Bài giảng môn học Khí cụ điện - Chương 2: Tiếp xúc điện

CHƯƠNG 2 
TIẾP XÚC ĐIỆN 
KHÁI NIỆM VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN 
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 chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt
tiếp xúc điện.
PHÂN LOẠI TIẾP XÚC ĐIỆN
Dựa vào mối liên kết tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các
dạng sau :
 Tiếp xúc cố định : là loại tiếp xúc không tháo lắp giữa 2 vật
dẫn, được liên kết bằng bulông, đinh vit, đinh rivê,...
 Tiếp xúc đóng mở : là tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện
chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật khác (như các tiếp
điểm trong thiết bị đóng cắt).
 Tiếp xúc trượt : là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề mặt
của vật dẫn điện kia (ví dụ như chổi than trượt trên vành góp
máy điện).
PHÂN LOẠI TIẾP XÚC 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 nón 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 tiếp xúc với nhau trên
bề mặt rộng(ví dụ tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng,...).
CÁC YÊU VỀ TIẾP XÚC 
ĐIỆN 
Các yêu cầu đối với tiếp xúc điện tùy thuộc ở công
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 nóng của tiếp xúc điện là điện trở tiếp xúc Rtx.
ĐIỆN TRỞ TIẾP XÚC
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN 
Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ có diện tích
bề mặt tiếp xúc : Sbk= a . l.
1
2
2
1 a
l
Hình : Tiếp xúc của hai vật dẫn
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC 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 công thế nào
thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho tiếp xúc hai vật với nhau thì
chỉ có một số điểm trên tiếp giáp tiếp xúc.
Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều diện tích
tiếp xúc biểu kiến Sbk= a.l.
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN 
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(như mặt cầu tiếp xúc
với mặt phẳng) xác định bởi:
Trong đó: F là lực ép vào tiếp điểm [kg].
d là ứng suất chống dập nát của vật liệu làm
tiếp điểm [kg/cm2].
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN 
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.
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN 
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo
công 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
 Tiếp xúc điểm m = 0,5
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN 
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:
Trong đó :  : điện trở suất của vật dẫn [.cm].
n: số điểm tiếp xúc.
F: lực nén [kg].
ĐẠI CƯƠNG VỀ TIẾP XÚC 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 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.
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 
ĐIỆN TRỞ TIẾP XÚC 
 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 dòng điện
TIẾP ĐIỂM THIẾT BỊ ĐIỆN 
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 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).
VẬT LIỆU LÀM 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.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
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.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
Đồng kiî thuật điện: đồng nguyên chất thu được bằng
điện phân. Nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên. Nhược điểm
chính của đồng kiî thuật điện là rất dễ bị oxit hóa.
Đồng cađimi: đồng kiî thuật điện pha thêm cađimi có tính
chất cơ cao chống mài mòn tốt, khả năng chịu được hồ quang
tốt hơn đồng kiî thuật điện thông thường.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
Bạc: là vật liệu làm tiếp điểm rất tốt do có độ dẫn
điện cao và có 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 nhôm,
đồng với mangan, đồng với niken, đồng với silic và
các hợp kim đồng khác được sử dụng làm tiếp điểm,
đồng thời làm lò xo ép (ví dụ tiếp điểm tĩnh của cầu
chì). Những tiếp điểm như vậy khi bị đốt nóng dễ bị
mất tính đàn hồi.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
Thép có điện trở suất lớn: thép thường bị oxy hóa cao
nhưng là vật liệu rẻ nên vẫn được sử dụng làm tiếp xúc cố định
để dẫn dòng điện lớn, trong các thiết bị thép thường được mạ.
Nhôm: có độ dẫn điện cao, rẻ nhưng rất dễ bị oxy hóa làm
tăng điện trở suất. Nhược điểm nữa là hàn nhôm rất phức tạp,
độ bền cơ lại kém.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
Vonfram và hợp kim vonfram: có độ mài mòn về điện tốt
và chịu được hồ quang tốt nhưng có điện trở tiếp xúc rất lớn.
Hợp kim vonfram với vàng sử dụng cho tiếp điểm có dòng
nhỏ.
Hợp kim với molipđen dùng làm tiếp điểm cho những thiết
bị điện thường xuyên đóng mở, khi dòng điện lớn thì vonfram
và hợp kim vonfram sử dụng để làm tiếp điểm dập hồ quang.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
Vàng và platin: không bị oxy hóa do đó có điện trở tiếp
xúc nhỏ và ổn định, được sử dụng làm tiếp điểm trong thiết bịû
điện hạ áp có dòng điện bé và quan trọng. Vàng nguyên chất và
platin nguyên chất có độ bền cơ thấp nên thường được sử dụng
dạng hợp kim với môlipđen hoặc với iriđi để tăng độ bền cơ.
Than và graphit: có 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, đôi khi làm tiếp
điểm dập hồ quamg.
VẬT LIỆU LÀM TIẾP ĐIỂM 
Hợp kim gốm: hỗn hợp về mặt cơ học của hai vật liệu
không 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 nhấït có tính chất kỹ thuật điện tốt,
điện trở suất và điện trở tiếp xúc nhỏ, ít bị oxy hóa.Vật liệu thứ
hai có 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.
MỘT SỐ KẾT CẤU TIẾP 
ĐIỂM THƯỜNG DÙNG 
TIẾP ĐIỂM KIỂU CẦU
TIẾP ĐIỂM KIỂU NGÓN
TIẾP ĐIỂM KIỂU DAO 
TIẾP ĐIỂM KIỂU NÊM 
TIẾP ĐIỂM KIỂU ĐỐI 
NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG 
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.
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.
ĐIỆN THẾ HÓA KIM LOẠI 
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:
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.
HƯ HỎNG DO ĐIỆN 
Thiết bị 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.
CÁC BIỆN PHÁP KHẮC 
PHỤC 
Đối với những tiếp xúc cố định : nên bôi một lớp mỡ
chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm.
Khi thiết kế ta nên chọn những vật liệu : có điện thế hóa
học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp.
CÁC BIỆN PHÁP KHẮC 
PHỤC 
Nên sử dụng các vật liệu không bị oxy hóa làm tiếp
điểm.
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, kẽm,...
CÁC BIỆN PHÁP KHẮC 
PHỤC 
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.
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.