Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (2.1).

Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua những điểm tiếp xúc, như vậy dòng điện ở các chỗ tiếp xúc đó sẽ bị thắt hẹp lại, dẫn tới điện trở ở những chỗ này tăng lên.

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức:

Rtx = KFmKFm size 12{ { {K} over {F rSup { size 8{m} } } } } {} [] ( 2.2)

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

+Tiếp xúc điểm m = 0,5

Bảng 2.2: Tra trị số K trong công thức (2.2)

Ngoài công thức (2.2) là công thức kinh nghiệm, người ta còn dùng phương pháp giải tích để dẫn giải rút ra công thức tính điện trở tiếp xúc điểm:

Hình 2

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 nóng. Nếu phát nóng quá mức cho phép thì tiếp điểm sẽ bị nóng chảy, thậm chí bị hàn dính. Trong các tiếp điểm thiết bị điện mong muốn điện trở tiếp xúc có giá trị càng nhỏ càng tốt, nhưng do thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Rtx nên không thể giảm Rtx cực nhỏ được như mong muốn.

Từ (2.3) ta thấy hệ số chống dập nát dddd size 12{d rSub { size 8{d} } } {} bé thì Rtx bé. Vì vậy đứng về mặt yêu cầu có điện trở tiếp xúc bé nên dùng các vật liệu mềm để làm tiếp điểm. Nhưng thực tế cần phải kết hợp các yếu tố khác(như độ bền cơ) nên vật liệu thường dùng là đồng, đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiếc,...

Hình 3

Cũng từ công thức (2.2) và (2.3) lực F càng lớn thì Rtx càng nhỏ (hình 2-2)

Đường 1 biểu diễn điện trở tiếp xúc giảm theo chiều lực tăng, nếu giảm lực nén lên tiếp điểm điện trở tiếp xúc Rtx thay đổi theo đường 2.

Ta có thể giải thích là vì khi tăng lực nén bề lên mặt tiếp xúc thì không những bề mặt tiếp xúc bị biến dạng đàn hồi mà còn bị phá hủy cục bộ. Khi ta giảm lực ép thì một số điểm tiếp xúc vẫn còn giữ nguyên như khi lực ép lớn tác dụng. Tăng lực ép chỉ có tác dụng giảm Rtx ở giai đoạn đầu điện trở lớn và trung bình. Khi lực ép đủ lớn thì dù có tăng lực ép lên nữa thì điện trở tiếp xúc vẫn không thay đổi.

Hình dạng của tiếp điểm cũng ảnh hưởng đến Rtx. Cùng một lực nhưng kiểu tiếp xúc khác nhau thì Rtx cũng khác nhau. Từ các công thức trên ta thấy Rtx của tiếp xúc mặt nhỏ nhất vì có hệ số m lớn nhất (tra từ công thức 2.2).

Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi sẽ làm Rtx thay đổi theo kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 2000C có thể tính Rtx qua công thức:

R tx(q)tx(q) size 12{ {} rSub { size 8{"tx" \( q \) } } } {} = Rtx (0)(1+ 2323 size 12{ { {2} over {3} } } {}qq size 12{q} {}) [] (2.4)

Trong đó: Rtx(0): điện trở tiếp xúc ở 00C, : hệ số nhiệt điện trở [1/0C].

: Nhiệt độ của tiếp điểm [0C].

Bề mặt tiếp xúc khi bị bẩn hoặc khi bị oxit hóa có Rtx lớn hơn nhiều Rtx của tiếp điểm sạch (do có nhiều điểm không được tiếp xúc trực tiếp bằng vật liệu làm tiếp điểm). Khi bị oxy hóa càng nhiều thì nhiệt độ phát nóng trên bề mặt tiếp xúc càng cao. Tiếp điểm bị oxy hóa có điện trở tiếp xúc tăng hàng chục lần(vì oxit của phần lớn kim loại dẫn điện kém hơn nhiều kim loại nguyên chất).

Diện tích tiếp xúc được xác định tùy theo mật độ dòng điện cho phép. Theo kinh nghiệm đối với thanh dẫn bằng đồng cho tiếp xúc nhau khi nguồn ở tần số 50 Hz thì mật độ dòng điện cho phép là:

Hình 4

Trong đó : I là giá trị dòng hiệu dụng ; S=Sbk diện tích tiếp xúc biểu kiến.

Biểu thức (2.5) trên chỉ đúng khi dòng điện biến thiên trong khoảng từ 200 đến 2000A. Nếu ngoài trị số đó thì có thể lấy:

I < 200 A lấy Jcp = 0,31 [A/ mm2]

I > 2000 A lấy Jcp = 0.12 [A/ mm2].

Khi vật dẫn tiếp xúc không phải là đồng thì mật độ dòng cho phép đối với vật liệu ấy có thể lấy theo công thức sau:

Hình 5

Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải có được những yêu cầu cơ bản sau:

-Có độ dẫn điện cao(giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm).

-Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc).

