第4章_電器的電接觸理論

1、復(fù)旦大學(xué)福州大學(xué)許志紅 蘇晶晶復(fù)旦大學(xué)4.1 4.1 電器的電接觸現(xiàn)象電器的電接觸現(xiàn)象4.2 4.2 電接觸表面的物理圖景電接觸表面的物理圖景4.3 4.3 接觸電阻的理論和計算接觸電阻的理論和計算4.4 4.4 影響接觸電阻的主要因素影響接觸電阻的主要因素4.5 4.5 接觸區(qū)域的熱效應(yīng)接觸區(qū)域的熱效應(yīng)4.6 4.6 觸頭的振動與熔焊觸頭的振動與熔焊4.7 4.7 觸頭磨損與材料轉(zhuǎn)移觸頭磨損與材料轉(zhuǎn)移4.1 4.1 電器的電接觸現(xiàn)象電器的電接觸現(xiàn)象l電器的導(dǎo)電回路總是由若干元件構(gòu)成，其中，兩個零件通過機械連接方式互相接觸兩個零件通過機械連接方式互相接觸而實現(xiàn)導(dǎo)電的現(xiàn)象而實現(xiàn)導(dǎo)電的現(xiàn)象電接觸電

2、接觸l電接觸的目的 導(dǎo)電。l接觸中出現(xiàn)的有關(guān)物理的、化學(xué)的、電的現(xiàn)象稱為電接觸現(xiàn)象。電接觸現(xiàn)象。l電接觸 是所有電器設(shè)備中不可避免的，是一種普遍現(xiàn)象。電器的電接觸現(xiàn)象電器的電接觸現(xiàn)象1、可能存在的問題、可能存在的問題（1）兩導(dǎo)體接觸后，接觸處會出現(xiàn)局部高溫，嚴(yán)重時可達接觸導(dǎo)體材料的熔點； （2）觸頭在通斷過程中，觸頭間會產(chǎn)生電弧，其高使觸頭表面熔化和汽化，使觸頭材料損失，或?qū)е掠|頭的熔焊。2、主要分析對象、主要分析對象接觸電阻、溫升、熔焊和磨損等。4.1.1 4.1.1 電接觸的分類電接觸的分類按結(jié)構(gòu)形式不同，分三種。按結(jié)構(gòu)形式不同，分三種。(1) (1) 固定電接觸：固定電接觸：(2(2）滑

3、動和滾動電接觸：）滑動和滾動電接觸：兩接觸元件在工作時間內(nèi)固定接觸在一起，不做相對運動，兩接觸元件在工作時間內(nèi)固定接觸在一起，不做相對運動，也不相互分離。也不相互分離。 觸頭能作相對滑動和滾動，但不相互分離，它們的相對運動觸頭能作相對滑動和滾動，但不相互分離，它們的相對運動方向與接觸表面平行。方向與接觸表面平行。4.1.1 4.1.1 電接觸的分類電接觸的分類兩接觸元件可隨時分合。兩接觸元件可隨時分合。這種可分、合接觸元件通常稱為種可分、合接觸元件通常稱為觸頭或觸點。觸頭或觸點。可分、合電接觸按工作電流又可分為：可分、合電接觸按工作電流又可分為： 弱電流觸頭弱電流觸頭電流在1A以下，如繼電器的

4、觸頭。 中電流觸頭中電流觸頭電流從幾個安到幾百安，如低壓斷路器的觸頭 強電流觸頭強電流觸頭電流在幾百安以上，如高壓斷路器和部分低壓斷路器。(3) (3) 可分、合電接觸：可分、合電接觸：4.1.1 4.1.1 電接觸的分類電接觸的分類 觸頭結(jié)構(gòu)示意圖 電接觸現(xiàn)象電接觸現(xiàn)象電接觸共有的工作狀態(tài)是電接觸共有的工作狀態(tài)是接觸元件閉合接通電流。接觸元件閉合接通電流?？煞纸佑|可分接觸運動狀態(tài)；靜止?fàn)顟B(tài)。運動狀態(tài)運動狀態(tài)打開過程；閉合過程。靜止?fàn)顟B(tài)靜止?fàn)顟B(tài)打開位置；閉合位置。當(dāng)兩導(dǎo)體相互接觸流過電流流過電流時，接觸處會出現(xiàn)局部高溫局部高溫，嚴(yán)重時可達到接觸導(dǎo)體材料的熔點達到接觸導(dǎo)體材料的熔點。電接觸的主要

5、要求電接觸的主要要求電接觸的可靠性電接觸的可靠性 電接觸的工作面臨電接觸的工作面臨: （1）長期工作電流作用； （2）開斷與關(guān)合過程中的電弧作用。 對電器的電接觸，特別是可分觸頭的工作可靠性是很重要的。 如果觸頭的材料、結(jié)構(gòu)或制造質(zhì)量不好，觸頭在工作過程中就會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞嚴(yán)重?fù)p壞或因電弧而熔焊因電弧而熔焊，電器工作的可靠性就無法保證。 電接觸的主要要求電接觸的主要要求1、電接觸在長期通過額定電流時，溫升不超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，接觸電阻要求穩(wěn)定。為保證電接觸長期穩(wěn)定而可靠工作，必須做到：為保證電接觸長期穩(wěn)定而可靠工作，必須做到： 2、電接觸在短時通過短路電流或脈沖電流時，接觸處不發(fā)生熔焊或或觸

