Научный журнал
  • Статьи
  • Электротехника
  • Влияние толщины защитного металлического покрытия на сопротивление электрического контакта

Влияние толщины защитного металлического покрытия на сопротивление электрического контакта

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.

 

Выпуск

Год

Ссылка на статью

№3(7)

2017

Кокцинская Е.М. Влияние толщины защитного металлического покрытия на сопротивление электрического контакта // Видеонаука: сетевой журн. 2017. №3(7). URL: https://videonauka.ru/stati/18-elektrotekhnika/154-vliyanie-tolshchiny-zashchitnogo-metallicheskogo-pokrytiya-na-soprotivlenie-elektricheskogo-kontakta (дата обращения 1.10.2017).

 

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.

  fig1

 Рисунок 1. Сопротивление контактного соединения.

 

Согласно [1]:

Rc = k1·F-0,6k2·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

Металл

k1

х 10-6

k2

х 106

σ0

Ωм2

Медь

90

247

10-10

Никель

420

585

10-10

 

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

          form3

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:

         form5

где ρпокр – 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:

         form6

 

Таблица 2.

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

d, мкм

2×Rпокр, 10-10 Ом

Медь - медное покрытие

Алюминий - медное покрытие

R, мкОм

R, мкОм

С учетом Rпокр

Z, %

С учетом Rпокр

Z, %

30

1,0

1,1

100,0

1,7

100,0

50

1,7

1,1

100,0

1,7

100,0

70

2,4

1,1

100,0

1,7

100,0

100

3,4

1,1

100,0

1,7

100,0

200

6,9

1,1

100,1

1,7

100,0

500

17,2

1,1

100,2

1,7

100,1

1000

34,4

1,1

100,3

1,7

100,2

2000

68,8

1,1

100,6

1,7

100,4

 

Таблица 3.

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

d, мкм

2×Rпокр, 10-10 Ом

Медь-никелевое покрытие

Алюминий-никелевое покрытие

R, мкОм

R, мкОм

С учетом Rпокр

Z, %

С учетом Rпокр

Z, %

30

4,1

1,5

100,0

2,1

100,0

50

6,8

1,5

100,0

2,1

100,0

70

9,5

1,5

100,1

2,1

100,0

100

13,6

1,5

100,1

2,1

100,1

200

27,2

1,5

100,2

2,1

100,1

500

68,0

1,5

100,5

2,1

100,3

1000

136,0

1,5

100,9

2,1

100,6

2000

272,0

1,5

101,8

2,1

101,3

 

Таблица 4.

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

d, мкм

2×Rпокр, 10-8 Ом

Медь-медное покрытие

Алюминий-медное покрытие

R, мкОм

Z, %

R, мкОм

Z, %

С учетом Rпокр

Без учета Rпокр

С учетом Rпокр

Без учета Rпокр

30

2,1

33,5

33,4

100,1

38,1

38,1

100,1

50

3,4

33,5

33,4

100,1

38,1

38,1

100,1

70

4,8

33,5

33,4

100,1

38,2

38,1

100,1

100

6,9

33,5

33,4

100,2

38,2

38,1

100,2

200

13,8

33,6

33,4

100,4

38,3

38,1

100,4

500

34,4

33,8

33,4

101,0

38,5

38,1

100,9

1000

68,8

34,1

33,4

102,1

38,8

38,1

101,8

2000

138,0

34,8

33,4

104,1

39,5

38,1

103,6

 

Таблица 5.

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

d, мкм

2×Rпокр, 10-8 Ом

Медь-никелевое покрытие

Алюминий-никелевое покрытие

R, мкОм

Z, %

R, мкОм

Z, %

С учетом Rпокр

Без учета Rпокр

С учетом Rпокр

Без учета Rпокр

30

8,2

72,6

72,5

100,1

77,2

77,1

100,1

50

13,6

72,6

72,5

100,2

77,3

77,1

100,2

70

19,0

72,7

72,5

100,3

77,3

77,1

100,2

100

27,2

72,7

72,5

100,4

77,4

77,1

100,4

200

54,4

73,0

72,5

100,8

77,7

77,1

100,7

500

136,0

73,8

72,5

101,9

78,5

77,1

101,8

1000

272,0

75,2

72,5

103,8

79,9

77,1

103,5

2000

544,0

77,9

72,5

107,5

82,6

77,1

107,1

 

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

fig3

d, мкм

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

 

R, мкОм

fig2

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.

Добавить комментарий

Авторы статей входят на сайт через форму авторизации, используя свои логин и пароль.

Нажимая кнопку «Отправить» пользователь выражает согласие на обработку персональных данных.


Защитный код
Обновить

Контакты редакции

Научный журнал «Видеонаука»

Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77 – 62708

(выдано Роскомнадзором 10 августа 2015 года)

ISSN 2499-9849

Адрес: Челябинская обл., г. Озерск, ул. Лесохим, д. 56

E-mail: journal@videonauka.ru

Телефон: +7 (921) 885-05-89

Skype: videonauka

Viber: +7 (921) 885-05-89

Telegram: +7 (921) 885-05-89

Обратная связь

Подписка на новости

ВКонтакте  Facebook  Twitter  Linkedin  Youtube

Instagram  RSS  g+  tumblr  Livejournal