Contacte electrice - procese fizice in contacte electrice, rezistenta de trecere a contactelor cu atingere metalica, uzura contactelor

CONTACTE ELECTRICE

In limbajul tehnic uzual, expresia 'contact electric' are un dublu inteles, ea desemnand, pe rand:

- fie situatia de atingere mecanica intre doua corpuri, bune conductoare de electricitate;

- fie piese special construite, intre care se realizeaza continuitatea unui circuit cand aceste piese (contacte) se ating.

Pentru eliminarea oricarui fel de ambiguitate in intelegere se precizeaza ca, in continuare, prin notiunea de 'contact electric' vom desemna numai al doilea inteles, cel de piese special construite.

In acest context, orice echipament electric este considerat, in esenta, ca un ansamblu de elemente functionale si de conductoare interconectate electric. Punctul circuitului in care curentul trece dintr-o cale de curent in alta este denumit 'punct de contact electric'. In practica, prin contact electric se intelege un ansamblu compus din doua piese metalice, prin a caror atingere se stabileste conductia intr-un circuit electric. Cele doua piese se numesc elemente de contact sau, pur si simplu, contacte, atunci cand nu pot aparea interpretari gresite. Constructiv, la un contact electric, atingerea se realizeaza prin apasarea (cu ajutorul unei forte) a unui element contra celuilalt element. Suprafata de atingere a pieselor de contact se numeste suprafata de contact. Contactele electrice se pot clasifica dupa diferite criterii. Astfel:

i) Dupa forma geometrica a suprafetei de contact, contactele electrice se impart, conventional, in trei grupe:

1. Contacte punctiforme, la care, macroscopic, atingerea are loc doar intr-un singur punct, iar microscopic, pe o suprafata circulara de raza foarte mica. In aceasta grupa intra, de exemplu, contactele sfera-sfera, sfera-plan, con-plan (v.fig.1.a).

Contacte liniare, la care atingerea are loc de-a lungul unei linii, adica, practic, pe o suprafata extrem de ingusta. Din aceasta grupa fac parte, de exemplu, contactele intre suprafata laterala a unui cilindru si un plan sau contactele intre doi cilindri cu axele paralele (v.fig.1.b).

3. Contacte plane, la care atingerea celor doua piese se face pe o suprafata de contact. Din aceasta grupa fac parte, de exemplu, contactele realizate intre doua suprafete plane, cu sectiunea dreptunghiulara (v.fig.1.c).

ii) In functie de cinematica elementelor, contactele electrice se pot clasifica in:

a. Contacte fixe, realizate, in general, prin imbinarea mecanica a celor doua elemente de contact prin suruburi, nituri, buloane (reprezentate schematic in fig.8.a). b. Contacte amovibile, la care unul din cele doua elemente de contact este fix, iar celalat este amovibil (fara sarcina si fara tensiune). Un exemplu tipic il constituie contactul realizat intre cutitul elementului fuzibil (inlocuitor) si lira fixata pe soclu, al unei sigurante fuzibile (v.fig.b).

c. Contacte mobile pentru comutatia circuitelor electrice, la care cel putin unul din elemente este deplasabil (la functionarea normala a echipamentului), determinand astfel inchiderea sau deschiderea circuitului (ca in fig.c).

Pe durata functionarii lor, contactele sunt supuse la diferite solicitari. Astfel, contactele fixe si contactele amovibile sunt supuse incalzirii atat in regimul normal, cat si in regimul de suprasarcina si, uneori, in regimul de scurtcircuit. In toate aceste situatii, incalzirea nu trebuie sa depaseasca valorile supratemperaturilor prescrise de standarde pentru fiecare din regimurile sus-mentionate. Contactele echipamentelor de comutatie (si, in special, contactele mobile) sunt supuse si actiunii arcului electric, care apare intre elementele de contact la separarea lor. Desi durata arcului electric este limitata (5-30 ms), temperatura ridicata a arcului provoaca o incalzire intensa a elementelor de contact. In plus, la echipamentele care executa un numar mare de comutatii sub sarcina se constata si o uzura electrica a contactelor, adica o migratie de material de pe elementele de contact, sub actiunea temperaturii arcului electric. De asemenea, la contactele mobile poate sa apara uzura mecanica, ca urmare a strivirii si deformarii pieselor de contact, dupa un numar mare de manevre. Prin urmare, contactele electrice necesita o exploatare si o intretinere conform prescriptiilor. Neinlaturarea uzurii contactelor, chiar neinsemnata la prima vedere, poate determina aparitia unor defecte grave (incalzirea peste masura a contactelor si chiar topirea lor), conducand la scoaterea din functiune a echipamentelor.

1. PROCESE FIZICE IN CONTACTE ELECTRICE

Pentru a putea evalua solicitarile contactelor in relatii cantitative, aprioric este necesar sa se cunoasca principalele procese fizice care au loc la formarea oricarui contact electric.

In particular (in orice circuit electric) prezenta unui contact electric va conduce, intotdeauna, la cresterea rezistentei electrice a cicuitului. Aceasta crestere se datoreaza 'rezistentei de contact' . Rezistenta de contact este formata din doua componente:

- rezistenta metalului contactului (care, pentru orice lungime , se poate calcula cu formula cunoscuta, , unde este rezistivitatea materialului, iar A este aria sectiunii transversale a contactului) si

- rezistenta de trecere , adica:

(1)

Aparitia rezistentei de trecere in cazul contactului electric (cea care determina cresterea rezistentei electrice a circuitului) este cauzata pe de o parte, de fenomenul de strictiune a liniilor de curent, iar pe de alta parte, de formarea unei pelicule disturbatoare pe suprafata elementelor de contact.