6、頭材料噴濺； 3、在關(guān)合過程中，觸頭能關(guān)合短路電流，不發(fā)生熔焊或觸頭損壞；4、在開斷過程中，觸頭材料損失少，電磨損小。4.2 4.2 電接觸表面的物理景圖電接觸表面的物理景圖 如圖右圖所示，為幾種機械加工后的鋼表面輪廓圖并與玻璃表面。 由圖可知：不同材料、不同加工方法、不同工藝過程所得到的表面微觀狀態(tài)不相同。電接觸表面的物理景圖電接觸表面的物理景圖 工程應(yīng)用中的電接觸實際接觸點的總面積往往只有整個視在接觸面積的千分之幾（壓力非常強大時，可達到百分之幾），而導(dǎo)電斑點的的總面積比實際接觸斑點的面積小得多。 4.3 4.3 接觸電阻的理論和計算接觸電阻的理論和計算u 接觸電阻是產(chǎn)生局部高溫的原因。接

7、觸電阻是產(chǎn)生局部高溫的原因。 電流通過兩導(dǎo)體點接觸的主要現(xiàn)象是接觸處出現(xiàn)局部高電流通過兩導(dǎo)體點接觸的主要現(xiàn)象是接觸處出現(xiàn)局部高溫。溫。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是電接觸處存在一附加電阻，稱之為接觸電阻接觸電阻。 先用簡單現(xiàn)象，說明接觸電阻的性質(zhì)：一導(dǎo)體，通電流 I 時，用電壓表可測出導(dǎo)體上一小段的電壓降為Uab) 14(ababIUR導(dǎo)體的電阻為導(dǎo)體的電阻為 l將此導(dǎo)體切成兩半，對接一起，加力將此導(dǎo)體切成兩半，對接一起，加力 F ，形成電接觸，仍形成電接觸，仍通電流通電流I ，測原小段導(dǎo)體的電壓降測原小段導(dǎo)體的電壓降U，就會發(fā)現(xiàn)就會發(fā)現(xiàn)Uab Uab)34(abRIURababR 增大，增大部分稱為增大

8、，增大部分稱為接觸電阻接觸電阻R j 4.3 4.3 接觸電阻的理論和計算接觸電阻的理論和計算abab)44(ababRRRj4.3 4.3 接觸電阻的理論和計算接觸電阻的理論和計算導(dǎo)體電阻比接觸電阻小得多，導(dǎo)體電阻比接觸電阻小得多，工程中可近似認(rèn)為：工程中可近似認(rèn)為：Rj=Rab接觸電阻的物理實質(zhì)是什么呢？接觸電阻的物理實質(zhì)是什么呢？電接觸學(xué)科的奠基人霍爾姆電接觸學(xué)科的奠基人霍爾姆(R. Holm)做了正確的解釋。做了正確的解釋。abab產(chǎn)生接觸電阻的主要原因產(chǎn)生接觸電阻的主要原因1、電流線收縮：、電流線收縮：實際接觸面積減小，電流線在接觸面附近發(fā)生了收縮 收縮電阻收縮電阻R s。產(chǎn)生接觸電

9、阻的主要原因產(chǎn)生接觸電阻的主要原因2、表面膜、表面膜的存在的存在接觸表面可能被一些導(dǎo)電性能很差的物質(zhì)（如氧化物）覆蓋 表面電阻表面電阻R b接觸電阻的組成接觸電阻的組成接觸電阻一般應(yīng)包含以下幾個部分：接觸電阻一般應(yīng)包含以下幾個部分： 一個接觸元件的收縮電阻Rs1； 另一個接觸元件的收縮電阻Rs2； 接觸面間的膜電阻Rb。三者在電路上是串聯(lián)的關(guān)系，故接觸電阻三者在電路上是串聯(lián)的關(guān)系，故接觸電阻Rj可用下式表示：可用下式表示：)64(2sb1sRRRRj1、材料相同時，、材料相同時， Rs1 = Rs2=Rs 2、在真空中潔凈表面，、在真空中潔凈表面， Rb 0 3、相反，若、相反，若Rb2Rs

10、， )74(2bsRRRj)84(2sRRj)94(b RRj特別地特別地4.3.1 收縮電阻收縮電阻Rs接觸面接觸情況示意圖接觸面接觸情況示意圖 經(jīng)過加工的金屬表面的情況示意圖（放大）經(jīng)過加工的金屬表面的情況示意圖（放大）4.3.1 收縮電阻收縮電阻Rs為簡化問題，取一個接觸點來分析。作如下假設(shè)：為簡化問題，取一個接觸點來分析。作如下假設(shè)： 接觸表面中，導(dǎo)電斑點的幾何形狀為圓形，半徑為a，且a為常數(shù)； 導(dǎo)電斑點之間有足夠大的分散距離，可認(rèn)為斑點與斑點之間電流-電位場互不干擾；a) 兩接觸元件中，收縮區(qū)內(nèi)的電流-電位場完全對稱，且材料的電阻率處處相等。4.3.1 收縮電阻收縮電阻Rs在導(dǎo)體媒介

11、中，恒定電場與介質(zhì)中靜電場有相似關(guān)系在導(dǎo)體媒介中，恒定電場與介質(zhì)中靜電場有相似關(guān)系)104(kGC式中，G，k 分別為導(dǎo)電媒質(zhì)中的電導(dǎo)、電導(dǎo)率；C，分別為介質(zhì)中相同場的電容、介電常數(shù)；4.3.1 收縮電阻收縮電阻Rs孤立斑點孤立斑點a總收縮電阻的理論公式為總收縮電阻的理論公式為)114(22saR式中，接觸元件材料的電阻率； a導(dǎo)電斑點半徑。 收縮電阻的本質(zhì)就是金屬電阻，其大小與接觸元件材收縮電阻的本質(zhì)就是金屬電阻，其大小與接觸元件材料的電阻率成正比，與導(dǎo)電斑點的直徑成反比。料的電阻率成正比，與導(dǎo)電斑點的直徑成反比。4.3.1 收縮電阻收縮電阻Rs在一般情況下，接觸內(nèi)表面中，導(dǎo)電斑點不止一個而

