silber mit Wolfram.

Eine solche Verbindung weist sowohl eine gute elektrische Leitfähigkeit aufgrund der Verwendung von Kupfer oder Silber als auch einen hohen Schmelzpunkt aufgrund der Verwendung von Wolfram oder Molybdän auf.

Grundlegende Gestaltungen von Kontakten in elektrischen Anlagen und elektrischen Geräten

Die Konstruktion fester (starrer) unzerbrechlicher Kontaktverbindungen muss eine zuverlässige Klemmung der Kontaktflächen und minimale Übergangswiderstände gewährleisten. Es ist besser, die Reifen mit mehreren kleineren Schrauben zu verbinden als mit einer großen, da so mehr Kontaktpunkte entstehen. Beim Verbinden der Reifen ist der Übergangswiderstand geringer als bei der Verwendung von Schrauben, bei denen Löcher in die Reifen gebohrt werden müssen. Die hohe Qualität der Kontaktverbindung wird durch die Verschweißung der Stromschienen gewährleistet.

Bewegliche Trennkontakte – ein Grundelement von Schaltgeräten... Zusätzlich zu den allgemeinen Anforderungen an alle Kontakte müssen sie über Lichtbogenfestigkeit, die Fähigkeit, den Stromkreis im Kurzschlussfall zuverlässig ein- und auszuschalten, sowie verfügen eine bestimmte Anzahl von Schaltvorgängen und Abschaltungen ohne mechanische Beschädigung überstehen.

Der einfachste Kontakt dieser Art ist ein Flachschneidkontakt. Im eingerasteten Zustand dringt die bewegliche Klinge zwischen die festen, federbelasteten Backen ein. Der Nachteil eines solchen flächigen Kontakts besteht darin, dass der Kontakt der Kontaktflächen aufgrund der Unregelmäßigkeiten dieser Flächen an mehreren Stellen erfolgt.

Um einen linienförmigen Kontakt zu erhalten, werden halbzylindrische Vorsprünge in die Messerstreifen eingeprägt und zur Erhöhung des Drucks werden die Streifen mit einer Stahlklemme mit Feder zusammengedrückt. Öffnerkontakte werden am häufigsten in Leistungsschaltern und Trennschaltern verwendet.

Der Kontaktteil des selbstausrichtenden Fingerkontakts ist in Form von Fingern, in der Platte – in Form von Platten, am Ende – in Form einer flachen Oberseite, in der Buchse – in Form von Lamellen ( Segmente), in der Bürste – in Form von Bürsten aus elastischen, dünnen Kupfer- oder Bronzeplatten.

Die angegebenen Kontaktteile (Teile) in einer Reihe von Ausführungen können in begrenzten Grenzen ihre Position relativ zu den festen Kontakten ändern. Für den zuverlässigen elektrischen Anschluss sind flexible stromführende Anschlüsse vorgesehen.

Die Stabilität der Schaltkontakte und die erforderliche Druckkraft werden üblicherweise durch Blatt- oder Schraubenfedern erreicht.

Fingerkontakte und Kontakte werden in Geräten mit Spannungen über 1000 V für verschiedene Stromstärken als Arbeits- und Lichtbogenkontakte und Flachkontakte als Arbeitskontakte eingesetzt. Endkontakte werden für Spannungen ab 110 kV und für Ströme bis 1 … 1,5 kA als Arbeits- und Lichtbogenkontakte eingesetzt. Bürstenkontakte werden in Geräten für verschiedene Spannungen und große Ströme eingesetzt, jedoch nur als Arbeitskontakte, da ein Lichtbogen relativ dünne Bürsten beschädigen kann.