НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

УСЛОВИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

Надежность работы электро- и радиотехнических устройств и, в частности, электрических контактов — это свойство сохранять непрерывную работоспособность со стабильностью не ниже разрешенной техническими условиями. Иначе, надежность — это безотказность в работе. Надежность электрического контакта определяется как вероятность Р выполнения им основной задачи, например замыкания какой-то цепи в течение заданного времени. Надежность контактов при их работе не гарантируется полностью; возможны отказы, вызываемые химическими (образование непроводящих пленок), тепловыми, электрическими (перегрев и разрушение) и механическими (разрушение) причинами.

Возможные отказы в работе электрических контактов трудно прогнозировать. Как правило, они относятся к случайным явлениям. К внезапному отказу в работе могут привести количественные и качественные изменения как внутри контактной пары, так и вне ее (коррозия, эрозия, чрезмерное увеличение тока или температуры, удары, толчки, вибрация).
Кроме внезапных отказов наблюдаются явления постепенного нарастания дефекта, приводящие к прекращению работы контакта. Суммарная надежность Р контакта может быть определена как произведение надежности при действии внезапных отказов Рво на надежность при действии постепенных отказов Рпо, а именно:
Р = Рво х Рпо.

При определении качества электрического контакта также важен и параметр, называемый долговечностью и и определяющий время, в течение которого электрический контакт выполняет возложенные на него функции, заметно не ухудшая параметров, заданных техническими условиями.

Нарушение работоспособности электрических контактов может быть вызвано:
— отсутствием графика профилактических работ или невыполнением по утвержденному графику работ по осмотру, чистке и регулировке контактов, а также плохим или неквалифицированным выполнением этих работ;
— недопустимым изменением режимов работы контактов в частности пропусканием через контакты токов короткого замыкания и токов, превышающих разрешенные техническими условиями;
— механическим износом, истиранием, переносом металла с контакта на контакт, осыпанием и испарением материала во время дуговых процессов.

Большое влияние на интенсивность отказов оказываю климатические условия и механические воздействия. Для некоторых видов контактных систем найдены уравнения, позволяющие определять интенсивность отказов в зависимости от эксплуатационных параметров, величин коммутируемого тока и числа коммутационных операций.
Надежность работы электрических контактов в основном зависит от их конструкции, но часто электрические узлы, приборы и аппараты выходят из строя вследствие недостаточно правильной эксплуатации, нарушения установленного графика профилактики и ремонта. На надежность электрических контактов существенно влияют среда, в которой они находятся и работают, а также различные механические воздействия.

Ремонт узлов, приборов, аппаратов и установленных в них электрических контактов бывает текущий и капитальный.
Текущий ремонт включает в себя работы, не вызывающие необходимости разборки аппаратуры и приборов. Например, в электрических машинах замена износившихся щеток новыми, пришлифовка их, промывка, шлифовка и полировка коллектора проводятся при текущем ремонте.
Капитальный ремонт обычно связан с длительной остановкой и разборкой аппаратуры. Так, проточка коллектора или колец требует разборки машины и относится к капитальному ремонту. Планово-предупредительный осмотр и ремонт контактов, а в необходимых случаях замена их повышают надежность работы узлов, приборов и аппаратуры. Надежность особенно возрастает в том случае, когда обслуживающий персонал знаком с основами теории работы контактов всех видов, умеет быстро находить и устранять дефекты, возникающие при их работе.

Окружающая среда оказывает существенное влияние на работу электрических контактов. Влажность воздуха в разных климатических поясах и в разное время года неодинакова. Повышенная влажность — одна из основных причин, которая может нарушить нормальную работу контактов. Понижает надежность работы контактов и загрязнение воздуха в виде дымов и пыли. Если влага может вызвать коррозию, контактов, то дымы приводят к покрытию поверхности контактов не проводящими ток пленками, а твердые частицы пыли способны изолировать контакты относительно друг друга на короткое или продолжительное время.
На скорость протекания коррозионных процессов и образование окисных пленок влияет температура окружающей среды (чем выше температура, тем активнее эти процессы).
Отрицательно влияют на надежность работы электрических контактов пониженное атмосферное давление, ультрафиолетовые и другие излучения Солнца, морской туман, морская вода, а также грибковые и бактериальные воздействия.
Наиболее сложны условия эксплуатации электрических контактов в тропических областях, где очень высоки температура и влажность воздуха. В такой среде процесс коррозии идет особенно быстро.