12、是有n個，這n個斑點在電路上是并聯(lián)的關(guān)系個斑點在電路上是并聯(lián)的關(guān)系。在建立收縮電阻物理模型所做的假定條件下，n個導(dǎo)電斑點的總的收縮電阻為個導(dǎo)電斑點的總的收縮電阻為:)124(221sniiaR若取p122naanii)134(22psnaR4.3.2 表面膜電阻表面膜電阻Rb 不同的金屬材料在不同的環(huán)境下會生出各種不同的表面膜，從膜的性質(zhì)來看，表面膜主要有導(dǎo)電膜和絕緣膜導(dǎo)電膜和絕緣膜。 導(dǎo)電膜的面電阻率很小，厚度極薄。這類膜由“吸附”效應(yīng)產(chǎn)生，故也叫吸附膜吸附膜，它的膜薄由電子“隧道效應(yīng)”導(dǎo)電. 絕緣膜電阻率非常大絕緣膜電阻率非常大，厚度較大，有氧化物、硫化物、聚合物膜、玻璃狀絕緣膜等表面膜類

13、型表面膜類型 飛揚于空氣中的固體微粒，由于靜電吸力而覆蓋在接觸表面形成的膜電阻。接觸電阻變化極不穩(wěn)定，具有隨機性的特點。接觸區(qū)域的接觸壓力一般不能太小。（1）塵埃膜塵埃膜（對弱電接觸不可忽視）（對弱電接觸不可忽視）（2）吸附膜）吸附膜 非導(dǎo)電氣體、液體膜，使接觸變壞非導(dǎo)電氣體、液體膜，使接觸變壞。氣體分子或水分子在接觸表面的吸附層，其厚度僅有幾個分子層，當(dāng)觸頭壓力在接觸面上形成很高的壓強時，厚度將減到1-2個分子層，無法采用機械的方法將其完全消除掉，吸附膜主要靠隧道效應(yīng)導(dǎo)電。表面膜類型表面膜類型（3）無機膜）無機膜 金屬的氧化物，硫化物等金屬的氧化物，硫化物等 對于斷路器來說，金屬的氧化物是主

14、要的。 金屬氧化物多半是半導(dǎo)體，電阻率很高。Ag： 0.01610-614661025. 610016. 01010Cu： 0.01710-616681094. 210017. 0105表面膜類型表面膜類型（4）有機膜）有機膜 漆、蒸汽，也可能來自電器本身。漆、蒸汽，也可能來自電器本身。實際上，表面電阻不會高到這種程度。這是因為：實際上，表面電阻不會高到這種程度。這是因為：（a）自由電子能自由穿過幾埃以下的薄膜。（b）電場強度較高時（超過106V/cm），將膜擊穿。 （c）觸頭壓力大，可壓碎氧化膜觸頭壓力大，可壓碎氧化膜。使觸頭的金屬材料直接接觸，從而使表面電阻顯著下降。金屬表面膜的形成金屬表

15、面膜的形成金屬表面膜的生長與材料種類、環(huán)境介質(zhì)的情況，以及其它許多復(fù)雜的情況有關(guān)。以銅和銀為例說明金屬表面膜的形成： 以銀為例分析：以銀為例分析： 空氣：銀不易氧化； 臭氧：Ag2O，易清除，200即分解； 含H2S的空氣：在銀表面水膜中易生成Ag2S絕緣暗膜，干燥時不易侵蝕銀。Ag2S是半導(dǎo)體，近似于絕緣件。金屬表面膜的形成金屬表面膜的形成 膜的起始生長速度很快，以后減慢并趨于某穩(wěn)定的生長速度； 不同材料、不同介質(zhì)、不同溫度對膜的生長影響很大； 同一材料一定介質(zhì)下溫度是影響膜生長的決定性因素。 膜的生長非常復(fù)雜，對于電接觸最關(guān)心的是膜的導(dǎo)電性膜的生長非常復(fù)雜，對于電接觸最關(guān)心的是膜的導(dǎo)電性和

16、膜的破壞難易程度！和膜的破壞難易程度！共同特點：膜的導(dǎo)電性問題：膜的導(dǎo)電性問題：1 1、 理論分析：理論分析： 電子具有粒子和波動兩重性質(zhì)電子具有粒子和波動兩重性質(zhì)，即所謂的“波”、“粒”二相性。由經(jīng)典理論知：一層絕緣膜，不論厚度如何，電不論厚度如何，電子都不能穿過它而導(dǎo)電。子都不能穿過它而導(dǎo)電。 量子力學(xué)理論：量子力學(xué)理論：由電子的“波”的性質(zhì)，電子能透過薄膜而導(dǎo)電，這個效應(yīng)叫“隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)”。 2 2、 “ “隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)”的計算：的計算： 隧道電阻率隧道電阻率s（或稱膜的面電阻率）：（或稱膜的面電阻率）： 式中 ：U接觸面間的電壓；J：電子透過位壘形成的電流密度。 JUs膜的導(dǎo)電

17、性問題：膜的導(dǎo)電性問題： 由由s求膜厚求膜厚: s與膜厚與膜厚之間的關(guān)系如下圖所示。之間的關(guān)系如下圖所示。膜電阻的計算膜電阻的計算 根據(jù)膜的面電阻率的定義，根據(jù)膜的面電阻率的定義，電子透過電子透過斑點遇到的膜電阻為：斑點遇到的膜電阻為：)144(2sbaR 若接觸面上有若接觸面上有n個斑點，個斑點，平均半徑為平均半徑為ap，總的膜電阻為：總的膜電阻為：)154(2sbpnaR對于很厚的絕緣膜，電子隧道透過膜的幾率非常小，故實際上膜不能導(dǎo)電。絕緣暗膜的擊穿絕緣暗膜的擊穿 1） 半導(dǎo)體特征：半導(dǎo)體特征： 如果施加一電壓于具有完整的絕緣暗膜的接觸面之間，當(dāng)電壓U由0升高，膜電阻由M級下降（但一直保持