Strictiunea liniilor de curent

Oricat de bine ar fi prelucrate suprafetele de contact, totusi atingerea lor se realizeaza doar in cateva zone de contact, zone in care liniile de curent sufera o strictiune (strangere), ca in figura 3. Cu alte cuvinte, contactul electric nu se face prin aria integrala (comuna) a suprafetelor celor doua elemente de contact (suprafata aparenta de contact), ci doar printr-o multime de puncte (sau zone) separate. La un contact realizat cu o suprafata aparenta mare, atingerea pieselor de contact se realizeaza prin micropuncte de contact, adica in locurile in care materialul este deformat. Micropunctele de contact sunt grupate in zone de contact, care se mai numesc si puncte de contact.

Daca aria punctelor de contact , pe care se exercita forta de apasare

este o fractiune infima (0,01-0,05) din aria aparenta , atunci se realizeaza un contact de suprafata, ca in figura 4. In acest caz, contactul se realizeaza, de exemplu, prin trei zone de contact (zonele 1, 2 si 3). Fiecare zona de contact este formata din microarii in care materialul este deformat fie plastic, fie elastic, fie la limita intre plastic si elastic. Numarul (al zonelor de contact) si dimensiunile zonelor de contact depind atat de rezistenta mecanica a materialului contactului, cat si de forta de apasare normala (a contactului).

Dependenta intre forta de apasare normala si aria de contact , pe care se exercita aceasta forta (in conditii de deformare plastica) este de forma:

(2)

unde este rezistenta admisibila la strivire a materialului (in N/mm²), iar este raza cercului echivalent (cu aria ) pentru fiecare din cele zone de contact.

Relatia (2), desi nu este riguros exacta, arata ca pe masura ce forta de apasare creste, deformarea varfurilor este mai pronuntata si noi micropuncte de contact pot aparea.

In cazul contactului puctiform (v.fig.5), atingerea intre cele doua elemente se realizeaza intr-o singura zona de contact (), iar dependenta intre aria de contact si forta de apasare rezulta din (2), de forma:

(3)

Desi relatia (3) nu evidentiaza clar dependenta dintre aria de contact si raza de curbura () a elementului de contact in domeniul deformatiei plastice (domeniu in care se realizeaza contactele tehnice), totusi experientele au aratat ca aceasta dependenta este de forma diagramelor din fig.6. Aici se constata ca aria de contact punctiform creste in acelasi sens cu raza de curbura a contactului, la diferite valori ale fortei de apasare, pentru un anumit tip de material al contactelor.

Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale Eseu: Specificatie tehnica - fitinguri canalizare sudate din pvc

Pelicula disturbatoare

In cazul unui contact metalic curat, adica atunci cand nu exista pelicule disturbatoare (oxizi, sulfuri etc.) pe suprafata de contact, rezistenta de trecere este constituita numai din rezistentele de strictiune. Numai ca, in realitate, suprafetele metalice ale elementelor de contact reactioneaza cu atmosfera inconjuratoare, iar transformarile care au loc determina aparitia peliculelor de oxizi si depind atat de natura metalului contactului cat si de proprietatile mediului ambiant. Prin urmare, rezistenta de trecere este alcatuita atat din rezistenta de strictiune (a doua elemente de contact), cat si din rezistenta peliculei disturbatoare (oxizi, sulfuri). In plus, peliculele disturbatoare formate pe suprafetele metalice de atingere (ale contactelor electrice) nu impiedica prea mult trecerea curentului prin contacte, pentru ca, pana la urma, ele se distrug.

Concret, conductia curentului prin peliculele de oxizi are loc prin distrugerea lor si se realizeaza fie prin deformatia plastica a suprafetelor elementelor de contact, fie prin fritare. Astfel, in procesul de inchidere a contactelor (sub actiunea unei forte puternice de apasare) poate avea loc o distrugere mecanica a peliculei disturbatoare in cateva puncte si, prin infiltrarea metalului contactelor in fisurile din pelicula se poate stabili un contact pur metalic. Daca forta de apasare a contactelor nu este suficient de mare pentru a produce deformatia plastica a suprafetelor de contact (si, deci, fisuri in pelicula), atunci conductia curentului se realizeaza prin fenomenul de fritare. Astfel, daca unei pelicule disturbatoare i se aplica progresiv o tensiune electrica crescatoare, se constata ca rezistenta peliculei incepe sa scada, intrucat pelicula se comporta ca un semiconductor. Daca se depaseste tensiunea de fritare (care la grosimi ale peliculei de 1000 Å poate fi de circa 10-100 V), tensiunea pe pelicula scade brusc la 0,5-1 V, si tot brusc va scadea si rezistenta electrica a peliculei disturbatoare.

Din punctul de vedere al formarii (si al existentei) peliculei disturbatoare, contactele electrice se pot clasifica in urmatoarele categorii:

a. Contacte electrice cu atingere metalica (fara pelicula disturbatoare). Acestea sunt realizate din metale nobile (Au, Ag, Pt) in vid sau din metale nenobile in vid si care nu au suferit (in prealabil) actiunea vreunui mediu agresiv (oxidant);

b. Contacte electrice cu atingere cvasimetalica. Aceste contacte sunt realizate din metale nobile, dar sunt utilizate in atmosfera normala. Din aceasta categorie fac parte contactele din Au, Ag, Pt, care se acopera cu pelicule disturbatoare cu grosimi de circa 20 Å;

c. Contacte electrice cu pelicula disturbatoare. In aceasta categorie intra contactele realizate din Cu in atmosfera normala (caz in care pelicula disturbatoare este de oxid de cupru Cu O) si contactele de Ag in atmosfera de vapori sulfurosi (in acest caz pelicula fiind de sulfura de argint Ag S). In conductie, pelicula este distrusa.

