Уся справа у контакті
Дуже часто сферу електромонтажу та електротехніки називають наукою про контакти. Це твердження дійсно ємко та лаконічно відображає усю сутність роботи з електрикою. Як відомо, будь-який ланцюг э сильним настільки, наскільки сильною є найслабша з його ланок. А електричний контакт на тлі цілісних елементів силових установок виглядає найбільш вразливим та ненадійним. З цієї ж причини контактним з'єднанням завжди приділяють найпильнішу увагу при складанні схем будь-якої складності. Далі ми поговоримо про те, якими бувають електричні контакти, наскільки кожен з них є ефективним для вирішення конкретних завдань та довговічним з точки зору тривалої експлуатації приладів та пристроїв.
Напевно багато читачів вже неодноразово чули класичний афоризм електриків про те, що у світі електрики існує усього лише два види несправностей – відсутність контакту у тому місці, де він повинен бути, та присутність у тому, де його бути ніяк не повинно. Ця фундаментальна та одночасно проста думка насправді лежить у основі всього – від старого дроту до новітнього смарт-світильника. У нормальних системах завжди прагнуть мінімізувати кількість з'єднань, або виконуючи деталі монолітними, або домагаючись такого конструктивного виконання, щоб площа контакту була максимальною.
Що таке контакт?
Під терміном «контакт» прийнято мати на увазі якусь точку, площу або місце дотику двох або більше провідників, через яку у процесі експлуатації вузла буде протікати електричний струм. З такого визначення неважко зрозуміти декілька речей: по-перше, контакт може по-різному виглядати, по-друге, у області контакту здатні одночасно перебувати більше двох провідників, по-третє, нормальне проходження струму є невід'ємним атрибутом системи, й воно не повинно залежати ані від яких сторонніх умов. Для багатьох людей, не обізнаних на улаштуванні приладів, може виявитися новиною, що місце контакту буває не тільки статичним, коли два елементи э нерухомими й зливаються воєдино, але й, навпаки, рухомим, якщо майданчики постійно переміщаються відносно один одного. При цьому обидва випадки можуть вважатися цілком надійними.
Усе різноманіття контактів складається з півтора десятків типів, серед яких тільки базовий є повністю нерухомим – наприклад, з'єднання двох відрізків кабелю або дроту. Решта припускають рух або одного, або декількох ключових елементів, оснащених контактними поверхнями. На практиці найбільш поширені системи зі контактом, який ковзає або котиться.
Класифікація за формою зони зіткнення виглядає наступним чином:
- точковий контакт – дотик відбувається тільки у одній точці, що зумовлено самою геометрією тіл провідників (таке можливо при торканні двох сфер або сферичної поверхні з площиною);
- лінійний контакт передбачає торкання тіл уздовж однієї лінії (наприклад, ребро багатогранника та плоска грань, декілька окремо увзятих одиничних провідників, накладених один на одного та ін.);
- площинний контакт досягається при множинному торканні декількох провідників (таке спостерігається у якісно виконаній скрутці або паяному з'єднанні, коли припій затікає до усіх проміжків та міцно пов'язує струмопровідні ділянки з декількох боків).
Звичайно, найбільшу надійність забезпечує саме останній спосіб, однак реалізувати його можливо далеко не завжди, та й часто це не раціонально. У різних апаратах саме рухливість з'єднання забезпечує необхідні експлуатаційні якості вузла, й без неї він був би просто марним. Найпростіший приклад такого пристрою – звичайний побутовий вимикач. У ньому реалізується механізм площинного контакту: два невеликі майданчики стикаються між собою при натисканні клавіш – і струм спрямовується до споживача. При відключенні майданчики відсуваються один від одного за допомогою штока й ланцюг розмикається.
У свою чергу, ковзний контакт часто використовується для простоти перемикання положень, якщо їх декілька. Популярний він і як захисний засіб – наприклад, у промисловості важелі ввімкнення верстатів та рубильники часто мають ковзний контакт. Це дозволяє не тільки легко та зручно вмикати агрегати, але й знеструмлювати їх швидким рухом, без особливого зусилля.
Чому «контакт» – це складне поняття?
Під час обговорення електричного контакту не варто обмежуватися одними лише комутаційними апаратами. Окрім вимикачів та скручування дротів, є ще контактори та елементи захисної автоматики, засоби технологічного з'єднання провідників – ковпачки ЗІЗ, різноманітні клеммники та наконечники. У кожному такому виробі на місці контакту протікають фізичні, хімічні та теплові процеси, коректність яких накладає відбиток на надійність системи у цілому.
Проектування вузлових з'єднань – окрема інженерна задача при розробці схем електроживлення. У даному випадку мова йде далеко не про просторове позиціонування розподільних щитів та їхнє фактичне наповнення. Фахівці повинні прорахувати, де буде більш прийнятним певний тип з'єднання з урахуванням специфіки аварійного відключення ділянки, металу провідника та його перетину, способу кріплення до комутаційного обладнання та ін. У одних випадках більш доречними є наконечники, у інших – зварювання або паяння, а у третіх буде досить навіть гвинтового затиску.
Дуже важливо поговорити про те, як наука взагалі дивиться на фізику з'єднання провідників. Для прикладу візьмемо матеріал, форма та властивості якого у нас найбільш явно асоціюються з хорошим контактом – метал та плоскі пластини. Виявляється, якщо покласти дві пластинки одна на іншу, насправді набагато правильніше буде казати не про реальний поверхневий контакт двох площин, а про удаваний. Замість єдиної площі зіткнення між ними буде лише низка точок дотику – через шорсткість поверхні та наявність частинок пилу ідеальний контакт не досягається. Безумовно, можна до нескінченності обробляти пластини – шліфувати та полірувати, але мікроскопічні западини та горбки усе одно збережуться.