18、絕緣狀態(tài)），但膜電阻隨電壓升高而下降；膜電阻隨電壓升高而下降；U下降，膜電阻上升。下降，膜電阻上升。2） U上升至某臨界值（如上升至某臨界值（如5V），膜被擊穿，膜電阻突然消），膜被擊穿，膜電阻突然消失，接觸面之間的電壓立即下降到零點幾伏的數(shù)量級。失，接觸面之間的電壓立即下降到零點幾伏的數(shù)量級。絕緣膜的電擊穿過程如圖所示。絕緣暗膜的擊穿絕緣暗膜的擊穿絕緣暗膜的電擊穿過程：絕緣暗膜的電擊穿過程： 實線：加壓或減壓時，膜處于完好絕緣狀態(tài)；實線：加壓或減壓時，膜處于完好絕緣狀態(tài)； U0：臨界電壓。當(dāng)：臨界電壓。當(dāng)UU0，膜被擊穿，用虛線表示，膜被擊穿，用虛線表示，并最終穩(wěn)定在終止點（Rz，Uz）。

19、因膜的擊穿與氣體介質(zhì)擊穿過程不同，霍爾姆把膜的擊穿稱之為膜的熔解。膜的熔解。 膜擊穿后，電壓在0.30.5V數(shù)量級的稱為 A 類 熔 解類 熔 解 ； 膜 擊 穿 后 ， 電 壓 在0.010.02V數(shù)量級的稱為B類熔解。類熔解。 絕緣暗膜擊穿的機理：絕緣暗膜擊穿的機理：（1 1）電擊穿：）電擊穿： 電場內(nèi)部電子發(fā)射內(nèi)部電子發(fā)射，形成電子云電子云，使金屬表面局部加熱直至金屬表面局部加熱直至熔化熔化，由于強大靜電力作用，液態(tài)金屬被吸入放電通道而橋接，最后形成金屬的電流通路。金屬的電流通路。 （2 2） 熱擊穿：熱擊穿： 由于膜的不均勻性，使電流集中通過局部電導(dǎo)率較高的點，引起半導(dǎo)體膜的溫度升高，

20、電導(dǎo)率增大，半導(dǎo)體膜的溫度升高，電導(dǎo)率增大，又使電流更加集中和加大，以致發(fā)生最終的熱擊穿，被熔化的金屬最后引入擊穿通道而橋接。 電方面：電方面： 絕緣暗膜擊穿的機理：絕緣暗膜擊穿的機理：機械方面：機械方面： 在接觸元件上施加一定的外力，從而使實際接觸面微觀凸丘接觸處獲得極高的應(yīng)力。當(dāng)凸丘受壓變形時，膜亦隨之破裂。當(dāng)凸丘受壓變形時，膜亦隨之破裂?；蛘咴趦山佑|面受壓的同時，使兩表面作相對滾滑，將膜磨碎并剝在兩接觸面受壓的同時，使兩表面作相對滾滑，將膜磨碎并剝離。離。 膜的機械破壞要求實際接觸面上作用有很高的局部壓力，并膜的機械破壞要求實際接觸面上作用有很高的局部壓力，并且且表表面膜比本體金屬應(yīng)具有

21、大得多的硬度和脆性。面膜比本體金屬應(yīng)具有大得多的硬度和脆性。為此需要接觸接觸表面有一定的粗糙度表面有一定的粗糙度，使接觸斑點有小的接觸面積，以獲得高的局部接觸壓力，同時選用適當(dāng)?shù)慕佑|材料和結(jié)構(gòu)。選用適當(dāng)?shù)慕佑|材料和結(jié)構(gòu)。接觸電阻計算公式接觸電阻計算公式)164(22sjppnanaR式中，接觸元件材料的電阻率和膜的面電阻率s均為已知，困難的是斑點的個數(shù)n和平均半徑ap無法確定。4.4 影響接觸電阻的主要因素影響接觸電阻的主要因素4.4.1 材料的性質(zhì)材料的性質(zhì)（3）耐弧性能：在電弧作用下，觸頭電磨損要小。（4）長期工作中，還要考慮化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕問題。（1）良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性（2）良好的

22、力學(xué)性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能 純金屬材料純金屬材料 （1）銀）銀 與 HB 都?。辉诘蜏叵虏灰籽趸?， 高溫下 Ag2O Ag 、O2 ；銀的氧化物的 也很低。 從減少接觸電阻角度看，銀是最理想的材料。 但是，銀的價格較貴，熔點低，適合小功率觸頭。 （2）銅：）銅： 與與HB比銀略大；比銀略大； 在室溫下，在大氣中或變壓器油中銅會氧化，形成Cu2O； 銅的氧化膜厚度隨溫度增高而增加。 從減小接觸電阻看，銅是僅次于銀的材料。 缺點是易氧化，使接觸電阻隨時間迅速增長。高壓開關(guān)中，采用滾動接觸，觸頭常常在密封的滅弧室中，因此，可以采用銅質(zhì)觸頭，低