REZISTENTA DE TRECERE A CONTACTELOR

CU ATINGERE METALICA

Se presupune ca rezistenta de trecere este cauzata doar de strangularea (strictiunea) liniilor de curent, in imediata apropiere a locului de atingere a pieselor de contact. In aceste conditii rezistenta de trecere este egala doar cu rezistenta electrica de strictiune. Calculul se face intai pentru un contact punctiform, in functie de modelul adoptat. Astfel:

1. Modelul sferei de conductivitate infinita (v.fig.7) presupune ca cele doua corpuri metalice 1 si 2 de conductivitate finita (adica, semispatiile conductoare care modeleaza piesele de contact) fac contact intre ele printr-o sfera metalica de raza '' si conductivitate infinita. Aici, sfera modeleaza varful de contact si, drept consecinta, raza sferei va fi foarte mica.

In aceste conditii, in sfera, liniile de curent vor fi radiale, iar suprafetele echipotentiale vor fi de forma sferica, concentrice.

Pentru o astfel de configuratie, rezistenta de strictiune (echivalenta celor doua emisfere de contact) se calculeaza si rezulta de forma:

(4)

in care este rezistivitatea electrica a materialului (pieselor de contact).

Modelul elipsoidului turtit (v.fig.8) conduce la o mai buna concordanta cu verificarile experimentale. Acest model considera ca cele doua corpuri metalice 1 si 2 (de conductivitate finita) sunt in atingere intre ele prin intermediul unui elipsoid turtit, incat suprafata de contact va fi o elipsa cu semiaxele si . In acest model, suprafetele echipotentiale vor fi elipsoizi confocali (cu cel de baza), iar liniile de curent (reprezentate cu sageti in fig.8) sunt ortogonale la suprafetele elipsoizilor.

Corespunzator modelului elipsoidal, rezistenta de strictiune (totala, de trecere) a contactului punctiform se calculeaza si poate fi exprimata prin relatia:

(5)

In realitate, in cazul contactului dintre doua suprafete plane, conductia curentului are loc la atingerea metalica printr-un numar mare de contacte punctiforme (care formeaza asa-zisele 'microsuprafete de contact'). Daca punctele de atingere (sau microsuprafetele de contact) sunt presupuse identice, atunci rezistenta totala a contactului cu '' puncte de atingere va fi de '' ori mai mica decat rezistenta de trecere corespunzatoare contactului punctiform, adica:

respectiv (6)

Raza ariei echivalente A₀ a unei microsuprafete de contact depinde de forta de apasare normala si se deduce din relatia (2), sub forma:

(7)

Inlocuind expresia razei (ariei echivalente A₀ a contactului punctiform) in formula (6), rezistenta de trecere (a contactului cu puncte de atingere) devine:

(8)

Din punct de vedere fenomenologic, in primele momente atingerea are loc intr-un numar redus de puncte de contact. Apoi, materialul pieselor de contact se striveste, ariile suprafetelor elementare de contact se maresc, are loc apropierea pieselor de contact si, in consecinta, apar noi puncte de contact. Procesul cresterii lui 'n' va continua atata timp cat apasarea specifica este mai mare decat

Pentru n=1 (cazul contactului punctiform) formula generala (8) devine:

(9)

Prin generalizare, rezistenta de trecere (8) poate fi exprimata analitic printr-o relatie de tipul: (10)

unde: K = coeficient care depinde de natura materialului contactelor, de forma si

gradul de finisare a suprafetelor de contact si de starea acestora;

F = forta de apasare (presare) a contactelor,iar

m = un exponent care depinde de numarul punctelor de contact.

Exponentul din ecuatia (10) are urmatoarele valori uzuale: (ca in relatia 9) pentru contactul punctiform; pentru contacte punctiforme multiple; pentru contacte liniare si pentru contacte plane.

Coeficientul K din formula (10) are valori numerice (obtinute pe cale experimentala) in functie de tipul si de natura contactelor, dupa cum urmeaza:

pentru contacte din Cu-Cu (fara oxizi);

pentru contacte din Cu-Cu cositorite;

pentru contacte din alama;

pentru contacte din Cu-Ol.

In concluzie, marimea rezistentei de trecere (a contactelor electrice) depinde de materialul contactelor, de forta F (de strangere a contactelor) si de natura, forma si finisarea suprafetelor metalice care se ating.

1. Factorii care influenteaza rezistenta de trecere

Experimental, s-au stabilit trei factori care pot influenta marimea rezistentei de trecere a contactelor metalice. Acestia sunt evocati si descrisi succint, in continuare.

1. Suprafata aparenta de contact. Marimea suprafetei aparente de contact depinde direct de numarul 'n' de puncte de contact. Contactele cu suprafete aparente diferite, dar cu acelasi numar de puncte de atingere au aceeasi valoare a rezistentei de trecere daca celelalte conditii de functionare raman neschimbate (sunt invariante).

Pe langa marimea suprafetei, starea suprafetei de contact prezinta o importanta deosebita in functionarea contactelor, deoarece pe suprafetele acestora se formeaza pelicule disturbatoare (oxizi, sulfati etc.). Aceste pelicule se distrug periodic, incat in exploatare exista intervale (de timp) de formare a peliculelor disturbatoare si sunt momente (de timp) la care peliculele se distrug (fie mecanic, fie prin strapungere).

Oxidarea materialelor contactelor are loc chiar la temperatura mediului ambiant (2040 grd.C), insa procesul are loc cu atat mai repede cu cat temperatura de lucru a contactelor este mai mare. In aer liber, oxidarea contactelor este mult mai rapida decat daca acestea ar fi scufundate in ulei. In plus, incalzirea si racirea alternativa, prezenta in atmosfera a bioxidului de sulf, a hidrogenului sulfurat, a clorului, a amoniacului si a vaporilor de acizi sunt factori care favorizeaza si accelereaza procesele de oxidare si de corodare a contactelor electrice.

Uzual, protectia pieselor de contact impotriva coroziunii se realizeaza prin acoperiri metalice anticorozive (in bai de galvanizare, in bai de metal topit sau prin pulverizare cu metal in stare topita). Metalul utilizat trebuie sa fie inoxidabil sau cu stratul de oxid bun conducator de electricitate. Grosimea stratului de protectie va fi cu atat mai mare cu cat conditiile de exploatare ale contactelor sunt mai grele.

