О переходном контактном сопротивлении

Общеизвестно, что наиболее надёжная электрическая цепь – это цепь с минимальным числом разрывов и соединений. Любой дополнительный узел контакта снижает общую надёжность всего контура. Проявляется это обычно как нагрев проводников в местах присоединения, а в основе такого явления лежит переходное электрическое сопротивление. Сегодня мы поговорим о том, что это такое, почему от него невозможно полностью избавиться и как минимизировать губительный эффект.

Во множестве постоянных споров между электриками на тему того, какой способ коммутации проводов лучше, есть одно неоспоримое положение – все хотят добиться наименьшего переходного сопротивления и сохранить этот эффект на максимально возможный срок. Актуальность данной проблемы трудно переоценить – контактные соединения являются неотъемлемыми звеньями любых цепей: и осветительных, и розеточных, и питания аппаратов, и просто линиями связи между ближайшей подстанцией и потребителями. При этом переходное контактное сопротивление всегда напрямую связано с уровнем аварийности объекта, а потому его надёжностью и долговечностью службы.

Сущность переходного сопротивления

Для начала необходимо уяснить для себя несколько базовых понятий. К примеру, под электрическим контактом в общем смысле подразумевается состояние непосредственного соприкосновения двух проводников. При этом такими проводниками могут выступать как жилы двух разных проводов или кабелей, так и промежуточные элементы – контактные пластины, прижимные шайбы и т.д. К большому сожалению, совершенно невозможно провести ток от ГЭС по одному цельному проводнику непосредственно к электрическому потребителю. На пути следования электронов будет множество точек разрыва, то есть, узлов, где и появляется контактное сопротивление. По величине оно всегда превышает удельные сопротивления материалов проводников, что и провоцирует повышение температуры в этой точке на определённое количество градусов.

Мы привыкли считать, что для протекания тока будет достаточно даже минимального соприкосновения проводов. Теоретически так и есть, однако на практике при оборудовании электросетей невозможно будет добиться нормального контакта простым наложением жил одного провода на другой. Из-за того, что касание будет происходить в нескольких точках, а не по всей поверхности, электроны в таких местах начнут «проскакивать по воздуху», то есть формировать микроскопическую электрическую дугу, что и провоцирует нагрев. Известно, что улучшить контакт можно устранением неровностей с поверхности провода путём его полировки наждачной бумагой, однако и этому способу далеко до совершенства. То, что наш глаз не видит никаких шероховатостей на контактирующих поверхностях, не означает, что их там действительно нет. При должном увеличении на проводниках можно будет разглядеть целые борозды и возвышения, которые опять-таки обуславливают фрагментарное, точечное взаимодействие вместо полного соприкосновения.

Всё вышеописанное в совокупности похоже на попытки протолкнуть большой объект через горлышко неподходящего размера. В реальной жизни трение одного о стенки другого вызвало бы нагрев – и на уровне частиц, в сущности, происходит похожая картина. Сопротивление «стенок сосуда», то есть, проводника, в точке перехода электронов с одной поверхности на другую и называется переходным контактным сопротивлением. При одинаковой форме и размерах цельная жила и место разрыва будут иметь заметно отличающиеся параметры.

Понять физическую природу данного явления поможет наука. Величина переходного контактного сопротивления определяется по формуле, которая была выведена эмпирическим путём – то есть, в результате практических исследований:

Rп = ε / (0,102 * F ^ m),

где ε – это коэффициент качества контакта (он зависит как от самого металла, так и от степени его предварительной обработки), на который влияет и собственное сопротивление материалов, и их способность к окислению с течением времени, и коэффициент теплопроводности, и даже механическая прочность, а также многие другие свойства;

F – это сила сжатия контактирующих поверхностей между собой (величина актуальна для винтового прижима, для защёлок, для клеммников и наконечников);

m – количественный показатель качества соприкосновения контактных поверхностей (в случае двух плоских пластин равен единице, при отступлении от идеала снижается до 0,5).

Посмотрев на уравнение, нетрудно заметить, что на любое контактное сопротивление не оказывают влияния ни размеры контактирующих проводов или поверхностей, ни начальные условия эксплуатации. В то же время, основным фактором, на который имеет возможность повлиять человек, остаётся сила сжатия. Как мы понимаем, при большем усилии на любой предмет его форма или структура изменяется, а в случае с проводниками можно будет говорить об умеренной пластической деформации. Главным полезным эффектом такого явления окажется то, что все неровности на обеих поверхностях контакта будут нивелированы, а фактическое число точек контакта быстро станет бесконечно большим. Именно поэтому наилучший электрический контакт может быть достигнут только следующими тремя способами.

1. Непосредственное механическое соединение с усилием. Сюда относятся как винтовые соединения в виде нескольких шайб на общей оси винта с гайкой, так и клеммные колодки хорошего качества. Кроме того, этот способ достижим в разных звеньях цепи: между жилой и клеммой используется наконечник, который обжимается пресс-клещами, а между самим наконечником с петлёй на конце и точкой присоединения используется обычный прижимной винт с пластинкой (как на механизмах большинства розеток и выключателей).
2. Упругое соединение с общей контактной пластиной. Данный способ наилучшим образом реализован в профессиональных и специализированных клеммниках – например, в фирменных изделиях WAGO и подобных им с плоско-пружинным зажимом. Суть здесь в том, что промежуточной контактной поверхностью выступает пластинка, к которой каждая из жил, в том числе, многопроволочная, и с любым сечением прилегает максимальным количеством точек.
3. Термические способы с использованием дополнительного токопроводящего компонента (пайка, сварка). В данном случае использование силы для увеличения площади контакта не требуется. При сварке проводники разогреваются, из-за чего их кристаллические решётки теряют прежнюю структуру и формируют новую, становясь как бы цельным проводником. При пайке в микроскопические промежутки между проволочками заходит расплавленный припой, в результате чего два конца становятся почти что монолитом с мизерным переходным сопротивлением.