23、壓電器中基本上不采用銅材料作為觸頭材料。常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能 純金屬材料純金屬材料 （3）金）金 金的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性次于銀和銅，突出的優(yōu)點是不易氧化，接觸電阻穩(wěn)定。 缺點是價格貴，容易產(chǎn)生冷焊、變形和磨損。在電流小、電壓低、觸頭壓力不大的場合可以采用。 （4）鉑）鉑 鉑的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較差，但化學(xué)性能穩(wěn)定，在空氣中不氧化、不硫化，接觸電阻非常穩(wěn)定。 缺點是價格高，易產(chǎn)生金屬橋，在有機蒸氣中易生成有機膜，鉑的合金可以用作弱電觸頭。 （5）鎢）鎢 鎢的許多性質(zhì)和鉑相近，但是，它硬度很高，耐熱性、耐鎢的許多性質(zhì)和鉑相近，但是，它硬度很高，耐熱性

24、、耐腐蝕性能好，抗電弧燒損和抗熔焊性能也很好，腐蝕性能好，抗電弧燒損和抗熔焊性能也很好， 缺點是在高溫下容易形成不導(dǎo)電的氧化膜，需要大的接觸缺點是在高溫下容易形成不導(dǎo)電的氧化膜，需要大的接觸壓力，一般比較適合大功率觸頭。壓力，一般比較適合大功率觸頭。常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能金屬系觸頭材料金屬系觸頭材料 （1）AgMeO系觸頭系觸頭 Me是“Metal”的簡稱，代表Cd、Sn等，即銀金屬氧化物。 AgMeO材料的發(fā)展在微量添加劑上，增加添加劑的目的： 改善MeO的顆粒尺寸、形狀及在銀基體中的分布； 強化AgMeO的材料基體，增加液態(tài)銀在觸頭表面

25、的潤濕效應(yīng)； 改善工藝要求。 添加劑有：Mg、Li、Sn、Co、Al、K、Ca、Hg、Ru、Be等。 AgCdO：具有良好的耐侵蝕、抗熔焊和低值穩(wěn)定的接觸電阻，目前廣泛應(yīng)用在中等功率的開關(guān)電器中。 AgSnO2無毒、耐侵蝕，具有與AgCdO類似的良好性能，抗熔焊性比AgCdO好，接觸電阻稍高。常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能金屬系觸頭材料金屬系觸頭材料 （2）AgNi系觸頭系觸頭 與AgMeO不同在于，當(dāng)溫度極高時，兩種共存熔體的相互熔解度增加，使AgNi觸頭材料的鎳顆粒形成均勻彌散分布。 原因：在高溫熔體中，冷卻后的鎳重新沉積于銀基體中。 當(dāng)Ni含

26、量增加，需要更高溫度和更長時間使Ni溶解于銀基體中。 當(dāng)冷凝時，會在觸頭表面形成Ni的富集及部分Ni氧化物組分，因此Ni含量增加，接觸電阻增加。常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能金屬系觸頭材料金屬系觸頭材料 （3）AgC系觸頭系觸頭 主要機制在于炭粒和大氣中氧的作用，在被電弧加熱的高溫弧柱區(qū)域，炭粒發(fā)生顯著燃燒，形成CO氣體并逸出觸頭基體，從而在觸頭表面形成多孔疏松的富銀層。 AgC材料在工作過程中始終保持著低值接觸電阻 觸頭表面疏松多孔，無論纖維方向與接觸面平行還是垂直，都具有良好的抗熔焊性常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接

27、觸電阻方面的性能金屬系觸頭材料金屬系觸頭材料 （4）AgW系觸頭系觸頭 難熔比重在20%60%之間； W骨架的作用在大電流負(fù)荷下出現(xiàn) 當(dāng)電弧高溫時，Ag先熔化蒸發(fā)，有助于降低弧根處的溫升。降低觸頭材料的噴濺； AgW具有較高的耐熔焊性； AgW與大氣中的氧作用，在觸頭表面形成不導(dǎo)電的氧化物，如Ag2WO4及WO3，薄膜接觸電阻升溫，反過來使觸頭產(chǎn)生高溫，這種情況下也有骨架作用。常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能金屬系觸頭材料金屬系觸頭材料 （5）非晶態(tài)觸頭材料）非晶態(tài)觸頭材料 一種長程無序、短程有序的結(jié)構(gòu)。 物理、化學(xué)性能比晶態(tài)材料更優(yōu)越。 用于繼電器

28、上，有助于通信設(shè)備的小型化和高壽命。（6）超導(dǎo)觸頭材料）超導(dǎo)觸頭材料 將超導(dǎo)材料引入電接觸材料，必將帶來革命性變化 低壓電器觸頭材料超導(dǎo)化，未來還有一段路要走。4.4.2 接觸形式接觸形式接觸的形式很多，按觸頭外形的幾何形狀不同，可接觸的形式很多，按觸頭外形的幾何形狀不同，可分為三類：分為三類：點接觸：點接觸：面面接觸：接觸：線線接觸：接觸： 球狀觸頭與另一個球狀觸頭相接觸，或球狀觸頭與平面觸頭相接觸。 圓弧狀觸頭與平面觸頭相接觸，或圓弧狀觸頭與另一個圓弧狀觸頭相接觸。 兩平面觸頭相接觸。點接觸點接觸從幾何學(xué)角度看，兩面接觸于一點兩面接觸于一點，所以稱為點接觸。實際實際接觸面是在一個小面積內(nèi)的

29、若干個接觸點。接觸面是在一個小面積內(nèi)的若干個接觸點。線接觸線接觸:從幾何學(xué)角度看，兩面接觸在一條直線上，兩面接觸在一條直線上，所以稱線接觸。當(dāng)然，實際接觸面是分布在狹長區(qū)域內(nèi)的若干個接實際接觸面是分布在狹長區(qū)域內(nèi)的若干個接觸點。觸點。面接觸面接觸:從幾何學(xué)角度看，接觸面是一個平面接觸面是一個平面，所以稱為面接觸。當(dāng)然，實際接觸面是分布在若干處的很多個接觸點實際接觸面是分布在若干處的很多個接觸點。接觸形式對接觸電阻的影響接觸形式對接觸電阻的影響 F ?。狐c小繼電器 F 中：線大中電器 F 大：面固定接觸FRj面面點點0兩個趨勢是相反的，接觸形式兩個趨勢是相反的，接觸形式的選擇取決于的選擇取決于F

