Влияние толщины защитного металлического покрытия на сопротивление электрического контакта

Электротехника

Кокцинская Е.М.

Научный журнал "Видеонаука" (Россия)

 Аннотация. В статье представлена методика расчета сопротивления электрического контакта и результаты расчета влияния защитного металлического покрытия на суммарное сопротивление соединения.

Ключевые слова: электрический контакт, защитное покрытие, проводник, контактное соединение, сопротивление контакта, толщина покрытия.

 Effect of the protective metal coating thickness on the resistance of the electrical contact

Abstract. The paper presents a method for calculating the resistance of an electrical contact and the results of calculating the effect of a protective metal coating on the total joint resistance.

Key words: electrical contact, protective coating, conductor, contact connection, contact resistance, coating thickness.

Влияние толщины защитного металлического покрытия на сопротивление электрического контакта

Электрокоммутационная аппаратура используется практически во всех областях электротехники. При передаче и распределении электроэнергии существует проблема энергосбережения из-за высоких потерь электроэнергии в электрических контактных соединениях. Эти потери могут достигать значительной доли от общего количества электроэнергии, а проблема создания надежных электрических контактов до сих пор является не решенной. Трудность этой задачи определяется многими факторами такими как: уменьшение реальной площади контакта из-за шероховатости поверхности, влияние окружающей среды, возможный перегрев площади контакта, фреттинг, электромиграция, различные коэффициенты термического расширения контактирующих проводников, сила тока и др. [1-3]:

Согласно [1, 4] для предотвращения коррозии и повышения стабильности контактных соединений общепринятой практикой стало нанесение покрытий на один и  оба  контактирующие элемента. Наиболее часто используются олово, серебро, медь, никель. Подробно о различных видах металлических защитных покрытий для электрических контактов, их достоинствах и недостатках рассказано в Видео к статье. Выбор того или иного металла в качестве защитного покрытия определяется материалом самих контактов (медь-медь, алюминий-алюминий или разнородные металлы), технологией нанесения, эксплуатационными требованиями и стоимостью изготовления.

При выборе защитного покрытия электрических контактов встает вопрос о его необходимой толщине. Поскольку слишком тонкое покрытие быстро утратит свои защитные функции, а слишком толстое покрытие является не оправданным с экономической точки зрения. Кроме этого, некоторые специалисты опасаются, что толстое защитное покрытие за счет своего сопротивления увеличит и суммарное сопротивление электрического контакта.

Целью данной работы является исследование влияния толщины защитного металлического покрытия на переходное сопротивление электрических контактов.

Выявление зависимости влияния толщины покрытия на переходное сопротивление контакта, в данном случае, наиболее целесообразно сделать расчетным путем как наиболее простым в исполнении и не требующим специального оборудования.

Когда одна металлическая поверхность контактирует с другой, то площадь контакта не равна по величине номинальной, а реализуется посредством множества элементарных контактов. Кроме этого, на поверхности металлов присутствует оксидная пленка, увеличивающая контактное сопротивление. Толщина проводников и длина соединения их друг с другом также вносит вклад в суммарное сопротивление вследствие искривления линий тока в месте контакта. Таким образом, контактное сопротивление состоит из сопротивления стягивания через элементарные контакты, сопротивления оксидных пленок на поверхности и сопротивления, обусловленного геометрией соединения.

Суммарное сопротивление контакта (Рисунок 1):

       R=Rc+Rs+2×Rпокр               (1)

где:

Rc – сопротивление стягивания + сопротивление оксидных пленок;

Rs – сопротивление из-за искривления линий тока в месте соединения проводников;

Rпокр - сопротивление защитного покрытия на одной контактирующей поверхности.

 Рисунок 1. Сопротивление контактного соединения.

Согласно [1]:

Rc = k₁·F^-0,6 + k₂·σ₀·F^-1                    (2)

где:

k₁, k₂ – константы;

F – контактное сжатие, Н;

σ₀ – “туннельное” поверхностное сопротивление.

Значения k₁, k₂, σ₀ приведены в табл. 1. Для расчетов значение σ₀ для никеля принято равным значению σ₀ для меди

Таблица 1.

Значения расчетных коэффициентов

Сопротивление контакта при искривлении линий тока, проходящего через него [2]:

где:

Rs – сопротивление контакта с длиной соединения проводников l;

Rbb – сопротивление проводника с длиной l;

l – длина контакта;

δ – толщина проводников;

ρ – удельное сопротивление проводника при рабочей температуре T=60⁰C;

a – ширина контакта.

Расчет контактного сжатия при давлении P производится по формуле:

         F=P·Sa                       (4)

где Sa = a×l – площадь контакта.

Сопротивление защитного покрытия рассчитывали по формуле:

где ρ_покр – удельное сопротивление покрытия; d – толщина покрытия.