In mod curent, contactele din cupru (Cu), alama (Am) si bronz (Bz) se acopera anticoroziv cu un strat de cositor, de argint, de nichel sau de crom.

Desi cositorirea contactelor pare metoda cea mai putin costisitoare, totusi, in caz de scurtcircuit (la curenti intensi) cositorul se poate topi si, in stare lichida, poate sa stropeasca piesele alaturate, provovand, in felul acesta, noi avarii.

Materialul contactelor. Asa cum s-a mai spus, materialul pieselor de contact influenteaza marimea rezistentei de trecere prin valoarea rezistivitatii electrice si prin valoarea rezistentei admisibile la strivire

Rezistenta contactului este cu atat mai mica cu cat si sunt mai mici. De aceea, in practica se recomanda acoperirea (prin diverse procedee) cu argint, cu cositor etc. a suprafetelor pieselor dure (tari) ale contactelor electrice.

Pe de alta parte, la imbinarile de contact realizate cu piese din metale diferite pot aparea coroziuni electrochimice mult mai accentuate decat la cele cu piese din acelasi metal. Cu cat metalele pieselor de contact sunt mai departate (unul de celalalt) in seria electrochimica, cu atat distrugerea va fi mai rapida. Se impune cu necesitate, si aici, acoperirea anticoroziva.

3. Forta de apasare a contactelor. Este factorul cel mai important care influenteaza marimea rezistentei de trecere . Pentru o aceeasi suprafata aparenta de atingere , rezistenta de trecere este cu atat mai mica cu cat forta de apasare normala (pe contacte) este mai mare. Practic, in domeniul presiunilor mici, cresterea fortei de apasare micsoreaza brusc rezistenta de trecere a contactelor. Cresterea in continuare a fortei de apasare nu mai produce o modificare notabila a rezistentei de trecere.

Curbele care arata variatia sunt de tipul hiberbolelor generalizate si pot fi exprimate analitic din (10) prin relatii de forma:

(11)

Ca exemplu, dependenta grafica dintre rezistenta de trecere si marimea fortei de apasare normala (in cazul unor contacte din cupru-alama) arata ca in fig.9.

3. UZURA CONTACTELOR

In general, prin 'uzura' se intelege efectul cumulat al actiunii diversilor factori (procese si fenomene fizico-chimice) care conduc la erodarea gradata si progresiva (pe durata functionarii), avand drept rezultat modificari ireversibile (de forma si dimensiuni) ale elementelor in discutie.

Uzura cauzata de factori mecanici (socuri, ciocniri, frecari, rostogoliri etc.) este numita 'uzura mecanica' a contactelor.

Uzura produsa de actiunea factorilor electrici este cunoscuta ca 'uzura electrica' a contactelor si aceasta va fi dezvoltata in continuare.

In acest context, contactele sunt supuse uzurii electrice atat la inchiderea, cat si la deschiderea (sau intreruperea) circuitelor electrice. Intreruperea oricarui circuit (parcurs de curent electric) conduce la aparitia - intre contactele intreruptorului - a arcului sau a scanteilor electrice. La intreruperea curentilor intensi, arcul electric este precedat de formarea de 'punti' de metal topit (intre contacte). Din cauza temperaturii ridicate a arcului electric, o parte din metalul 'puntii' se evapora, o alta parte este pulverizata si ejectata in exterior, iar o mica parte este eliminata de pe un contact si este depozitata pe celalalt contact.

Transferul directionat al metalului de pe un contact pe altul (migratia), cat si evaporarea metalului (arderea sau disparitia lui din masa solida a contactului) sunt fenomene cauzate de descarcarea electrica aparuta la separarea contactelor si sunt cunoscute sub numele generic de 'eroziune electrica' a contactelor. In legatura cu migratia, se precizeaza ca arcul electric transfera metalul de la catod la anod, pe cand scanteierea, dimpotriva, il transfera invers (de la anod la catod). Fenomenul migratiei de material conduce la formarea unui 'varf' pe unul din contacte si a unui 'crater' pe celalalt contact (v.fig.10).

La distante relativ mici (intre contacte) fenomenul migratiei poate duce chiar la sudarea (sau 'inghetarea') contactelor si asta din cauza 'puntii metalice' formate cand contactele sunt deschise.

Eroziunea electrica a contactelor creste odata cu intensitatea curentului, cu valoarea tensiunii si cu durata arcului electric si depinde de natura materialelor din care sunt confectionate contactele. Unele metale conductoare care sunt rezistente la coroziunea atmosferica (precum argintul si aurul) sunt erodate electric cu multa usurinta, pe cand materiale precum: cuprul, tungstenul si molibdenul prezinta o rezistenta inalta la eroziunea electrica.

Eroziunea electrica poate fi minimizata numai prin asigurarea posibilitatii deplasarii rapide a piciorului de arc din punctul aprinderii initiale. In acest caz, temperatura contactului in dreptul piciorului de arc va fi mai joasa, o cantitate mai mica de metal va fi topita si, in consecinta, suprafata contactului va fi mai putin erodata. De asemenea, utilizarea de materiale sinterizate (din pulberi metalo-ceramice) reprezinta mijloace eficiente de crestere a rezistentei contactelor la eroziunea electrica.

Contactele destinate sa rupa curenti slabi (mai putin intensi) pot fi protejate impotriva eroziunii prin suntarea lor cu un condensator. Cu aceasta metoda, nu vor mai exista descarcari electrice intre contactele care se separa. Practic, toata energia necesara initierii si dezvoltarii arcului electric va fi utilizata la 'incarcarea condensatorului'. O astfel de metoda de protectie a contactelor (la intreruperea curentilor mici) este cunoscuta sub numele de 'stingerea capacitiva a arcului'. Ea are si doua dezavantaje: 1) capacitatea condensatorului de suntare este de marime considerabila si 2) condensatorul incarcat se descarca prin contacte (in cursa de inchidere a acestora) si, in anumite conditii, poate produce sudarea acestora.