30、的大小。的大小。結(jié)論：接觸壓力決定著接觸形結(jié)論：接觸壓力決定著接觸形式的選擇（要從兩面看，不要式的選擇（要從兩面看，不要簡單看一面）簡單看一面）只考慮接觸形式的影響，其它條件材料、外加壓力只考慮接觸形式的影響，其它條件材料、外加壓力F 相同相同 ；接觸形式主要對接觸形式主要對n 起作用。起作用。2sbsjpp22nanaRRR4.4.3 接觸壓力接觸壓力接觸壓力接觸壓力F 對接觸電阻對接觸電阻R j有重要影響。沒有足夠的壓力只靠有重要影響。沒有足夠的壓力只靠加大接觸面的外形尺寸并不能使接觸電阻顯著減小。加大接觸面的外形尺寸并不能使接觸電阻顯著減小。式中，E材料的彈性模量； r球的半徑。)184

31、(3rEFa在塑性形變時，剛性球?qū)ζ矫嬖嚰鰤汉蹖嶒灒瑝汉勖娣e在塑性形變時，剛性球?qū)ζ矫嬖嚰鰤汉蹖嶒?，壓痕面積為為A，則，則根據(jù)彈性力學(xué)，理想光滑性球與平面接觸，接觸力根據(jù)彈性力學(xué)，理想光滑性球與平面接觸，接觸力F與接觸半與接觸半徑徑a的關(guān)系為的關(guān)系為)194(2aHHAF式中，H材料的布氏硬度； a壓痕口半徑。4.4.3 接觸壓力接觸壓力 在0.31之間，接觸面越光滑，越接近1。在塑性變形下，接觸面半徑 a 與接觸壓力 F 的平方根成正比?？紤]有一部分彈性變形加一修正系數(shù)考慮有一部分彈性變形加一修正系數(shù) )204(2 HaF理想球與平面接觸，接觸半徑理想球與平面接觸，接觸半徑a與接觸力與接

32、觸力F的關(guān)系為的關(guān)系為)214( mFa若認(rèn)為若認(rèn)為nap=a，把膜的影響考慮到收縮電阻中去，則把膜的影響考慮到收縮電阻中去，則)234()102.0()224(-j-jmmFKRFR接觸壓力接觸壓力FR1jFR1j7.0j1FR 面 點 線有時可采用多對觸頭并聯(lián)有時可采用多對觸頭并聯(lián)的方法減小的方法減小RjHolm實驗曲線分析實驗曲線分析虛線：氧化后的表面；實線：潔凈的導(dǎo)體表面當(dāng)Rj和F用對數(shù)坐標(biāo)后，Rj與F的關(guān)系近似一條直線；材料的及材料的布氏硬度H越大，表面氧化，曲線越高，K值越大；壓力越大，膜的影響越小。交叉棒接觸比平板接觸的曲線要平4.4.4 接觸表面加工情況接觸表面加工情況 接觸表

33、面可以是粗加工，也可以是精加工。 加工精度對接觸電阻有一定影響，它表現(xiàn)在接觸點數(shù)的多少不同。 實踐表明，過于精細(xì)的表面加工對于降低接觸電阻未必是有利的，表43可以說明這一點。4.5 接觸區(qū)域的熱效應(yīng)接觸區(qū)域的熱效應(yīng)4.5.1 理論理論 根據(jù)接觸面附近電流收縮的物理圖景，可以對接觸面附近的接觸面附近的溫度分布情況作定性分析：溫度分布情況作定性分析： 當(dāng)電流流過導(dǎo)電斑點電流流過導(dǎo)電斑點時，電流線發(fā)生收縮電流線發(fā)生收縮，電流密度相應(yīng)電流密度相應(yīng)增大增大。在導(dǎo)電斑點上，電流線收縮達到極限，電流密度最大。 由于轉(zhuǎn)化為熱量的功率損耗與電流密度的平方成正比，電流線越收縮，電流密度越大，功率損耗將成平方倍地增

34、加功率損耗將成平方倍地增加。如何在已知電流下得到斑點上的最高溫度，以及整個收縮區(qū)中的溫度分布？4.5.1 - 理論理論 通過三維有限元通過三維有限元軟件進行仿真計算；進行仿真計算； 通過經(jīng)典的通過經(jīng)典的 - 理論進行分析理論進行分析 可可借助經(jīng)典借助經(jīng)典 - 理論對導(dǎo)電斑點理論對導(dǎo)電斑點a進行溫升分析。進行溫升分析。 設(shè)兩接觸元件的材料相同，且都是均勻的；其電阻率和熱導(dǎo)率都與溫度有關(guān)。 設(shè)斑點形狀為圓點，半徑為a，電位為零，其上電位為0（=0），溫度最高=m，為一等位面和等溫面。 如各導(dǎo)體斑點間的熱流-溫度場互不干擾，則只需研究一個斑點一側(cè)收縮區(qū)中的熱流-溫度場。4.5.1 - 理論理論4.5

