Tiếp điểm điện doc

Chơng II:Tiếp điểm điện II.1.Đại cơng về tiếp xúc điện II.1.1.Khái niệm Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi là tiếp xúc điện. Bề mặt tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiếp xúc điện. Tiếp xúc điện chia làm 3 dạng chính. - Tiếp xúc cố định là hai vật dẫn tiếp xúc liên kết chặt cứng bằng bu lông đinh tán - Tiếp xúc đóng mở là tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật khác (nh các tiếp điểm trong các thiết bị đóng cắt) - Tiếp xúc trợt là vật dẫn điện này có thể trợt trên bề mặt của vật dẫn kia (ví dụ nh chổi than trợt trên vành góp máy điện ) Tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trợt đều có hai phần: phần động (gọi là tiếp điểm động) và phần tĩnh (gọi là tiếp điểm tĩnh). Ba dạng tiếp xúc trên đều có thể tiến hành tiếp xúc dới ba hình thức. - Tiếp xúc điểm: là hai vật dẫn tiếp xúc với nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích với đờng kính rất nhỏ (nh tiếp xúc hai hình cầu với nhau hình cầu với mặt phẳng, hình nón với mặt phẳng - Tiếp xúc đờng: là hai vật dẫn tiếp xúc với nhau theo một đờng thẳng hoặc trên bề mặt rất hẹp nh tiếp xúc hình trụ với mặt phẳng hình trụ với trục) - Tiếp xúc mặt: là hai vật dẫn điện tiếp xúc với nhau trên bề mặt rộng (ví dụ tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng) Tiếp xúc điện là một phần rất quan trọng của khí cụ điện. Trong thời gian hoạt động đóng mở, chỗ tiếp xúc dễ phát nóng cao mài mòn lớn do va đập và ma sát đặc biệt sự hoạt động có tính chất huỷ hoại của hồ quang. Vì vậy tiếp xúc điện phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Thực hiện tiếp xúc chắc chắn, đảm bảo - Sức bền cơ khí cao - Không phát nóng quá giá trị cho phép đối với dòng điện định mức - ổn định nhiệt và điện động khi có dòng ngắn mạch cực đại đi qua - Chịu đợc tác dụng của môi trờng xung quanh ở nhiệt độ cao, ít bị ôxy hoá. II.1.2.Bề mặt tiếp xúc và điện trở tiếp xúc Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau hình II-1, ta có diện tích bề mặt tiếp xúc: S bk = a.l (II-1) 18 Nhng trên thực tế diện tích bề mặt tiếp xúc thực nhỏ hơn rất nhiều (a.l) vì giữa 2 bề mặt tiếp xúc dù gia công thế nào thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho tiếp xúc hai vật dẫn với nhau thì chỉ có một số điểm tiếp giáp tiếp xúc. Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn rất nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến S bk = a.l . Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm, lực ép càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn. Diện tích tiếp xúc thực ở một điểm(nh mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng) xác định bởi: S = d F (II-2) trong đó: F lực ép vào tiếp điểm, [KG]; d - ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm, [KG/cm 2 ]. Bảng II-1: ứng suất chống dập nát của một số kim loại thông dụng Bảng II-1 Kim loại ứng suất d [N/cm 2 ] Kim loại ứng suất d [N/cm 2 ] Bạc 30.400 Đồng cứng (hợp kim) 51.000 Đồng mềm 38.200 Nhôm 88.300 Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so vơi biểu thức (II-2). Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua nhng tiếp điểm tiếp xúc, nh vậy dòng điện ở các chỗ tiếp xúc đó sẽ bị thắt lại, dẫn tới điện trở ở những chỗ tiếp xúc này tăng lên. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm bất kì tính theo công thức: [ ] = m tx F K R (II-3) 19 (2) (1) a (1) (2) l a Hình II-1: Tiếp xúc của 2 vật dẫn K- Hệ số phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm (tra bảng II-2) [ N. ]; M- hệ số phụ thuộc số tiếp điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với: + Tiếp xúc mặt m = 1 + Tiếp xúc đờng m = 0,7 +Tiếp xúc điểm m = 0,5. Ngoài công thức ( II-3), điện trở tiếp xúc của tiếp điểm còn đợc tính theo công thức sau: R tx = d nF . 2 (II- 4) Bảng II-2:Tra trị số k trong công thức (II-3). Bảng II-2 Kim loại tiếp xúc Trị số k [ N. ] Kim loại tiếp xúc Trị số k [ N. ] Đồng - đồng (0,08 đến 0,14).10 -2 Sắt - Đồng 3,1.10 -2 Bạc bạc 0,06. 10 -2 Nhôm-Đồng 0,38. 10 -2 Nhôm - Nhôm 0,127.10 -2 trong đó: - Điện trở xuất của vật dẫn ( .cm ). n - Số điểm tiếp xúc. F- Lực nén ( KG). Vì vậy rõ ràng điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hởng đến chất lợng của thiết bị điện, điện trở tiếp xúc lớn làm cho tiếp điểm phát nóng. Nếu phát nóng quá mức cho phép thì tiếp điểm sẽ bị nóng chảy thậm chí bị hàn dính. Vì vậy điện trở tiếp xúc của tiếp điểm càng nhỏ càng tốt nhng do thực tế có nhiều yếu tố ảnh hởng đến R tx nên không thể giảm nhỏ nh mong muốn đợc. II.1.3.Các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc Điện trở tiếp xúc bị ảnh hởng của nhiều yếu tố với mức độ khác nhau ta xét ở đây 1 số yếu tố chủ yếu sau: II.1.3.1.Vật liệu làm tiếp điểm Từ (II- 4) ta thấy ứng suất chống dập nát d bé thì R tx bé vì vậy đứng về mặt yêu cầu có điện trở tiếp xúc bé nên dùng các vật liệu mềm để làm tiếp điểm. Nhng thực tế cần phải kết hợp các yếu tố khác (nh độ bền cơ) nên vật liệu thờng là đồng, đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiếc. II.1.3.2.Lực ép lên tiếp điểm Cũng từ công thức (II-3) và (II-4) ta thấy lực F càng lớn thì R tx càng nhỏ quan hệ giữa R tx và lực F lên tiếp điểm nh trên đồ thị hình II-2. Từ đờng cong trên đồ thị ta thấy khi F càng tăng thì R tx càng giảm và ngợc lại. II.1.3.3.Hình dạng tiếp điểm 20 Hình dạng của tiếp điểm cũng ảnh hởng đến, R tx . Cùng một lực nhng kiểu tiếp xúc khác nhau thì R tx cũng khác nhau. Từ các công thức trên ta thấy R tx của tiếp xúc mặt là nhỏ nhất vì có hệ số m lớn nhất. II.1.3.5. Tình trạng bề mặt tiếp xúc Bề mặt tiếp xúc khi bị bẩn hoặc khi bị ôxy hoá có R Tx lớn hơn nhiều R Tx của tiếp điểm sạch vì phần lớn ôxít của kim loại dẫn điện kém hơn nhiều kim loại nguyên chất. II.1.3.6.Mật độ dòng điện Diện tích tiếp xúc đợc xác định tuỳ theo mật độ dòng điện cho phép. Theo kinh nghiệm đối với thanh dẫn bằng đồng chỗ tiếp xúc nhau khi nguồn ở tần số 50 Hz thì mật độ dòng cho phép là: J CP = S I = [ 0,31- 1,05.10 -4 (I- 200) ] A/mm 2 (II-6) trong đó: I- là giá trị dòng hiệu dụng, S = S bk - diện tích tiếp xúc biểu kiến. Biểu thức (II-5) chỉ đúng khi dòng điện biến thiên trong khoảng từ 200A đến 