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.
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
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]:
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 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:
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
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:
- Н. К. Мышкин, В. В. Кончиц, М. Браунович. Электрические контакты. - Издательство: Интеллект, 2008 г. - 560 с.
- В.И. Бойченко, Н.Н. Дзекцер. Контактные соединения токоведущих шин. – Л.: Энергия, 1978. – 144 с.
- Дзекцер Н.Н., Висленев Ю.С. Многоамперные контактные соединения. / Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. – 128 с.
- 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.