35、.1 - 理論理論單位時間內(nèi)，半橢球本身的發(fā)熱量為：)244()(2dRdQ在半橢球殼內(nèi)表面邊界上，單位時間的傳入殼內(nèi)的熱量為：)254()(1dndAQ單位時間的由殼內(nèi)傳出的熱量為：)264()(dd2dndAQ4.5.1 - 理論理論在穩(wěn)定的情況下)274(21QQQ 對斑點由遠(yuǎn)及近分析：先忽略高階無限小并積分，積分上下限分別?。?， ：m ，于是有)284(21dm2當(dāng)積分上下限由斑點a到整個收縮區(qū)外邊界時，有：)294(8)2(21d22jjmUU它是收縮區(qū)中電位與溫度之間的一般關(guān)系表達式，是分析電接觸熱問題的基礎(chǔ)。 （Uj為接觸電壓降）4.5.1 - 理論理論)294(8)2(21d

36、22jjmUU、是溫度的函數(shù)，為簡化積分，取（ ）的平均值 ，令其與溫度無關(guān)，則)304(8)(2mjU或)314(8)(2mjU斑點a超出收縮外導(dǎo)體的溫度m 與接觸電壓降Uj 的平方成正比，與材料的熱導(dǎo)率和電阻率的乘積的平均值成反比。4.5.1 - 理論理論 由魏得曼由魏得曼-弗朗茲定律得：弗朗茲定律得： 任何純金屬材料從理論上講它的熱導(dǎo)率任何純金屬材料從理論上講它的熱導(dǎo)率 和電阻率和電阻率 的乘積與的乘積與溫度溫度T成線性關(guān)系：成線性關(guān)系： )324 ( LT將此定律代入（4-29）可得)334(412202mjULTT4.5.1 - 理論理論計算出斑點a上的溫度后，即可分析收縮區(qū)內(nèi)沿?zé)崃?/p>

37、方向的溫度分布。根據(jù)式（4-28）及式（4-29），用平均值 代替，設(shè)0=0，積分后將兩式相除，可得)354(-21mm2jU4.5.1 - 理論理論因接觸元件一邊的收縮電阻 ，斑點a到之間的收縮電阻 ，I為流過接觸元件的電流，則IURjs21IRs)364(121m2ss2jRRU令 ，則yxRRmss,)374(12xy可以看出，函數(shù)為一拋物線，如圖所示，表示收縮區(qū)中溫度分布的一般情況。4.5.1 - 理論理論電流通過電接觸收縮區(qū)，由于溫度升高，電阻溫度系數(shù)對收電流通過電接觸收縮區(qū)，由于溫度升高，電阻溫度系數(shù)對收縮電阻會有影響，特別是當(dāng)通過電流很大時，這種影響不能縮電阻會有影響，特別是當(dāng)通

38、過電流很大時，這種影響不能忽略。忽略。對于均勻截面的導(dǎo)體，電阻與溫度之間的關(guān)系近似為對于均勻截面的導(dǎo)體，電阻與溫度之間的關(guān)系近似為)384()1 (0RR在電接觸的收縮區(qū)域中，由于電流發(fā)生收縮，有效接觸面積在電接觸的收縮區(qū)域中，由于電流發(fā)生收縮，有效接觸面積不斷減少，同時溫度分布也不均勻，斑點不斷減少，同時溫度分布也不均勻，斑點a區(qū)內(nèi)高，收縮區(qū)外區(qū)內(nèi)高，收縮區(qū)外低。低。對稱接觸的熱收縮電阻對稱接觸的熱收縮電阻Rs與斑點與斑點a溫度溫度m之間關(guān)系為之間關(guān)系為)394()1 (ms0ssRRs與均勻?qū)w的電阻溫度系數(shù)之間關(guān)系為)404(32s4.5.2 Rj( )特性特性清潔的交叉銅棒典型Rj (

39、 )特性?？蓪⒔佑|電壓換算成斑點a的溫度m。研究研究Rj( )特性的意義特性的意義u 研究各種材料的Rj( )特性以及軟化和熔化電壓有很重要的實用意義。如果已知材料的軟化電壓和熔化電壓，就可估算觸頭不發(fā)生融焊的最大通過電流，或估算Rj的上限，并以此為依據(jù)確定觸頭的其它參數(shù)。u 觸頭溫升計算可參見教材2.5節(jié)典型電器溫升計算，或采用三維有限元分析軟件計算。接觸電阻與溫度關(guān)系接觸電阻與溫度關(guān)系u 接觸電阻與溫度的關(guān)系是一個惡性循環(huán)的關(guān)系，接觸區(qū)接觸區(qū)域的接觸電阻越大，接觸區(qū)域的溫升越高，溫升越高觸域的接觸電阻越大，接觸區(qū)域的溫升越高，溫升越高觸頭區(qū)域的接觸區(qū)域越大，反過來溫升更高。頭區(qū)域的接觸區(qū)域

40、越大，反過來溫升更高。u為保護觸頭工作可靠，在長期工作過程中，必須保證觸頭觸頭接觸電阻長期穩(wěn)定。接觸電阻長期穩(wěn)定。4.6 觸頭的振動與熔焊觸頭的振動與熔焊4.6.1 觸頭的振動與彈跳觸頭的振動與彈跳 接觸器在工作過程中，動鐵心通過支架帶動動觸頭完成閉接觸器在工作過程中，動鐵心通過支架帶動動觸頭完成閉合與分?jǐn)鄤幼?。合與分?jǐn)鄤幼鳌?觸頭在閉合過程中，將產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象觸頭在閉合過程中，將產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象觸頭的機械振動觸頭的機械振動 危害：危害：觸頭的機械振動時接觸電阻周期地增大，甚至分離產(chǎn)生電弧，使觸頭熔焊和燒損，嚴(yán)重影響觸頭工作。觸頭振動的物理過程和影響分析觸頭振動的物理過程和影響分析 以第一類觸頭結(jié)構(gòu)