Безусловно, среди рассмотренных способов по уровню итогового качества лидирует последний, однако на практике он не очень удобен, а порой и сильно затруднён. В то же время, силу сжатия проводников целесообразно увеличивать только до определённого предела. В первые секунды, при совсем слабом контакте, каждый ньютон прилагаемой силы будет полезен и поможет увеличить площадь соприкосновения, а на уже хорошо сдавленном месте дальнейшее воздействие будет практически бесполезно и, возможно, даже вредно для металла самих токопроводящих жил. В итоге, компромиссным решением внезапно оказывается применение клемм быстрого монтажа, хотя у них рейтинг в этой тройке изначально был самым низким.

Одним из самых неприятных аспектов является то, что свойства любого контактного соединения могут изменяться с течением времени под действием самых разных факторов. Переходное сопротивление, максимально близкое к идеальному, существует весьма непродолжительный срок, а в дальнейшем оно начинает увеличиваться из-за влияния окружающей среды, изменения пластических свойств проводника, естественной упругости металла, нагрева и остывания в процессе эксплуатации сети и пр. Стоит отметить, что температура пагубно влияет и при текущей нагрузке на электрический контур. При нагревании жил под действием протекающего тока переходное сопротивление увеличивается и, если контакт при этом уже хотя бы частично ослаблен, постепенно происходит ещё большая деформация проводника под собственным весом. Нередко это становится причиной отгорания проводов в распределительных щитках на лестничных клетках многоэтажек, в результате чего страдают сразу несколько квартир или весь подъезд.

К сожалению, вредные эффекты нагрева на этом не заканчиваются. Повышение температуры в месте соединения проводов оказывает влияние и на процесс окисления поверхностей контакта. Оксидные плёнки ещё больше увеличивают переходное сопротивление, а оно по замкнутому кругу ведёт к дополнительному нагреву и нарастанию окислов. Медные и алюминиевые жилы по-разному восприимчивы к подобным процессам, что во многом и обуславливает их поведение в конкретных условиях.

Так, для меди будет достаточно комнатной температуры в 20-25 °С, чтобы при контакте с окружающим воздухом на ней начала образовываться плёнка. Однако такой окисел не имеет значительной прочности и может быть легко разрушен при механическом воздействии – например, регулярном профилактическом уплотнении контактов на домашней электрофурнитуре путём подтягивания всех винтовых соединений. Наиболее интенсивное образование оксидной плёнки на меди происходит при температурах свыше 70 °С. В случае с алюминием процессы происходят немного иначе. На воздухе контакты из этого металла окисляются быстрее, а получающаяся плёнка выходит гораздо более устойчивой к механическому воздействию и обладает довольно высоким собственным сопротивлением. Наверняка многим стало понятно, что ввиду последнего обстоятельства алюминий гораздо менее предпочтителен для использования в домашней электропроводке.

Известно несколько прямых и косвенных способов уменьшения переходных сопротивлений. К примеру, в промышленных условиях для снижения темпов окисления соединяемые контакты помещают в масло, защищая их таким образом от воздействия окружающего воздуха. В быту, к сожалению, такой подход невозможен, а прямых аналогов ему попросту нет. Зато куда более банальный способ – естественная зачистка проводников от оксидных плёнок. К примеру, конструкция многих контактов такова, что для помещения в них жилы в виде колечка или штырька необходимо приложить небольшое усилие. Эта, касалось бы, лишняя и препятствующая удобной коммутации процедура на самом деле провоцирует дополнительное трение между поверхностями и даёт больше шансов на то, что оксидные плёнки с жилы и стенок самого гнезда будут сняты. Кроме того, как уже понятно из сказанного ранее, необходимость уместить пучок из многопроволочной жилы в сравнительно небольшое отверстие вынуждает немного уплотнить его, приводя к увеличению площади контакта внутри самого провода, а затем – и в узловой точке.

На промышленных предприятиях обычно принято регулярно измерять переходные электрические сопротивления. Делается это либо при помощи специально собранных местными специалистами приборов, которые способны обеспечить минимальную погрешность, либо с использованием фирменных изделий. Для точности показаний в первую очередь необходимо добиться стабильности базовых характеристик: силы тока, его частоты и напряжения в сети. Всю проводку при этом не инспектируют – это долго, дорого с точки зрения простоя предприятия и недостаточно целесообразно в целом. Обычно ограничиваются проверкой самых важных узлов – например, вводного шкафа, модулей защитной автоматики и силовых выключателей в цехах. Надёжность эксплуатации цепи в конечном итоге замыкается всё равно на них, так что гораздо дальновиднее уделять максимальное внимание именно им и следить за тем, чтобы всё было исправно. Затем уже по возможности проверяют контакты на отдельных агрегатах, настраивая параметры сети как можно ближе к номинальным. Обычно производственники совестливо соблюдают всю технологию коммутации проводников, так что переходные сопротивления в таких местах всегда находятся в рамках нормы.