3.1. Uzura la deschiderea contactelor

Uzura in contacte la deschiderea (sau intreruperea) oricarui circuit electric se datoreaza prezentei si actiunii arcului electric si depinde de foarte multi factori. Pana in prezent nu a fost stabilita nici o 'formula' pentru evaluarea uzurii contactelor. Din acest motiv, in continuare vor fi evocate doar cateva din concluziile rezultatelor experimentale privind uzura la deschiderea contactelor.

1. Influenta numarului manevrelor de deschidere a contactelor. In ipoteza unui curent de valoare efectiva constanta, uzura contactelor este direct proportionala cu numarul 'n' (de deschideri). Astfel, daca 'marimea' uzurii produse la o singura deschidere a contactelor o notam cu 'c', atunci uzura totala (cumulata) 'u_z' cauzata de cele 'n' deschideri va avea marimea:

(12)

Influenta intensitatii campului magnetic (de suflaj). Daca contactele apartin unui contactor cu suflaj magnetic, atunci dependenta uzurii contactelor 'u_z' in functie de marimea intensitatii campului magnetic H, adica curba u_z = f(H) este reprezentata in fig.11. Explicatia acestei forme a curbei este simpla. Pentru valori reduse ale lui H, piciorul arcului ramane (timp indelungat) sprijinit in aceeasi zona a suprafetei de contact, careia ii va cauza o uzura considerabila. Odata cu cresterea lui H creste si viteza de deplasare a piciorului de arc (pe suprafata contactului), reducandu-se astfel temperatura, cantitatea de metal topit si, in final, uzura contactului.

Evolutia proceselor de mai sus se schimba dupa ce intensitatea campului magnetic H trece de valoarea critica H_C, cand intervine un factor nou: prezenta puntii de metal topit. Fortele electromagnetice prezente tind sa ejecteze o cantitate crescanda din materialul puntii, ceea ce face ca uzura sa creasca. Atunci cand, in cresterea lor, fortele electromagnetice imprastie tot materialul topit al puntii, uzura 'u_z' ramane constanta, nemaifiind influentata de o eventuala crestere a intensitatii H.

3. Dependenta uzurii de nivelul tensiunii. In absenta suflajului magnetic, atunci cand arcul este lungit mecanic (doar prin departarea contactelor) uzura 'u_z' creste pronuntat odata cu cresterea tensiunii (v.curba 1 din fig.12).

Invers, prin folosirea suflajului magnetic, arcul va fi fortat sa iasa in afara spatiului dintre contacte de indata ce distanta dintre contacte depaseste . In acest caz, uzura contactului 'u_z' rezulta practic independenta de marimea tensiunii (vezi curba 2 din fig.12).

4. Dependenta uzurii de marimea curentului. Uzura contactelor creste odata cu valoarea efectiva a curentului intrerupt. Daca celelalte conditii raman (teoretic) neschimbate, se poate spune ca

Cu toate acestea, in practica, in cazul contactelor echipamentelor cu bobine de suflaj magnetic s-a constatat o crestere a uzurii contactelor 'u_z', mai pronuntata decat cresterea curentului I, incat este mai aproape de realitate relatia aproximativa:

; cu (13)

5. Dependenta uzurii de latimea contactelor. La fiecare deschidere a contactelor, in mod inevitabil, o anumita cantitate de metal (de pe suprafata de atingere) se topeste si se evapora, iar contactul 'se arde'. Cantitatea de metal care se elimina in acest mod este dependenta de latimea contactelor. Experimental, s-a confirmat ca uzura contactelor variaza invers proportional cu latimea acestora.

6. Influenta vitezei de separare a contactelor (la deschidere). In cazul aparatelor cu suflaj magnetic, viteza de separare a contactelor (la deschidere) nu afecteaza uzura acestora intr-o masura prea mare. Uzura contactelor nu poate fi redusa prin cresterea vitezei de separare. Numai la viteze mici s-a constatat o crestere a uzurii contactelor odata cu micsorarea vitezei de separare a lor.

3. Uzura la inchiderea contactelor

Contactele electrice sunt supuse uzurii si pe durata inchiderii. Loviturile, rostogolirile si frecarile la inchidere determina o uzura abraziva (de natura mecanica) a suprafetelor contactelor.

In paralel cu uzura abraziva, inchiderea contactelor provoaca si o uzura electrica care, in anumite cazuri, poate fi mai importanta decat uzura electrica de la deschiderea contactelor. Astfel de uzuri electrice excesive rezulta din faptul ca inchiderea nu se termina la prima atingere a contactelor ci, din cauza vibratiilor, piesele de contact se ating si se desprind de mai multe ori, inainte de a ajunge la starea finala de contact permanent. Explicatia pentru acest fenomen deriva din asimilarea inchiderii contactelor cu o ciocnire elastica conform careia, in urma impactului, contactul mobil este aruncat inapoi la o distanta foarte mica (de zecimi sau sutimi de milimetru). Dupa care, din cauza presiunii exercitate de resoarte, in majoritatea cazurilor, contactele se inchid. Totusi, in anumite situatii, contactul mobil mai poate continua vibratia (de maximum 4 - 5 ori), dar cu o amplitudine puternic atenuata, pana la incetarea definitiva a miscarii. In prezenta curentului, fiecare vibratie (desprindere) va determina o amorsare a arcului, ceea ce va conduce la o noua uzura a suprafetelor de contact.

Si in cazul uzurii la inchiderea contactelor s-au facut cercetari experimentale si s-au determinat principalii factori care o conditioneaza.