-Không bị oxy hóa (giảm Rtx để 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 cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm).

-Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc).

-Dễ gia công 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. Những vật liệu thường dùng gồm:

Thường dùng làm các tiếp điểm mà khi làm việc phải chịu tia lửa điện, đôi khi làm tiếp điểm dập hồ quamg.

Chú ý

+Với tiếp xúc cố định thường dùng vật liệu là đồng, nhôm, thép.

+Với tiếp xúc đóng/mở tùy theo dòng dẫn, nếu :

-Dòng điện bé dùng bạc, đồng, platin, vonfram, đôi khi vàng, môlipđen, niken.

-Dòng vừa đến lớn dùng đồng thau, kim loại hoặc hợp kim ít nóng chảy như vonfram, molipđen,...

-Dòng điện lớn thì thường dùng hợp kim gốm (sản phẩm hai kim loại ở dạng bột ép lại ơ ̉áp lực lớn, nhiệt độ cao. Hợp kim gốm rất cứng chịu được dòng lớn, khuyết điểm là độ dẫn điện kém, nên thường được chế tạo dạng tấm mỏng hàn trên bề mặt tiếp điểm của thiết bị).

Tiếp xúc cố định có các dạng

-Nối hai thanh tiết diện chữ nhật.

-Nối hai thanh tiết diện tròn (thanh tròn nối với nhau thường trong các thiết bị̣ điện như máy ngắt điện, máy biến dòng,...).

Loại tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt phân theo dòng điện

-Dòng bé : I size 12{ <= {}} {}{}10 [mA].

-Dòng vừa: I size 12{ <= {}} {} 100 [A].

-Dòng lớn: I > 100 [A].

Thường dùng bạc, platin tán hàn gá vào tiếp điểm, kích thước tiếp điểm do dòng điện cho phép quyết định (theo bảng có trong các sổ tay thiết kế).

Các thiết bị như công tắ́c tơ, áptômát và thiết bị cao áp thường có dòng điện lớn. Thì những tiếp điểm chính mắc song song với tiếp điểm hồ quang khi tiếp điểm ở vị trí đóng dòng điện sẽ qua tiếp điểm chính (tiếp điểm) làm việc, khi mở hoặc bắt đầu đóng tiếp điểm hồ quang sẽ chịu hồ quang. Do đó bảo vệ được tiếp điểm làm việc.

Ta thường thấy tiếp điểm có các dạng như hình 2-3.

+Hình ngón: dùng trong công tắc tơ, tiếp điểm động vừa trượt vừa lăn trên tiếp điểm tĩnh do vậy có thể tự làm bóc lớp oxit trên bề mặt tiếp xúc.

+Tiếp điểm bắc cầu: dùng trong rơle 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 trượt giữa hai vuốt tròn (làm tiếp điểm tĩnh) lò xo và dây được nối chặt với vuốt.

+Tiếp điểm chổi: tiếp điểm động hình chổi gồm những lá đồng mỏng 0,1 ¸¸ size 12{¸} {}0,2 mm xếp lại trượt lên sống dao tiếp điểm tĩnh. Để tăng lực ép trên tiếp điểm hình chổi thì thường có thêm bản đàn hồi. Loại này khi chổi bị cháy sẽ làm điện trở tăng nhanh do đó ít dùng làm tiếp điểm hồ quang.

Hình 2-3:Dạng một số tiếp xúc đóng mở: a) Tiếp điểm ngón, b) Tiếp điểm bắc cầu, c)Tiếp điểm kiểu cắm, d) Tiếp điểm kiểu đối diện, e) Tiếp điểm kiểu lưỡi, h) Tiếp điểm kiểu thủy ngân, g) Tiếp điểm kiểu vuốt má

+Tiếp điểm cắm: thường được dùng ở cầu dao, cầu chì, dao cách li,...áp lực lên tiếp điểm động khoảng P = (0,3 ¸¸ size 12{¸} {} 0.6) kg/cm2.

Nguyên nhân hư hỏng tiếp xúc có rất nhiều, ta xét một số nguyên nhân chính sau:

a.1) 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 nước và các chất có hoạt tính hóa học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giòn. Khi va chạm trong quá trình đóng lớp màng này dễ bị bong ra. Do đó bề mặt tiếp xúc sẽ bị mòn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại.

a.2) Oxy hóa

Môi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa 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 nóng tiếp điểm. Mức độ gia tăng Rtx do bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa còn tùy nhiệt độ. Ở 20-30oC có lớp oxít dày khoảng 25.10-6mm. Theo thí nghiệm tiếp điểm đồng để ngoài trời sau một tháng Rtx tăng lên khoảng 10%. Ở nhiệt độ lớn hơn 700C sự oxit hóa rất nhanh. Theo thí nghiệm ở 1000C sau chỉ một giờ Rtx của tiếp điểm đồng tăng khoảng 50 lần. Ngoài ra việc luân phiên bị đốt nóng và làm nguội cũng tăng quá trình ôxit hóa.

