Giáo trình Khí cụ điện hạ áp - Chương 2: Tiếp xúc điện - Trần Đình Cương

 Tiếp xúc cố định : là loại tiếp xúc khơng tháo lắp giữa 2 vật dẫn, được liên kết bằng bulơng, đinh vit, đinh rivê,...  Tiếp xúc đĩng mở : là tiếp xúc mà cĩ thể làm cho dịng điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật khác (như các tiếp điểm trong thiết bị đĩng cắt).  Tiếp xúc trượt : là vật dẫn điện này cĩ thể trượt trên bề mặt của vật dẫn điện kia (ví dụ như chổi than trượt trên vành gĩp máy điện). 3Khí cụ điện hạ áp: 401030 PHÂN LOẠI TIẾP XƯC ĐIỆN Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau :  Tiếp xúc điểm: là hai vật tiếp xúc với nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích với đường kính rất nhỏ (như tiếp xúc hai hình cầu với nhau, hình cầu với mặt phẳng, hình nĩn với mặt phẳng,...)  Tiếp xúc đường: là hai vật dẫn tiếp xúc với nhau theo một đường thẳng hoặc trên bề mặt rất hẹp (như tiếp xúc hình trụ với mặt phẳng, hình trụ với trụ,...)  Tiếp xúc mặt: là hai vật dẫn điện tx với nhau trên bề mặt rộng(vd:tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng,...). 4Khí cụ điện hạ áp: 401030 CÁC YÊU VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Các yêu cầu đối với tiếp xúc điện tùy thuộc ở cơng dụng, điều kiện làm việc, tuổi thọ yêu cầu của thiết bị và các yếu tố khác. Một yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới độ tin cậy làm việc và nhiệt độ phát nĩng của tiếp xúc điện là điện trở tiếp xúc Rtx. 5Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐIỆN TRỞ TIẾP XÚC 6Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ cĩ diện tích bề mặt tiếp xúc : Sbk= a . l. 1 2 2 1 a l 7Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Nhưng trên thực tế diện tích bề mặt tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều a.l vì giữa hai bề mặt tiếp xúc dù gia cơng thế nào thì vẫn cĩ độ nhấp nhơ, khi cho tiếp xúc hai vật với nhau thì chỉ cĩ một số điểm trên tiếp giáp tiếp xúc. Do đĩ diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến Sbk= a.l. 8Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Diện tích tiếp xúc cịn 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(như mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng) xác định bởi: Trong đĩ: F là lực ép vào tiếp điểm [kg] hoặc [N] d là ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm [kg/cm2]. Hoặc [N/cm2]  1.2 d F S   9Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (2.1). Dịng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua những điểm tiếp xúc, như vậy dịng điện ở các chỗ tiếp xúc đĩ sẽ bị thắt hẹp lại, dẫn tới điện trở ở những chỗ này tăng lên. 10Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo cơng thức: K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm ( theo bảng tra). m: hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với :  Tiếp xúc mặt m = 1  Tiếp xúc đường m = 0,7 ( 0,5-0,8 )  Tiếp xúc điểm m = 0,5  2.2 mtx F K R  11Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Ngồi cơng thức (2.2) là cơng thức kinh nghiệm, người ta cịn dùng phương pháp giải tích để dẫn giải rút ra cơng thức tính điện trở tiếp xúc điểm: Trong đĩ :  : điện trở suất của vật dẫn [.cm]. n: số điểm tiếp xúc. F: lực nén [kg].  3.2 . .   d tx nF R  12Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XƯC ĐIỆN Do vậy rõ ràng điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hưởng đến chất lượng của thiết bị điện, điện trở tiếp xúc lớn làm cho tiếp điểm phát nĩng. Nếu phát nĩng quá mức cho phép thì tiếp điểm sẽ bị nĩng chảy, thậm chí bị hàn dính. Trong các tiếp điểm thiết bị điện mong muốn điện trở tiếp xúc cĩ giá trị càng nhỏ càng tốt, nhưng do thực tế cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Rtx nên khơng thể giảm Rtx cực nhỏ được như mong muốn. 13Khí cụ điện hạ áp: 401030 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐIỆN TRỞ TIẾP XƯC  Vật liệu làm tiếp điểm  Lực ép tiếp điểm  Hình dạng của tiếp điểm  Nhiệt độ của tiếp điểm  Tình trạng bề mặt tiếp xúc  Mật độ dịng điện 14Khí cụ điện hạ áp: 401030 Các chế độ làm việc của tiếp điểm  Chế độ đĩng  Chế độ cắt  Quá độ đĩng  Quá độ cắt 15Khí cụ điện hạ áp: 401030 TIẾP ĐIỂM THIẾT BỊ ĐIỆN 16Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải cĩ được những yêu cầu cơ bản sau:  Cĩ độ dẫn điện cao (giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm).  Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nĩng cục bộ của những điểm tiếp xúc).  Khơng bị oxy hĩa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm). 17Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM  Cĩ độ kết tinh và nĩng chảy cao (giảm độ mài mịn về điện và giảm sự nĩng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm).  Cĩ độ bền cơ cao (giảm độ mài mịn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm).  Cĩ đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc).  Dễ gia cơng khi chế tạo và giá thành rẻ.  Thực tế ít vật liệu nào đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên.  Trong thiết kế sử dụng tùy từng điều kiện cụ thể mà trọng nhiều đến yêu cầu này hay yêu cầu khác. 18Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Đồng ki thuật điện: đồng nguyên chất thu được bằng điện phân. Nĩ đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên. Nhược điểm chính của đồng ki thuật điện là rất dễ bị oxit hĩa. Đồng cađimi: đồng ki thuật điện pha thêm cađimi cĩ tính chất cơ cao chống mài mịn tốt, khả năng chịu được hồ quang tốt hơn đồng ki thuật điện thơng thường. 19Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Bạc: là vật liệu làm tiếp điểm rất tốt do cĩ độ dẫn điện cao và cĩ điện trở tiếp xúc ổn định. Nhược điểm chủ yếu là chịu hồ quang kém nên sử dụng bị hạn chế. Đồng thau: hợp kim đồng với kẽm được sử dụng làm tiếp điểm dập hồ quang Các hợp kim đồng khác: hợp kim đồng với nhơm, đồng với mangan, đồng với niken, đồng với silic và các hợp kim đồng khác được sử dụng làm tiếp điểm, đồng thời làm lị xo ép (ví dụ tiếp điểm tĩnh của cầu chì). Những tiếp điểm như vậy khi bị đốt nĩng dễ bị mất tính đàn hồi. 20Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Thép cĩ điện trở suất lớn: thép thường bị oxy hĩa cao nhưng là vật liệu rẻ nên vẫn được sử dụng làm tiếp xúc cố định để dẫn dịng điện lớn, trong các thiết bị thép thường được mạ. Nhơm: cĩ độ dẫn điện cao, rẻ nhưng rất dễ bị oxy hĩa làm tăng điện trở suất. Nhược điểm nữa là hàn nhơm rất phức tạp, độ bền cơ lại kém. 21Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Vonfram và hợp kim vonfram: cĩ độ mài mịn về điện tốt và chịu được hồ quang tốt nhưng cĩ điện trở tiếp xúc rất lớn. Hợp kim vonfram với vàng sử dụng cho tiếp điểm cĩ dịng nhỏ. Hợp kim với molipđen dùng làm tiếp điểm cho những thiết bị điện thường xuyên đĩng mở, khi dịng điện lớn thì vonfram và hợp kim vonfram sử dụng để làm tiếp điểm dập hồ quang. 22Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Vàng và platin: khơng bị oxy hĩa do đĩ cĩ điện trở tiếp xúc nhỏ và ổn định, được sử dụng làm tiếp điểm trong thiết bị điện hạ áp cĩ dịng điện bé và quan trọng. Vàng nguyên chất và platin nguyên chất cĩ độ bền cơ thấp nên thường được sử dụng dạng hợp kim với mơlipđen hoặc với iriđi để tăng độ bền cơ. Than và graphit: cĩ điện trở tiếp xúc và điện trở suất lớn nhưng chịu được hồ quang rất tốt. Thường dùng làm các tiếp điểm mà khi làm việc phải chịu tia lửa điện, đơi khi làm tiếp điểm dập hồ quamg. 