1. Influenta caracteristicii fortei mecanismului de actionare (la inchidere). Corespunzator principiului fundamental al dinamicii, viteza de inchidere a contactelor este determinata de diferenta dintre forta la inchidere a mecanismului de actionare (una din curbele 2, 3 sau 4 reprezentate in fig.13) si forta rezistenta in contacte (curba 1 din fig.13). Pentru orice pozitie 'x', cu cat este mai mare excedentul fortei de inchidere (in raport cu forta rezistenta in contacte), cu atat mai mare va fi viteza de inchidere a contactului. Drept consecinta, vor aparea vibratii, iar contactele se vor uza.

Pentru a minimiza uzura contactelor, forta de inchidere ar trebui sa varieze dupa o curba de tipul celei de la pozitia 3 (care asigura inchiderea, dar nu este exagerat de mare).

Dependenta uzurii de valoarea initiala a fortei de apasare (pe contact) si de rigiditatea resortului (de contact). Forta care apasa contactele (in momentul cand ele se ating) se opune vibratiei la impact. Atat reculul cat si vibratia contactelor (deci si uzura lor) vor fi mai mici, cu cat forta aplicata initial contactului mobil, va fi mai mare. In plus, pe masura ce rigiditatea resortului de contact creste vor fi mai putine vibratii si, in consecinta, o uzura mai redusa a contactelor.

3. Influenta numarului de inchideri si a latimii contactului. Ca si in cazul uzurii la deschidere, uzura electrica la inchiderea contactelor este direct proportionala cu numarul de inchideri si este invers proportionala cu latimea contactului.

In concluzie, uzura la inchidere este conditionata de existenta vibratiilor in contactul mobil, iar diminuarea ei va fi conditionata de luarea masurilor concrete privind eliminarea tuturor vibratiilor.

4. CONDI II DE UTILIZARE I MATERIALE PENTRU CONTACTE

Conditiile de functionare ale unui echipament electric de comutatie constituie factorul hotarator atat pentru alegerea materialelor cat si pentru stabilirea solutiei constructive a contactelor electrice. Dupa acest criteriu, contactele electrice ale echipamentelor electrice de comutatie se pot clasifica in:

a. Contacte care stabilesc sau intrerup un circuit electric in absenta curentului electric (comutatie fara sarcina). In aceasta grupa intra contactul fisa-priza, contactul sigurantelor fuzibile, contactele separatoarelor etc. Acestea se dimensioneaza tinand seama de proprietatile fizice ale materialelor, astfel ca incalzirea rezultata a contactului sa fie limitata, uzual, in cadrul prescriptiilor din norme. Pentru reducerea pierderilor de energie la functionarea de lunga durata se impune ca rezistenta de contact sa fie redusa, incat caderea de tensiune in contact sa se situeze sub cativa milivolti.

b. Contacte pentru tensiuni reduse si curenti mici, pentru circuite de c.c.. Astfel de contacte sunt utilizate la relee. In functionare, la aceste contacte apare fenomenul migratiei fine de material (de la anod la catod). Lucrand la tensiuni mici (sub 10-12 V) si in absenta arcului electric, singura problema ce trebuie rezolvata este cea a migratiei fine de material.

c. Contacte pentru puteri de rupere medii. Aceste contacte lucreaza la tensiuni mari (120-500 V) si curenti sub 1000 A, aflandu-se (mai ales la deschidere) sub actiunea arcului electric. In circuitele de curent continuu, in contacte are loc transportul de material de la catod la anod (migratia bruta). Asemenea contacte exista in echipamentele electrice de comutatie de joasa tensiune: la contactoare si la intreruptoare. Solicitarea contactelor pentru puteri medii consta in arderea contactelor (vaporizarea metalului) si in tendinta de sudare a lor. Aceasta tendinta este cu atat mai pronuntata cu cat frecventa de lucru a contactelor este mai mare. Incalzirea contactelor este cauzata nu numai de rezistenta de contact marita, dar si de energia cedata contactelor de arcul electric. In plus, curentii de scurtcircuit intensi pot conduce la sudarea contactelor si, deci, mentinerea aparatului inchis la o eventuala comanda de deschidere.

d. Contacte pentru puteri de rupere mari. In aceasta categorie intra contactele echipamentelor de comutatie de joasa tensiune (500-1000 V) si curenti nominali intensi (1-50 kA), precum si contactele intreruptoarelor de inalta tensiune (6-700 kV). Asemenea contacte sunt supuse unor incalziri puternice, cauzate de piciorul arcului electric de curent mare (foarte intens). In acest caz, problema arderii contactelor si a migratiei brute se pune in cea mai mare masura. De asemenea, sub actiunea temperaturii ridicate a arcului electric pot avea loc reactii importante cu elemente ale mediului inconjurator.

e. Contacte glisante. Anumite echipamente de comutatie de joasa tensiune si aproape toate intreruptoarele de inalta tensiune sunt echipate cu contacte glisante, adica contacte care electric nu se deschid, dar care, prin glisare, isi schimba locul de contact. Astfel de contacte ridica doar probleme tehnologice. Materialele utilizate trebuie sa aiba un coeficient de frecare (la alunecare) cat mai redus.

4.1. Materiale pentru contacte electrice

Materialele utilizate la confectionarea contactelor electrice influenteaza atat durata de serviciu (viata echipamentului), cat si siguranta functionarii lui. In context, materialele pentru contacte trebuie sa indeplineasca o serie de conditii, precum:

- sa fie dure si sa aiba o rezistenta mecanica mare;

- sa aiba conductibilitate termica si electrica mare;

- sa reziste la corodare si sa aiba stratul de oxid bun conductor electric;

- sa se inmoaie si sa se topeasca la temperaturi cat mai inalte;

- sa se poata prelucra mecanic cu usurinta si, in fine,

- sa nu fie scump.

O parte din aceste cerinte sunt contradictorii si nu pot fi indeplinite simultan de un singur material. De aceea, la proiectarea si la fabricarea contactelor electrice se va alege solutia optima corespunzatoare conditiilor concrete in care va lucra contactul.