2000A nếu ngoài số đó thì có thể lấy: I < 200A lấy J CP = 0,31A/mm 2 I > 2000A lấy J CP = 0,12A/mm 2 Khi vật dẫn tiếp xúc không phải là đồng thì mật độ dòng cho phép đối với vật liệu có thể lấy theo công thức sau: J CPvật liệu = J CPđồng . vl dtx R R )( )( (II-7) 21 Hình II-2: Điện trở tiếp xúc khi lực nén tăng [ ] NF [ ] R II.1.3.4.Nhiệt độ tiếp điểm Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi sẽ làm R tx thay đổi kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 200 0 có thể tính ra R tx qua công thức: R Tx ( ) = R Tx (0)(1+ [ ] ) 3 2 ; (II-5) trong đó: R tx (0) - điện trở tiếp xúc ở 0 0 c; - hệ số nhiệt điện trở [1/ 0 C]; - nhiệt độ của tiếp điểm [ 0 C]. II.2.Tiếp điểm thiết bị điện. Tiếp điểm của thiết bị điện dùng để nối giữa các vật dẫn điện lại với nhau và đảm bảo lực tiếp xúc đủ lớn để giảm điện trở tiếp xúc. II.2.1.Phân loại tiếp điểm Theo nhiệm vụ tiếp điểm đợc phân thành hai nhóm: II.2.1.1.Tiếp điểm ghép nối tĩnh Chỉ dùng để nối liền mạch giữa các khâu của mạch điện, nghĩa là đảm sự thông suốt của dòng điện chảy từ khâu này đến khâu kia. Yêu cầu cơ bản của tiếp điểm ghép nối tĩnh là đảm bảo tin cậy trong suốt quá trình vận hành khi làm việc bình thờng lẫn khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Độ tin cậy của tiếp điểm ghép nối tĩnh có thể đảm đợc nếu ổn định đợc điện trở tiếp xúc giữa các đầu nối và chống đợc tác động lý hoá của môi trờng, lực điện động và các lực cơ giới khác gây ra. II.2.1.2.Tiếp điểm chuyển mạch Dùng để đóng ngắt và chuyển đổi mạch điện khi làm việc, luôn luôn chịu tác động của dòng điện và hồ quang, đặc biệt là trong các thiết bị điện có công suất lớn. Theo nhiệm vụ tiếp điểm chuyển mạch gồm tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ mắc song song để dập hồ quang. Trong quá trình đóng cắt mạch, hồ quang chỉ xuất hiện trên tiếp điểm phụ do nó đóng trớc và cắt sau. Nh vậy tiếp điểm chính đợc bảo vệ khỏi chịu tác động của hồ quang và dùng để truyền dẫn tin cậy dòng làm việc và sự cố khi ở trạng thái kín. Tiếp điểm chuyển mạch bao gồm: - Tiếp điểm hình ngón: Dùng trong công tắc tơ, tiếp điểm động vừa trợt và lăn trên tiếp điểm tĩnh do vậy có thể làm bóc lớp ô xít trên bề mặt tiếp xúc. - Tiếp điểm bắc cầu: Dùng trong rơ le và công tắc tơ - Tiếp điểm đối diện: Dùng ở máy ngắt điện áp cao - Tiếp điểm hoa huệ: Gồm một cánh hình thang giống cánh hoa huệ hay chữ z, tiếp điểm động là một thanh dẫn tròn. - Tiếp điểm vuốt má: Tiếp điểm động kiểu sống dao có thể trợt giữa hai vuốt tròn (làm tiếp điểm tĩnh) lò xo và dây đợc nối chặt với vuốt. - Tiếp điểm chổi: Tiếp điểm động hình chổi gồm những lá đồng mỏng 0,1ữ 0,2 mm xếp lại trợt lên sống dao tiếp điểm tĩnh. Để tăng lực ép trên tiếp điểm hình chổi thì thờng có thêm bản đàn hồi. Loại này khi chổi bị cháy sẽ làm điện trở tăng nhanh do đó ít dùng làm điện trở hồ quang. - Tiếp điểm cắm: Thờng dùng ở cầu dao, cầu chì, dao cách ly v.v Hình dạng của một số tiếp xúc đóng mở vẽ trên hình II-3. 