Условиями для расчета являлись:

- материал проводников – медь/медь или алюминий/алюминий;

- материал покрытия – медь или никель;

- толщина покрытия варьировалась в диапазоне 30-2000 мкм;

- структура покрытия считалась монолитной, наличие возможных дефектов не учитывалось;

- площадь покрытия принята равной площади контактного соединения без покрытия, т.е. технологические дефекты нанесения не учитываются;

- считается, что искривления линий тока в покрытии не происходит.

Расчет проводился для прижимного соединения. Контактное давление составляло P=20 МПа. Было рассмотрено два случая:

1. Ширина контакта a=100 мм; длина контакта l=100 мм, толщина контактирующих проводников d=12 мм.

Ширина контакта a=5 мм; длина контакта l=10 мм, толщина контактирующих проводников d=5 мм.

Т.е. в первом случае имеем относительно большую площадь контакта и толщину проводников, в другом случае и то, и другое значительно меньше. Следовательно, в первом случае контакт имеет более низкое сопротивление, чем во втором случае.

Результаты расчета по формулам (1)-(5) для случая 1 приведены в таблицах 2, 3; для случая 2 – в таблицах 4, 5. Коэффициент Z, равный отношению сопротивления контакта с покрытием и без покрытия, рассчитывали по формуле:

Таблица 2.

Расчет переходного сопротивления для контактов с низким сопротивлением и медным покрытием.

Таблица 3.

Расчет переходного сопротивления для контактов с низким сопротивлением и никелевым покрытием.

Таблица 4.

Расчет переходного сопротивления для контактов с высоким сопротивлением и медным покрытием.

Таблица 5.

Расчет переходного сопротивления для контактов с высоким сопротивлением и никелевым покрытием.

Из результатов расчета в табл. 2, 3 видно, что для электрического контакта с площадью и толщиной проводников, обеспечивающих низкое переходное сопротивление R≈1-2 мкОм, при малой толщине покрытия его наличие никак не сказывается на общем сопротивлении контакта. Наличие медного покрытия начинает слабо сказываться с толщины покрытия 200 мкм, а никелевого – со 100 мкм. Разница в сопротивлении контакта без покрытия и контакта с покрытием в 1% достигается только при толщине никелевого покрытия 1000 мкм, а для медного покрытия, даже при его толщине 2000 мкм, составляет всего 0,4-0,6%. В то время как толщина реально используемых защитных покрытий таких величин не достигает, а составляет не более 200 мкм. Таким образом, можно сделать вывод, что при низком сопротивлении самого электрического контакта (с большой контактной площадью и правильной геометрией контакта) наличие защитного покрытия не вносит заметного вклада в общее сопротивление.

Другая картина наблюдается при уменьшении контактной площади и, соответственно, увеличении электрического сопротивления как контакта, так и покрытия. Как видно из таблиц 4, 5 в этом случае разница между контактами с покрытием и без покрытия более заметна. Но и в данном случае для покрытий толщиной d£200 мкм наличие медного покрытия практически не сказывается на суммарном сопротивлении, а для никелевого покрытия разница не превышает ≈0,8%.

Также был проведен расчет для случая 2 (контакта с высоким сопротивлением, проводником являлся алюминий, покрытие - никель) с варьированием геометрических параметров соединения:  одном случае толщина проводников составляла d=10 мм; 5 мм; 1 мм; а в другом – длина соединения l=100 мм; 10 мм; 1 мм. Результаты расчета представлены на Рисунках 2, 3.

R, мкОм

d, мкм

Рисунок 2. Зависимость контактного сопротивления с покрытием  от толщины проводников и покрытия.

R, мкОм

d, мкм

Рисунок 3. Зависимость контактного сопротивления с покрытием  от длины соединения и толщины покрытия.

Из Рисунков 2, 3 видно, что имеется слабая тенденция увеличения влияния толщины покрытия на R при возрастании δ и уменьшении l. Но изменение геометрических параметров контакта имеет гораздо более сильное влияние на общее сопротивление, чем толщина покрытия.

Выводы:

Результаты расчетов показали, что для соединений с большой площадью и правильной геометрией, обеспечивающих низкое сопротивление электрических контактов, наличие защитного покрытия практически не влияет на общее сопротивление. Для электрических контактов с более высоким сопротивлением, при толщине защитного покрытия 200 мкм и меньше, его наличие также не вносит заметного вклада в общее сопротивление соединения.

Литература:

1. Н. К. Мышкин, В. В. Кончиц, М. Браунович. Электрические контакты. - Издательство: Интеллект, 2008 г. - 560 с.
2. В.И. Бойченко, Н.Н. Дзекцер. Контактные соединения токоведущих шин. – Л.: Энергия, 1978. – 144 с.
3. Дзекцер Н.Н., Висленев Ю.С. Многоамперные контактные соединения. / Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. – 128 с.
4. ГОСТ 9.005-72. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы, сплавы, металлические и неметаллические неорганические покрытия. Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами. 23 с.

• < Назад
• Вперед >