Prin urmare, obtinerea unui contact convenabil tehnic si acceptabil economic este posibila doar printr-un studiu amanuntit al conditiilor de exploatare si prin utilizarea unor materiale care sa asigure un compromis intre cerintele (o parte, antagoniste) prezentate mai inainte. Atat din punct de vedere tehnic, cat si din considerente economice, in domeniul curentilor tari, ca materiale pentru contacte intereseaza Cu, Ag, W, fie sub forma pura, fie in aliaje cu alte elemente sau sub forma de pulberi sinterizate. Ele vor fi prezentate pe scurt, in continuare.

a. Cuprul si aliajele de cupru. Cuprul electrolitic are o rezistenta electrica mica si, de aceea, este folosit la realizarea contactelor pentru curenti mari (la controlere, contactoare si intreruptoare de joasa tensiune etc.). Dar, caracteristic pentru cupru este si faptul ca are o elasticitate redusa, ca proprietatile mecanice (de exemplu, rezistenta la tractiune) scad odata cu cresterea temperaturii si ca pentru distrugerea (prin fisurare) a peliculei de oxid de cupru sunt necesare forte mari (de apasare) in contacte. De aceea, in constructia contactelor electrice se utilizeaza mai mult aliajele de cupru. Astfel, prin adaugarea unei cantitati de 2-8% Ag, cuprul isi imbunatateste proprietatile mecanice si se poate utiliza ca material pentru contactele sigurantelor fuzibile automate si ale comutatoarelor de sarcina ale transformatoarelor. O imbunatatire suplimentara a proprietatilor mecanice se poate obtine prin adaugarea unei cantitati de 1,5% cadmiu (Cd), pe langa argint. Prin adaugarea de 1,2-2% beriliu (Be) in cupru se obtine un aliaj care poate fi folosit in constructia resoartelor. Contactele lamelare multiple, construite dintr-un astfel de material nu mai au nevoie de resorturi suplimentare pentru asigurarea fortei de apasare.

b. Argintul si aliajele lui. Argintul pur este un metal nobil, relativ ieftin, caracterizat printr-o rezistivitate electrica mica. El este frecvent utilizat in constructia contactelor echipamentelor electrice, sub formele:

- de acoperiri galvanice (contacte de cupru argintate), avand grosimi de , cu o larga utilizare in echipamentele de curenti slabi, dar si in tehnica curentilor tari, atunci cand intreruperea este fara curent sau cu un curent redus (la clemele de curenti tari, la fise si prize, la contactele separatoarelor etc.);

- de contacte masive de argint, sub forma de nituri, piese sudate sau piese placate, in domeniul comutatiei la joasa tensiune (cu tensiuni de circa 120-500 V si curenti pana la 1000 A).

Argintul pur are si cateva proprietati nefavorabile in exploatarea contactelor electrice: migratia de material este marita (contactul de argint se uzeaza electric rapid), duritatea mecanica redusa, are tendinta de lipire si rezistenta redusa la actiunea sulfului etc. Din aceasta cauza, contactele de curenti tari se realizeaza cu aliaje de argint, care au proprietati superioare argintului pur. Astfel, se utilizeaza aliajul de argint-cadmiu (Ag-Cd), care poate sa aiba un continut de Cd de pana la 37%. Prezenta cadmiului in materialul contactului conduce la reducerea sensibila a scanteilor, adica la crearea unor conditii mai bune de stingere a arcului electric, datorita faptului ca energia de disociere a oxidului de cadmiu (CdO) se extrage din energia arcului electric. De asemenea, formarea oxidului de cadmiu la suprafata contactului micsoreaza tendinta de lipire a contactelor, fara a mari sensibil rezistenta de contact.

c. Aurul si platina sunt metale nobile scumpe, caracterizate de faptul ca reactioneaza foarte putin cu mediul inconjurator. Prin urmare, la contactele realizate din Au si Pt pelicula disturbatoare are o grosime foarte mica, iar rezistenta de contact este foarte mica (practic, neglijabila). Aceste metale sunt utilizate in constructia contactelor electrice strabatute de curenti foarte mici si supuse la forte de apasare extrem de reduse (ca, de exemplu, in microelectronica, in tehnica calculatoarelor etc.).

d. Aluminiul prezinta, fata de cupru, o rezistenta mecanica mica (deci, se uzeaza mecanic repede) si o rezistivitate electrica mai mare. Aluminiul se foloseste doar la legaturile de contact (cu bare plane) fixe si doar in cazul unor curenti de scurtcircuit relativ mici.

e. Otelul se caracterizeaza printr-o rezistenta mecanica mult mai mare decat a cuprului, dar si printr-o rezistivitate electrica mare. In practica, otelul se foloseste la realizarea legaturilor electrice intre conductoarele de legare la pamant si cuvele metalice ale echipamentelor sau ale flanselor izolatoare.

f. Wolframul (W) este un metal foarte mult utilizat in constructia contactelor intreruptoarelor de inalta tensiune (puternic solicitate termic de piciorul arcului electric), datorita temperaturii de topire ridicate (3410 grd.C), a duritatii si a rezistentei la uzura ridicate. Utilizarea wolframului nu este indicata in constructia contactelor echipamentelor de joasa tensiune si curenti mari. Wolframul se prelucreaza relativ greu, folosind procedee tehnologice specifice, deseori neconventionale.

g. Materiale de contact sinterizate (din pseudoaliaje). Acestea sunt mixturi solide din doua metale, care nu se combina sub forma unui aliaj, ci prin procedee speciale ce apartin tehnicii metalurgiei pulberilor. Un contact sinterizat este realizat cu scopul de a avea conductivitate electrica mare (rezistenta de contact redusa), dar si rezistenta ridicata la ardere (punct de topire ridicat) si, deci, uzura electrica redusa.

Contactele sinterizate cel mai des utilizate sunt din: argint-tungsten, argint-molibden, argint-nichel, argint-oxid de cadmiu, argint-grafit, argint-grafit-cupru, cupru-molibden.     Materialele sinterizate sunt utilizate la constructia contactelor electrice pentru curenti medii si mari.