Многие электрические контакты в процессе эксплуатации подвергаются непрерывным или периодически возникающим механическим воздействиям: ударам, линейным ускорениям, вибрациям. Создаваемые при этом ускорения достигают иногда десятков и сотен. Наиболее чувствительны к механическим воздействиям разрывные и скользящие контакты, что необходимо учитывать при их эксплуатации.

ОБРАЗОВАНИЕ ПЛЕНОК НА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

На поверхностях электрических контактов, соприкасающихся с атмосферой, образуются пленки. Как правило, эти пленки имеют сложный химический состав. Одним из компонентов пленки является металл контакта, другим — кислород, сера и прочие химические реагенты, оседающие на поверхности металла. Например, атомы кислорода сначала создают на поверхности металлов тонкую одноатомную пленку сцепления, которая со временем и при повышении температуры утолщается.

Толщина образующихся пленок зависит от химической активности металлов, степени их очистки и полировки, состояния и химического состава среды, в которой находятся контакты. Так, в чистом воздухе окисная пленка алюминия имеет толщину 10—15 нм, а цинка— лишь 0,5—0,6 нм. Нижеприведенные цифры говорят о скорости проникновения в глубину металлов атмосферной коррозии. Она составляет: для свинца—4 мкм/год, алюминия — 8 мкм/год, меди и олова — 12 мкм/год, цинка — 50 мкм/год и железа —200 мкм/год.

Физико-химические процессы, идущие при образовании различных пленок, отличаются друг от друга, поэтому пленки принято разделять на адгезионные, пленки потускнения, пассивирующие, водяные и пленки граничной смазки.

Адгезионные пленки. Пленки этого вида имеют относительно малую толщину, не превышающую 2,5—З нм. Благодаря действию туннельного эффекта они не являются изоляторами цепи электрического тока.
Если толщина пленки превышает 2,5—З нм, туннельный эффект прекращается, а электроны уже не могут преодолеть достаточно большой потенциальный барьер и пленка становится диэлектриком.

Пленки потускнения. Эти пленки, как правило, относятся к диэлектрическим пленкам. Их появление на поверхности чистых металлов приводит к потере последними блеска, вследствие чего такие пленки и названы пленками потускнения. Очень часто создаются две разновидности пленок потускнения: окисные пленки (соединение металла с кислородом воздуха) и сульфидные пленки (соединение металла с серой).
Сопротивление пленок потускнения зависит (помимо остальных факторов) от строения кристаллической решетки металла. Обычно пленки, образующиеся на поверхности металла, имеют неравномерную толщину.
Молекулы кислорода, соприкасаясь с поверхностью металла, сначала связываются с металлом наиболее слабыми, остаточными связями силами Ван-дер-Ваальса. Как известно, эти силы значительно слабее сил металлических связей, образующих твердые кристаллические тела металлов за счет связи положительных ионов (ядер) с валентными электронами.

Однако дальнейшее продолжение процесса окисления может изменить характер связей, так как атомы кислорода, проникая в кристаллическую решетку металла, способны создавать более или менее прочные решетки из окислов.

Процесс образования окисной пленки идет по следующей схеме: кислород осаждается на поверхности металла, атомы металла диффундируют в пленку кислорода, происходит химическая реакция, заканчивающаяся появлением молекул окисла. Повышение температуры способствует ускорению процесса диффузии и образования окисных пленок. Этот процесс активизируется также в случае возникновения искро- и дугообразования, при длительном прохождении тока и длительном нахождении электрических контактов в среде, богатой кислородом или другими активными реагентами.

На поверхностях некоторых металлов окисные пленки создаются чрезвычайно быстро (доли секунд или секунды), на других они формируются в течение минут.
Предельная толщина пленки зависит от химической активности металла с кислородом.

Многие металлы, часто используемые для изготовления контактов, покрываются пленками потускнения. Так, например, на поверхности никеля при невысоких температурах окисная пленка формируется очень медленно, но в среде с высокой температурой толщина ее может быстро увеличиваться. В конце концов постепенное утолщение пленки приводит к разрыву электрической цепи.

Соединение концов проводов из алюминия и обеспечение при этом надежного электрического контакта — задача довольно сложная, так как образование непроводящей электрический ток плотной окисной пленки толщиной до 10—15 нм происходит с большой скоростью— длится лишь десятки секунд.

Латунь сравнительно легко окисляётся, поэтому использование ее для изготовления контактов нежелательно.

Бронза при нормальной температуре заметно не окисляется.

На поверхности вольфрама изолирующие пленки не образуются, если температура среды не достигает больших величин.