a.3) Điện thế hóa học của vật liệu tiếp điểm

Mỗi chất có một điện thế hóa học nhất định. Lấy H làm gốc có điện thế âm (-) thì ta có bảng một số kim loại có điện thế hóa học như bảng sau:

Bảng 2.3: Điện thế hóa học của một số kim loại

Hai kim loại có điện thế hóa học khác nhau khi tiếp xúc sẽ tạo nên một cặp hiệu điện thế hóa học, giữa chúng có một hiệu điện thế. Nếu bề mặt tiếp xúc có nước xâm nhập sẽ có dòng điện chạy qua, và kim loại có điện thế học âm hơn sẽ bị ăn mòn trước làm nhanh hỏng tiếp điểm.

a.4) Hư hỏng do điện

Thiết bị̣ điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản tốt lò xo tiếp điểm bị hoen 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 dính 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.

b) 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:

b.1) Đối với những tiếp xúc cố định nên bôi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm.

b.2) Khi thiết kế ta nên chọn những vật liệu có điện thế hóa học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp.

b.3) Nên sử dụng các vật liệu không bị oxy hóa làm tiếp điểm.

b.4) Mạ điện các tiếp điểm: với tiếp điểm đồng, đồng thau thường được mạ thiếc, mạ bạc, mạ kẽm còn tiếp điểm thép thường được mạ cađini, niken, kẽm,...

b.5) Thay lò xo tiếp điểm: những lò 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 lò xo nén khi lực nén còn quá yếu.

b.6) 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.

Khi có ngắn mạch, nhiệt độ chỗ tiếp xúc tăng cao làm giảm tính đàn hồi và cường độ cơ khí của tiếp điểm. Nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch quy định:

-Với đồng, đồng thau: [ θθ size 12{θ} {}] = (200 ¸¸ size 12{¸} {}300)0C

-Nhôm: [ θθ size 12{θ} {}] = (150 ¸¸ size 12{¸} {}200)0C

Tùy thời gian ngắn mạch có mật độ dòng điện cho phép khác nhau như bảng 2-4.

Bảng 2.4: Mật độ dòng điện cho phép

Ngoài ra còn tùy tình trạng làm việc của tiếp điểm khi ngắn mạch xảy ra như:

-Tiếp điểm ở vị trí đóng khi ngắn mạch

Theo công thức kinh nghiệm Butkêvich: Im = K. (2.7)

Với: Im: dòng điện biên độ làm tiếp điểm nóng chảy hàn dính.

K: hệ số tùy vật liệu làm tiếp điểm và số điểm tiếp xúc.

F: lực nén lên tiếp điểm, F = (20 ¸¸ size 12{¸} {}50) kg.

Hệ số K trong một số trường hợp cụ thể sau:

+ Tiếp điểm chổi đồng, đồng thau: K= 3000 đến 4000

+ Tiếp điểm hình ngón bằng đồng: K= 4100.

+ Tiếp điểm kiểu cắm đồng, đồng thau: K= 6000.

-Tiếp điểm trong quá trình đóng bị ngắn mạch

Lúc này sinh lực điện động kéo dời tiếp điểm, tiếp điểm động có tốc độ lớn dễ sinh hiện tượng hàn dính vì có chấn động.

Khi dòng chạy trong vật dẫn từ tiết diện lớn sang tiết diện nhỏ thường bị uốn cong sinh lực điện động theo công thức:

F = 1,02.10-8.i2ln DdDd size 12{ { {D} over {d} } } {} (2.8)

D,d: đường kính tiết diện lớn và nhỏ [cm].

-Tiếp điểm trong quá trình ngắt bị ngắn mạch

Phát sinh hồ quang có thể làm cháy tiếp điểm. Tùy kim loại có trị cực tiểu áp và cực tiểu dòng có thể phát sinh hồ quang.

Bảng 2.5: Trị số dòng, áp cực tiểu

+Khi cắt dòng bé

Nếu IImin , UUmin : Giữa hai tiếp điểm hình thành một cầu kim loại nóng chảy, cầu bị đứt kim loại sẽ chảy từ anôt sang catôt. Vì vậy tiếp điểm là anôt bị mòn.

Nếu IImin , UUmin : Hình thành các ion đến bắn phá phía catôt, kim loại sẽ chuyển từ catôt sang anôt.

+Trường hợp cắt dòng trung bình và dòng điện lớn

Hồ quang lớn cả catôt và anôt đều bị mòn. Cần chú ý tiếp điểm động khi đóng có khi bị hao mòn nhiều hơn khi mở.

Sự hao mòn tỉ lệ với dòng điện, số lần đóng mở và lượng điện tích qua tiếp điểm và thời gian cháy của hồ quang, đó là các hao mòn về điện (do dòng điện gây ra). Ngoài ra còn hao mòn về cơ, thông thường hao mòn về cơ bằng (1 ¸¸ size 12{¸} {} 3)% hao mòn điện.