5. TIPURI CONSTRUCTIVE DE CONTACTE ELECTRICE

Contactele electrice au forme si dimensiuni constructive in functie de instalatiile (sau echipamentele) in care urmeaza sa fie montate. Ele pot fi fixe sau mobile.

Contactele fixe sunt folosite la realizarea conexiunilor electrice permanente intre parti complet separate. Punctul de contact (de suprapunere) trebuie sa fie sigur, rezistent mecanic si cu rezistenta electrica de contact mica.

a. Contacte pentru fixarea conductoarelor electrice (v.fig.14). Sunt realizate cu ajutorul suruburilor care, prin strangere, blocheaza conductorul electric in locasuri corespunzatoare. De cele mai multe ori, conductoarele sunt cositorite, iar piesele de strangere sunt din alama argintata, zincata sau nichelata.

b. Contacte fixe pentru bare plane (si derivatii la bare, v.fig.15). Se realizeaza prin imbinarea elementelor de contact (a barelor de Cu sau Al) cu ajutorul buloanelor de otel. Barele sunt din cupru argintat, cositorit sau din aluminiu. In fig.16 este prezentat un detaliu al contactului electric intre doua bare conductoare.       

c. Contacte fixe de tip fisa/priza. In aceasta categorie intra contactele folosite in constructia aparatelor de laborator, a aparatelor electrocasnice si de uz insdustrial sau a sigurantelor de joasa/inalta tensiune. Cele doua piese ale unui astfel de contact au functii complet diferite: 1) de a asigura presiunea pe contact (prin elasticitatea mecanica) si 2) de a asigura un bun contact electric (piesele fiind din cupru argintat).

Cele doua functii sunt ilustrate pe larg, in constructiile prezentate in fig.17.

Pe acelasi principiu sunt construite si contactele pentru sigurante fuzibile de joasa tensiune, la care contactul cu rezistenta electrica redusa este asigurat de piese din cupru argintat, iar presiunea pe contact se realizeaza cu resorturi (din otel de arc).

d. Contactele releelor. Acestea se realizeaza ca in variantele prezentate de fig.18, prin nituire, sudare electrica, placare etc.

Materialul de contact (nitul, pastila de sudare sau placatul) se confectioneaza din materiale cu tendinta redusa de lipire si stabile in mediul inconjurator, precum:

- argintul aurit, cand exista pericolul formarii Ag S;

- aliajul Ag-Pd, pentru a evita formarea peliculei disturbatoare;

- aliajul Ag-Ni, pentru contactele circuitelor cu curenti mari la inchidere;

- aliajul Ag-CdO, pentru contactele circuitelor cu sarcini capacitive si lampi;

- aurul si platina, pentru contactele circuitelor de curenti mici.

Drept suport pentru elementul activ de contact se foloseste bronzul sau beriliul.

e. Contacte pentru microintreruptoare. Acestea sunt destinate stabilirii si/sau intreruperii curentilor mici (de pana la cativa amperi) si pot fi aranjate cu un singur punct de contact sau cu mai multe puncte de contact. Forma lor este ilustrata in fig.19. Tehnologic, contactele microintreruptoarelor sunt asemanatoare (ca forma si dimensiuni) cu contactele pentru relee.

f. Contactele contactoarelor se executa in doua variante de baza, ca in fig.20 (in care intreruperea este dubla). Astfel, in varianta 20.a piesele de contact sunt asezate pe suport prin placare, iar in varianta din fig.20.b piesele de contact sunt realizate prin lipitura tare. Ca material, contactele contactoarelor sunt executate, aproape fara exceptie, din aliaj Ag-CdO.

g. Contactele intreruptoarelor de joasa tensiune se construiesc tinand seama ca aceste echipamente sunt destinate sa intrerupa curentii de scurtcircuit.

Din acest motiv, la valori mari ale curentului nominal (I_N>200 A) si ale curentului de scurtcircuit (I_sc>8 kA), intreruperea se realizeaza cu ajutorul unui sistem format din doua contacte A si B (conectate in paralel), ca in fig.21. Atunci cand intreruptorul este inchis (poz.a), prin contactul A trece (0,7-0,8)I, iar prin contactul B (in paralel cu A) trece (0,3-0,2)I. La deschidere (poz.b), se intrerupe mai intai calea de curent cu contactul A, incat tot curentul va fi condus de contactul B. Acesta va intrerupe ultimul, iar intre elementele lui apare arcul electric de comutatie. In continuare, arcul este impins si intins pe rampe de cupru (poz.c), urmand ca apoi sa  fie introdus in camera de stingere (pentru a fi stins, v.poz.d). Intrucat elementele contactului A nu sunt expuse actiunii arcului electric, ele se executa din aliaje Ag-Ni. Din contra, elementele contactului B sunt supuse actiunii arcului electric si, de aceea, ele se realizeaza din pseudoaliaje de tip Ag-W si Cu-W.

h. Contactele intreruptoarelor de inalta tensiune. Din multitudinea tipurilor constructive ale acestor contacte, reprezentative sunt doua: 1) contactul tija-tulipa si 2) contactul alunecator (cu role).

1. Contactul tija-tulipa este reprezentat in fig.2 Tulipa este formata din degetele 1 asezate pe periferia unui cerc. Fiecare deget este prevazut in zona inferioara cu o insertie de wolfram 2 pentru preluarea arcului electric. In mod similar, tija 4 este prevazuta cu un varf de wolfram 3. In pozitia inchis (punctat in figura) contactul se realizeaza intre piese de cupru dur (argintat).

Contactul alunecator cu role este reprezentat in fig.23. Transferul curentului de pe tija mobila 3 catre barele 1 si 5 se face prin intermediul sistemului de role 2 si 4. Presiunea rolelor pe tija centrala 3 si pe barele laterale 1 si 5 este controlata prin intermediul resorturilor 6 si 7.