41、為例以第一類觸頭結(jié)構(gòu)為例觸頭振動物理過程圖解觸頭振動物理過程圖解觸頭彈簧的自由長度為l，預(yù)壓縮長度為l0；觸頭最大變形xd，動觸頭反跳的最大距離xm1、第一次碰撞和反跳：見圖。 2、 動觸頭在彈簧張力作用下，發(fā)生第二次、第三次的碰撞和反彈。觸頭振動的物理過程和影響分析觸頭振動的物理過程和影響分析 以第一類觸頭結(jié)構(gòu)為例以第一類觸頭結(jié)構(gòu)為例觸頭的振動過程：觸頭的振動過程：用動觸頭碰撞運動彈開距離與時間來表示。由于在碰撞過程中總有能量損失，振動將逐漸衰減，如圖。1、2、3段：段：觸頭尚在壓縮變形和逐步恢復(fù)過程中，壓縮距離x=xd動靜觸頭仍處于接觸狀態(tài)，相對分開距離為0。觸頭振動的物理過程和影響分析觸

42、頭振動的物理過程和影響分析 以第一類觸頭結(jié)構(gòu)為例以第一類觸頭結(jié)構(gòu)為例3、4段：段：觸頭變形恢復(fù)完畢，動靜觸頭開始分離。 t=tm，x=xm，兩觸頭相對分離距離達到大； ttm，動觸頭再向靜觸頭運動，又發(fā)生第二次碰撞。 在發(fā)生第三次碰撞后（8點）動靜觸頭反跳距離已經(jīng)小于觸頭變形距離，觸頭雖仍有振動，但不再分離。振動結(jié)束振動結(jié)束無危險振動：無危險振動：若觸頭第一次碰撞后反跳的最大距離小于觸頭的變形距離，即xxd，則觸頭雖有振動，但不會分開。4.6.2 觸頭參數(shù)與觸頭彈跳觸頭參數(shù)與觸頭彈跳1、觸頭參數(shù)、觸頭參數(shù)觸頭的開距觸頭的開距觸頭的超程觸頭的超程觸頭的初始壓力觸頭的初始壓力觸頭的終壓力觸頭的終壓

43、力觸頭參數(shù)觸頭參數(shù)觸頭的開距觸頭的開距能夠可靠斷開規(guī)定容量電弧的動靜觸頭之間的最短距能夠可靠斷開規(guī)定容量電弧的動靜觸頭之間的最短距離，即開關(guān)電器動觸頭與靜觸頭打開后的距離。離，即開關(guān)電器動觸頭與靜觸頭打開后的距離。 其與開斷容量、電流種類、滅弧措施、觸頭材料、負(fù)載其與開斷容量、電流種類、滅弧措施、觸頭材料、負(fù)載等諸多因素有關(guān)，尤其要注意最難熄弧區(qū)的影響。等諸多因素有關(guān)，尤其要注意最難熄弧區(qū)的影響。觸頭參數(shù)觸頭參數(shù)觸頭的超程觸頭的超程指動、靜觸頭接觸后機構(gòu)將繼續(xù)超行程運動，超出動、指動、靜觸頭接觸后機構(gòu)將繼續(xù)超行程運動，超出動、靜觸頭位置的部分。靜觸頭位置的部分。超程的作用：超程的作用： 保證觸

44、頭在電磨損后仍能保持一定的接觸壓力；保證觸頭在電磨損后仍能保持一定的接觸壓力； 觸頭閉合時能利用觸頭彈簧緩沖，減小彈跳；觸頭閉合時能利用觸頭彈簧緩沖，減小彈跳； 在觸頭分閘時，使動觸頭獲得一定的初始動能，拉斷熔在觸頭分閘時，使動觸頭獲得一定的初始動能，拉斷熔焊點，提高初始分閘速度，減小燃弧時間，從而提高介焊點，提高初始分閘速度，減小燃弧時間，從而提高介質(zhì)恢復(fù)的速度。質(zhì)恢復(fù)的速度。觸頭參數(shù)觸頭參數(shù)觸頭的初始壓力觸頭的初始壓力觸頭彈簧的預(yù)壓縮力，根據(jù)前面分析，合力的預(yù)壓縮觸頭彈簧的預(yù)壓縮力，根據(jù)前面分析，合力的預(yù)壓縮力可以減少觸頭閉合過程產(chǎn)生的觸頭彈跳現(xiàn)象。力可以減少觸頭閉合過程產(chǎn)生的觸頭彈跳現(xiàn)象

45、。觸頭參數(shù)觸頭參數(shù)觸頭的終壓力觸頭的終壓力動、靜觸頭閉合以后觸頭之間的壓力。動、靜觸頭閉合以后觸頭之間的壓力。 為了保證觸頭接觸良好，必須有足夠的接觸壓力。為了保證觸頭接觸良好，必須有足夠的接觸壓力。 超程也可以認(rèn)為是開關(guān)動、靜觸頭接觸后，觸頭彈簧的超程也可以認(rèn)為是開關(guān)動、靜觸頭接觸后，觸頭彈簧的壓縮行程，具有保證接觸壓力的功效，從而保證了開關(guān)壓縮行程，具有保證接觸壓力的功效，從而保證了開關(guān)的良好接觸。的良好接觸。 對于大多數(shù)采用面接觸接觸形式的真空開關(guān)，動、靜觸對于大多數(shù)采用面接觸接觸形式的真空開關(guān)，動、靜觸頭之間的接觸壓力不能太小頭之間的接觸壓力不能太小2、觸頭彈跳、觸頭彈跳 動靜觸頭之間的彈跳稱為觸頭系統(tǒng)的一次彈跳。動靜觸頭之間的彈跳稱為觸頭系統(tǒng)的一次彈跳。