22 Hình II-3: Một số các loại tiếp điểm chuyển mạch. a-Tiếp điểm ngón; b-Tiếp điểm bắc cầu; c- Tiếp điểm đối diện; d-Tiếp điểm thuỷ ngân. a) b) c) + + + + + + + + + + d) e) II.2.2.Các yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm. Để thoả mãn tất cả các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải có đợc những yêu cầu cơ bản sau: - Có độ dẫn điện cao (giảm R tx và chính điện trở của tiếp điểm). - Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc). - Không bị ôxi hoá (giảm R tx tăng độ ổn định của tiếp điểm). - Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm). - Có độ bền cơ khí cao (giảm độ mài mòn cơ khí, giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ tiếp điểm). - Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc) - Dễ gia công khi chế tạo, giá thành rẻ. Thực tế ít vật liệu nào đáp ứng đợc đầy đủ các yêu cầu trên. Trong thiết kế sử dụng tuỳ từng điều kiện cụ thể mà coi trọng nhiều đến yêu cầu này hay yêu cầu khác. Những vật liệu thờng dùng gồm: Đồng kỹ thuật điện, đồng cađimi, bạc, đồng thau, các hợp kim đồng khác, thép vonfram và hợp kim vonfram, vàng platin, than và graphit, hợp kim gốm. 23 Đối với vật liệu đồng, thép đợc dùng rộng rãi để làm các tiếp điểm cố định. Đồng có điện trở suất bé và có đủ sức bền cơ khí, đợc dùng trong mạch có dòng điện lớn.Thép chỉ dùng ở điện áp cao và công suất bé, về sức bền cơ khí thì lớn hơn đồng, song điện trở suất lại lớn hơn và đặc biệt là phát sinh tổn thất lớn đối với dòng xoay chiều. Đối với tiếp xúc đóng mở mạch điện có dòng điện bé, tiếp điểm thờng làm bằng bạc, đồng, platin, vonfram, môlipđen, niken, và hữu hạn mới dùng vàng. Bạc có tính dẫn điện và truyền nhiệt tốt và lớp ôxy hoá của nó dẫn điện Platin (bạch kim) không có lớp ôxít, điện trở tiếp xúc bé; Vonfram có nhiệt độ nóng chảy cao và chống mài mòn tất đồng thời có độ cứng lớn. Trờng hợp dòng điện vừa và lớn thờng dùng đồng, đồng thau và những kim loại hoặc hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao. Khi có dòng điện lớn dùng hợp kim gốm có độ mài mòn bé, độ cứng lớn song có nhợc điểm là tính dẫn điện giảm, do đó để tạo khả năng dẫn điện, ngời ta chế tạo thành những tấm mỏng dán hoặc hàn vào bề mặt tiếp xúc. Hợp kim th- ờng dùng: bạc- vonfram, bạc- môlipđen, bạc-niken, đồng- vonfram, đồng- môlipđen. II.2.3. Nguyên nhân h hỏng tiếp xúc ở tiếp điểm và biện pháp khắc phục. II.2.3.1.Nguyên nhân h hỏng Nguyên nhân h hỏng tiếp xúc có rất nhiều, ta xét một số nguyên nhân chính sau: a)ăn mòn kim loại Trong thực tế chế tạo dù gia công thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm vẫn còn những lỗ nhỏ li ti. Trong vận hành hơi nớc và các chất có hoạt tính hoá học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hoá học tạo ra 1 lớp màng mỏng rất giòn. Khi va chạm trong quá trình đóng lớp màng này dễ bong ra. Do đó bề mặt tiếp xúc sẽ bị mài mòn dần, hiện tợng này gọi là hiện tợng ăn mòn kim loại. b)ôxy hoá Môi trờng xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị ôxy hoá tạo thành lớp ôxít mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của lớp ôxít rất lớn nên làm tăng R tx dẫn đến gây phát nóng tiếp điểm. Mức độ gia tăng R tx do bề mặt tiếp xúc