23Khí cụ điện hạ áp: 401030 VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM Hợp kim gốm: hỗn hợp về mặt cơ học của hai vật liệu khơng nấu chảy mà thu được bằng phương pháp thiêu kết hỗn hợp bột hoặc bằng cách tẩm vật liệu này lên vật liệu kia. Thường vật liệu thứ nhất cĩ tính chất kỹ thuật điện tốt, điện trở suất và điện trở tiếp xúc nhỏ, ít bị oxy hĩa.Vật liệu thứ hai cĩ tính chất cơ cao và chịu được hồ quang. Như vậy, chất lượng kim loại gốm là do tính chất của hỗn hợp quyết định. 24Khí cụ điện hạ áp: 401030 MỘT SỐ KẾT CẤU TIẾP ĐIỂM THƯỜNG DÙNG 25Khí cụ điện hạ áp: 401030 Các dạng tiếp xúc 1. Tiếp xúc cố định 2. Tiếp xúc đĩng cắt 3. Tiếp xúc trượt 26Khí cụ điện hạ áp: 401030 TIẾP ĐIỂM KIỂU CẦU 27Khí cụ điện hạ áp: 401030 TIẾP ĐIỂM KIỂU NGĨN 28Khí cụ điện hạ áp: 401030 TIẾP ĐIỂM KIỂU DAO 29Khí cụ điện hạ áp: 401030 TIẾP ĐIỂM KIỂU NÊM 30Khí cụ điện hạ áp: 401030 TIẾP ĐIỂM KIỂU ĐỐI 31Khí cụ điện hạ áp: 401030 NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG 32Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĂN MÕN KIM LOẠI Trong thực tế chế tạo dù gia cơng thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm vẫn cịn những lỗ nhỏ li ti. Trong vận hành hơi nước và các chất cĩ hoạt tính hĩa học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đĩ sẽ gây ra các phản ứng hĩa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giịn. Khi va chạm trong quá trình đĩng lớp màng này dễ bị bong ra. Do đĩ bề mặt tiếp xúc sẽ bị mịn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mịn kim loại. 33Khí cụ điện hạ áp: 401030 OXY HĨA Mơi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hĩa tạo thành lớp oxit mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của lớp oxit rất lớn nên làm tăng Rtx dẫn đến gây phát nĩng tiếp điểm. Mức độ gia tăng Rtx do bề mặt tiếp xúc bị oxy hĩa cịn tùy nhiệt độ. Ở 20-30oC cĩ lớp oxít dày khoảng 25.10-6mm. 34Khí cụ điện hạ áp: 401030 ĐIỆN THẾ HĨA KIM LOẠI Mỗi chất cĩ một điện thế hĩa học nhất định. Lấy H làm gốc cĩ điện thế âm (-) thì ta cĩ bảng một số kim loại cĩ điện thế hĩa học như bảng sau: Hai kim loại cĩ điện thế hĩa học khác nhau khi tiếp xúc sẽ tạo nên một cặp hiệu điện thế hĩa học, giữa chúng cĩ một hiệu điện thế. Nếu bề mặt tiếp xúc cĩ nước xâm nhập sẽ cĩ dịng điện chạy qua, và kim loại cĩ điện thế học âm hơn sẽ bị ăn mịn trước làm nhanh hỏng tiếp điểm. 35Khí cụ điện hạ áp: 401030 HƯ HỎNG DO ĐIỆN Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc khơng được bảo quản tốt lị xo tiếp điểm bị hoen rỉ yếu đi sẽ khơng đủ lực ép vào tiếp điểm. Khi cĩ dịng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nĩng gây nĩng chảy, thậm chí hàn dính vào nhau. Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu cĩ thể phát sinh tia lửa làm cháy tiếp điểm. Ngồi ra, tiếp điểm bị bẩn, rỉ sẽ tăng điện trở tiếp xúc, gây phát nĩng dẫn đến hao mịn nhanh tiếp điểm. 36Khí cụ điện hạ áp: 401030 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Đối với những tiếp xúc cố định : nên bơi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm. Khi thiết kế ta nên chọn những vật liệu : cĩ điện thế hĩa học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp. Nên sử dụng các vật liệu khơng bị oxy hĩa làm tiếp điểm. Mạ điện các tiếp điểm: với tiếp điểm đồng, đồng thau thường được mạ thiếc, mạ bạc, mạ kẽm cịn tiếp điểm thép thường được mạ cađini, kẽm,... 37Khí cụ điện hạ áp: 401030 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Thay lị xo tiếp điểm: những lị xo đã rỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ làm tăng điện trở tiếp xúc, cần lau sạch tiếp điểm bằng vải mềm và thay thế lị xo nén khi lực nén cịn 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. 38Khí cụ điện hạ áp: 401030 Câu hỏi - Bài tập  BT1. Cho cặp tiếp điểm, được ép bằng một lực F = 3 N, bằng đồng tiếp xúc với nhau theo dạng tiếp xúc điểm. Tính điện trở tiếp xúc ?  CH1: Tại sao nĩi tiếp xúc điện quan trọng ? Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc ? 39Khí cụ điện hạ áp: 401030