Золото, даже при высокой температуре, заметному окислению не подвержено. На его поверхности может образовываться лишь тонкий слой адгезионной пленки.

Платина не окисляется, но при соединении с некоторыми газами углеводородного характера может создавать на своей поверхности полуизоляционные пленки, приводящие к некоторому увеличению контактного сопротивления.

Серебро окисляется весьма незначительно. Окисные пленки на серебре непрочны и легко снимаются как под действием повышенной температуры, так и механических усилий. Значительно более опасными и прочными являются пленки, образуемые серебром с серой и ее соединениями, особенно в присутствии влаги. Серебро при этом тускнеет, на его поверхности появляются темные пятна. Однако при определенных механических сдавливающих усилиях пленка потускнения на серебряных контактах может разрушаться, в результате чего появляются очаги проводимости (пропускания).

Существует ряд способов снятия пленок потускнения с поверхности металлов в целях улучшения электрического контакта. Слой пленки можно счищать напильниками, наждачной бумагой, снимать химическими методами. Кроме того, возможно разрушение пленок с помощью встряхивания, вибраций, приложения ударных или статических сдавливающих усилий. Такие методы называются искусственным старением. Поскольку часто адсорбированный на поверхности металла кислород бывает связан с металлом лишь незначительными, остаточными силами Ван-дер-Ваальса, то пленки в сами по себе с течением времени могут растрескиваться и отваливаться, что ведет к улучшению электрического контакта. Этот процесс постепенного улучшения контакта при длительной его эксплуатации называется естественным старением.

Помимо рассмотренных выше методов естественного и искусственного старения и разрушения пленок потускнения известно явление электрического пробоя пленок— фриттинг, также приводящее к восстановлению электрической цепи.

Так, если толщина пленки потускнения весьма значительна и составляет, например, З0—40 нм, удельное электрическое сопротивление образованного диэлектрического слоя будет велико (10—1000 Мом см). В этом можно убедиться, если подвести напряжение к двум сторонам пленки потускнения и включить в цепь амперметр и вольтметр. Установив минимальное напряжение, например, менее одного вольта, можно увидеть, что ток цепи практический отсутствует (составляет доли или единицы микроампер). Если затем увеличивать напряжение, то при каком-то его значении произойдет резкое увеличение тока в цепи. Этог эксперимент позволяет сделать вывод, что при определенной величине напряжения происходит электрический пробой диэлектрической пленки и восстановление очагов проводимости (пропускания). Пробой пленки потускнения есть процесс разрушения диэлектрика и появления канала, заполненного проводящими ток электронами и ионами. В месте пробок возникает высокая температура, металл расплавляется, проникает через пленку потускнения и создает мост для электрического тока.

Пробой пленок потускнения происходит в тот момент, когда напряженность электрического поля на границах пленки достигает величины 1—10 Мв/см.
Если энергия электрического пробоя относительно небольшая и не приводит к расплавлению металла в месте пробоя, то около очагов пробоя пленка потускнения лишь как бы тает (утоньшается), отчего площадь освобожденной от пленки поверхности электрического контакта несколько увеличивается.

Пассивирующие пленки. Промежуточными по проводимости между адгезионными пленками и пленками потускнения являются пассивирующие пленки. Пассивирующие пленки иногда создаются на поверхностях некоторых металлов с валентностью 2 и более (например, цинка). Толщина таких пленок более или менее постоянна и равна 1,0—1,5 нм, однако электрическое сопротивление пассивирующих пленок несколько изменяется со временем в зависимости от степени влияния туннельного эффекта.

Водяные пленки. Водяные пленки могут образовываться на поверхностях всех металлов, но их толщина для разных металлов неодинакова. Если относительная влажность в атмосфере превышает 70——80%, то вода адсорбируется на поверхности металла, создавая слой толщиной до 5 нм на благородных металлах и до 10 нм на других металлах.
Вода, появившаяся на поверхности металла, растворяет его верхние слои; при этом ионы металла уходят в воду. По истечении некоторого времени дипольные молекулы воды, несущие электрические заряды, создают на поверхности металла электрическое поле и переводят некоторое количество ионов металла в раствор, после чего они уже не могут более поддерживать разность потенциалов, достаточную для продолжения процесса движения ионов, и последний прекращается. Так создается состояние динамического равновесия и образуется водяная пленка определенной толщины.
Несколько иначе идет процесс образования пленки на поверхности железа. Молекулы располагаются на сравнительно больших расстояниях друг от друга, создавая бугорки, под которыми легко продолжается этот же процесс. Бугорки постепенно растут, становятся тяжелее и без труда отваливаются от поверхности металла. Если влажность атмосферы, в которой находится кусок железа, значительна (80—90%), такой процесс может продолжаться непрерывно. Описанное явление называется коррозией железа или ржавлением. Изделия из железа, подвергающиеся ржавлению, постепенно становятся все тоньше, металл в конце концов рассыпается на отдельные куски и переходит в окружающее пространство в виде мелких частиц пыли коричневого цвета.