Вченим відомо про таку картину, й вони закликають усіх нас вважати достатнім контакт між двома поверхнями, коли площа реального зіткнення становить хоча б 1/3 від площі накладення об'єктів. Цього буде цілком достатньо для нормального проходження струму – не тільки для малопотужної світлодіодної лампочки, але й для роботи силової установки або верстата. У подібних випадках замість набору точок вже розглядається серія площадок, розміри яких задає саме зусилля, що забезпечує притиск однієї пластини до іншої. При такому положенні гравітація виступає сприятливим чинником, якщо пластини лежать, і перешкоджає – якщо вони підвішені або рухомі. Крім того, свій внесок вносить співвідношення між щільністю та еластичністю матеріалу – якщо метал досить м'який, його можна «втиснути» у шорсткості іншої контактної поверхні,а якщо занадто міцний – опір силі тиску виявиться надто великим і не дозволить забезпечити найкраще взаємне прилягання.
Сподіваємося, читачі змогли зрозуміти, як багато чинників насправді впливають на контакт навіть у такій простій системі, як пара плоских пластинок. Якщо масштабувати це знання на усе різноманіття пристроїв захисної автоматики, комутації та електрофурнітури, стає зрозумілим, наскільки складним завданням є якісна передача струму. Дотик у точках та невеликих областях зустрічається абсолютно у будь-якій електричній схемі, навіть якщо ми звикли називати подібний контакт гарним. Саме у зонах такого «сумнівного» дотику й існує особливий вид явищ – перехідний контактний опір. Саме тут зазвичай і розташовується осередок майбутньої електроаварії – витоку, короткого замикання, перегріву та ін.
Поліпшення контакту
На підставі усього вищесказаного чітко викристалізовується ідея того, як можна максимально поліпшити контакт та мінімізувати згубний вплив перехідного опору. Зокрема, необхідно завжди стежити за чистотою струмопровідної поверхні – за необхідності очищати її від забруднень, протирати пил, знімати оксиди. Крім того, важливо враховувати сам матеріал контактів – якими є його пластичність, зручність у роботі, схильність до пасивного окислення. Нарешті, завжди актуальною залишається сила затиску у клемі при складанні з'єднання – чим більшою вона є, тим краще.
У цілому ж, при аналізі проблем електричного контакту усі шляхи так чи інакше призводять до питань протидії окислювальним процесам. Оксидні плівки не є провідниками й перешкоджають проходженню струму там, де не потрібна ізоляція. На сьогоднішній день проведено велику кількість дослідів, які показують, наскільки скоро оксиди осідають на поверхнях дротів. На відкритому повітрі ці процеси йдуть помітно швидше, аніж у приміщеннях або закритих боксах, але й у останніх випадках неправильним буде казати, що через низький темп даним явищем можна знехтувати.
Досить кумедно, що навіть найбільш формальне періодичне обслуговування або ревізія будь-яких електроточок істотно допомагає у боротьбі з окисленням. Уся справа у тому, що контакти, які розбирають, а потім заново збирають або просто підтягують тугіше, зазнають взаємного тертя. Від останнього порушується цілісність оксидних плівок – вони ніби злущуються з поверхні провідника, через що зростає якість торкання, а перехідний контактний опір знижується хоча б на час.
Справедливим є й інше твердження. Експерименти показують, що з метою збільшити надійність будь-якого з'єднання, яке у подальшому буде експлуатуватися на відкритому повітрі, вузол має сенс зібрати у будинку. Хоча зовнішні поверхні провідників усе одно з часом обростуть оксидами, між самими контактами, куди доступ повітря дуже ускладнений, їх буде набагато менше. А при гарній силі стиснення – помістивши провідники до гвинтового затиску або використовуючи опресовування кінців – кількість оксидних плівок і зовсім може бути знижена у 10 разів у порівнянні з відкритими ділянками.
Разом з тим, не потрібно забувати, що наростанню окислів суттєво сприяють високі температури. Якщо у схемі використані провідники невідповідного перетину, уздовж усієї їхньої довжини, а також у місцях приєднання буде відбуватися небажаний нагрів. Регулярний перегрів місць контакту не повинен перевищувати стандартизованих величин, інакше навіть цілком справне та технологічне з'єднання досить швидко заросте оксидною плівкою.
Для особливо важливих з’єднань, де є абсолютно неприпустимим розрив ланцюга або може бути ускладнене регулярне обслуговування, використовують благородні метали. З точки зору співвідношення якість-собівартість оптимальним вибором для безлічі завдань видається срібло. Уся справа у тому, що оксиди цього металу мають електропровідність приблизно того самого порядку, що й саме срібло, а тому такі контакти можна вважати якщо не вічними, то хоча б дуже довгостроковими. Звичайно, у чистому вигляді матеріал не використовують й кабелі промислового призначення з нього не роблять, проте ним покривають інші метали, щоб запобігти процесам окислення.
У інших випадках – перш за все, для побуту, де електрофурнітура легко піддається обслуговуванню, майстри вчиняють інакше. Вони рекомендують будь-які відповідальні з'єднання лудити та пропоювати. Але навіть без пайки ефект буде позитивним: хоча відомо, що у лудженої поверхні є свій власний, до того ж чималий, перехідний опір, з плином часу він хоча б не змінюється, а тому забезпечує стабільність функціонування системи.
Звісно, найкраще було б спробувати повністю виключити настільки проблемний елемент, як контакт, з усіх систем. Але це, на жаль, абсолютно неможливо: на принципі розмикання працюють автоматичні вимикачі, ПЗВ та диференційні автомати, різні датчики та реле. Тому єдине, що сьогодні можуть зробити інженери – це забезпечити максимальну площу торкання провідників та домогтися зниження перехідних контактних з'єднань.