bị ôxy hó còn tuỳ nhiệt độ: ở 20 ữ 30 0 C có lớp ôxít dày khoảng 25.10 -6 . Theo thí nghiệm tiếp điểm đồng để ngoài trời sau 1 tháng R tx tăng lên khoảng 10%. ở nhiệt độ lớn hơn 70 0 C sự ôxy hoá tăng rất nhanh. Theo thí nghiệm ở 100 0 C sau chỉ 1 giờ R tx của tiếp điểm đồng tăng khoảng 50 lần. Ngoài ra việc luân phiên bị đốt nóng và làm nguội cũng tăng quá trình ôxy hoá. c)Điện thế hoá học của vật liệu làm tiếp điểm 24 Mỗi kim loại có 1 điện thế hoá học nhất định. Hai kim loại có điện thế hoá học khác nhau khi tiếp xúc sẽ tạo lên một cặp hiệu điện thế hoá học, giữa chúng có 1 hiệu điện thế. Nếu bề mặt tiếp xúc có nớc xâm nhập sẽ có dòng điện chạy qua và kim loại có điện thế hoá học âm sẽ bị ăn mòn trớc làm nhanh hỏng tiếp điểm. d)H hỏng do điện Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không đợc bảo quản tốt lò xo tiếp điểm bị rỉ yếu đi sẽ không đủ lực ép vào tiếp điểm. Khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy, thậm chí hàn gắn vào nhau. Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu có thể phát sinh tia lửa làm cháy tiếp điểm. Ngoài ra, tiếp điểm bị bẩn rỉ sẽ tăng điện trở tiếp xúc gây phát nóng dẫn đến hao mòn nhanh tiếp điểm. II.2.3.2.Các biện pháp khắc phục Để bảo vệ tiếp điểm khỏi bị rỉ và để làm giảm nhỏ điện trở tiếp xúc có thể thực hiện các biện pháp sau: - Đối với những tiếp xúc cố định nên bôi 1 lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm. - Khi thiết kế ta nên chọn những vật liệu có điện thế hoá học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp. - Nên sử dụng các vật liệu không bị ôxy hoá làm tiếp điểm. - Mạ điện các tiếp điểm. Với tiếp điểm đồng, đồng thau thờng đợc mạ thiếc, mạ bạc, mạ kẽm còn tiếp điểm thép thờng mạ canidi, niken, kẽm. - Thay lò xo tiếp điểm: Những lò xo đã rỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ tăng điện trở tiếp xúc, cần lau sạch tiếp điểm bằng vải mềm và thay thế lò xo nén khi lực nén còn quá yếu. - Kiểm tra sửa chữa cải tiến: cải tiến thiết bị dập hồ quang để rút ngắn thời gian dập hồ quang nếu điều kiện cho phép. Câu hỏi ôn tập Chơng II 1- Thế nào là tiếp xúc điện? Có mấy dạng tiếp xúc điện và các hình thức tiếp xúc? 2- điện trở tiếp xúc là gì? Cách xác định điện trở tiếp xúc và các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc nh thế nào? 25 3- Tiếp điểm đợc phân loại nh thế nào? Vật liệu làm tiếp điểm cần phải thoả mãn những yêu cầu nào? tại sao? Những nguyên nhân nào gây ra h hỏng tiếp xúc của tiếp điểm và biện pháp khắc phục nh thế nào? 26 . R tx (0) - điện trở tiếp xúc ở 0 0 c; - hệ số nhiệt điện trở [1/ 0 C]; - nhiệt độ của tiếp điểm [ 0 C]. II.2 .Tiếp điểm thiết bị điện. Tiếp điểm của thiết bị điện dùng để nối giữa các vật dẫn điện. .cm ). n - Số điểm tiếp xúc. F- Lực nén ( KG). Vì vậy rõ ràng điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hởng đến chất lợng của thiết bị điện, điện trở tiếp xúc lớn làm cho tiếp điểm phát nóng Chơng II :Tiếp điểm điện II.1.Đại cơng về tiếp xúc điện II.1.1.Khái niệm Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi là tiếp xúc điện. Bề mặt tiếp