Скорость коррозионных процессов связана с климатом и характером местности. Например, в сельской местности с умеренным климатом железо коррозирует со скоростью около 2,6 мкм/год, в городах того же пояса — со скоростью 200 мкм/год, а в тропическом поясе на берегу моря — до 620 мкм/год.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ И ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА НИХ

Электрические разрывные контакты могут находиться в одном из трех возможных положений:
— контакты замкнуты и ток без затруднений проходит через них;
— контакты разомкнуты, находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, между ними имеется значительный по толщине слой диэлектрика, например воздуха, и прохождение тока поэтому исключается;
— контакты были замкнуты и началось их размыкание или контакты были разомкнуты и началось их сближение до появления между ними наименее возможного расстояния называемого зазором. В этом случае, хотя прямого металлического контакта еще нет, все же может создаться цепь электрического тока благодаря возникновению в зазоре между контактами искрового или дугового процесса.

В третьем возможном положении контактов величина тока может быть непостоянной, а поэтому режим работы контактов при наличии зазора называется нестационарным, или неустановившимся переходным. При конструировании контактов стараются рассчитать их так, чтобы длительность неустановившегося режима работы была минимальной.

В идеальных замкнутых контактах вся геометрическая поверхность является проводником электрического тока. В реальных замкнутых контактах ток проводят отдельные очаги проводимости (пропускания), поэтому электрическая проводимость реальной поверхности во много раз меньше электрической проводимости идеальной поверхности.
В случае идеальных контактов их электрическое переходное сопротивление можно было бы не принимать во внимание вследствие его малости. Однако поскольку электрический ток проходит лишь через очаги проводимости (пропускания), линии электрического тока не могут распределяться равномерно по всей геометрической поверхности контактов. Они вынуждены стягиваться к местам расположения очагов проводимости (пропускания) и искривляться. Естественно, что стягивание и уплотнение линий тока ведет к увеличению электрического сопротивления прохождению тока в очагах проводимости (пропускания). Это добавочное сопротивление принято называть сопротивлением стягивания. Когда поверхность, проводящая ток, составляется из многих очагов проводимости (пропускания), результирующее сопротивление стягивания определяется как величина, обратная сумме проводимостей отдельных очагов. Во многих случаях определение сопротивления стягивания представляет собой трудную задачу, так как приходится учитывать очень сложную форму отдельных очагов проводимости (пропускания), находить размеры очагов, расстояния между ними и одновременно считаться с неравномерностью их расположения на контактной поверхности. К тому же сопротивление каждого очага проводимости(пропускания) меняется с изменением температуры поверхности контактов и со временем.

Если же на поверхности очагов проводимости (пропускания) появляются пленки, например пленки потускнения, рабочая поверхность очагов вследствие этого уменьшается и еще более усиливается эффект стягивания линий тока. Создается дополнительное сопротивление, вызываемое пленками потускнения, расположенными на поверхностях обоих контактов.
Следовательно, контактное сопротивление Rконт — это добавочное сопротивление поверхности контактов, появляющееся за счет сужения участков, проводящих ток, как вследствие наличия лишь отдельных очагов проводимости (пропускания), и вследствие появления на них пленок потускнения.
Если известны величина добавочного переходного контактного сопротивления Rконт и проходящий через контакты ток I, можно определить добавочное падение напряжения на контактах от эффекта стягивания линий тока:
Ucт = IRконт.
В идеальном случае, когда два контакта соединены между собой по всей геометрической поверхности, т. е. отсутствуют линии стягивания и пленки потускнения, переходное контактное падение напряжения будет определяться как
Uпер = IRпер, где переходное контактное сопротивление Rпер намного меньше Rконт. Так как последний случай практически не реален, то, измеряя переходное падение напряжения между контактами, фактически находят величину добавочного падения напряжения Uст.

Атмосферные и другие воздействия могут приводить к многократному увеличению добавочного переходного контактного сопротивления вследствие коррозии.