第六章電接觸理論選編課件

電器理論基礎

FundamentalsofElectricalApparatus電氣與控制工程學院王智勇2023/6/6第六章電接觸理論2第六章電接觸理論本章教學目的與要求：掌握接觸電阻的理論和計算，熟悉各種電接觸，了解電接觸內(nèi)表面的物理圖景；掌握接觸點最高溫升的計算，了解觸頭閉合過程的振動；掌握觸頭間的電動斥力、熔焊與焊接力，熟悉觸頭材料，了解觸頭質量的轉移與磨損；通過本章的學習，學生應掌握電器開關中接觸電阻所涉及的因素，電器設計中接觸點最高溫升的計算，如何降低觸頭閉合過程中的振動。2023/6/6第六章電接觸理論3第六章電接觸理論本章教學重點與難點：接觸電阻的理論和計算；接觸點最高溫升的計算；斑點的溫度θm和接觸電阻Rj的大小。本章教學基本內(nèi)容：概述電接觸內(nèi)表面的物理圖景接觸電阻的理論和計算ψ-θ理論和接觸電壓觸頭閉合過程的振動分析觸頭間的電動斥力觸頭熔焊與焊接力觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論4第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論5§6-1概述電接觸（ElectricalContact）電流從一個導體傳向另一個導體，導體間的接觸處稱為電接觸電接觸的類型固定接觸滾動和滑動接觸可分、合接觸2023/6/6第六章電接觸理論6§6-1概述電接觸的類型固定接觸滾動和滑動接觸可分、合接觸可分、合接觸的工作條件最苛刻，對其要求也最高閉合狀態(tài)：局部發(fā)熱分斷、關合：產(chǎn)生電弧、觸頭燒蝕、觸頭材料損失、熔焊2023/6/6第六章電接觸理論7§6-1概述對電接觸的要求長期通過額定電流時，溫升不超過國家標準規(guī)定的數(shù)值，而且溫升長期保持穩(wěn)定短時通過短路電流或脈沖電流時，不發(fā)生熔焊或松弛主要研究內(nèi)容接觸電阻溫升熔焊觸頭材料損失可分、合接觸在開斷過程中，觸頭材料損失應盡量小可分、合接觸在閉合過程中，接觸處不應發(fā)生不能斷開的熔焊，且觸頭表面不應有嚴重的損傷或變形2023/6/6第六章電接觸理論8第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論9§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景電接觸宏觀平坦光滑微觀凸凹不平電接觸的表面狀況與材料、加工方法、工藝有關2023/6/6第六章電接觸理論10§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景電接觸的物理過程視在接觸面積（大）實際接觸面積（很小）接觸點壓強（很大）實際接觸面積接觸點壓強氧化膜破裂導電斑點平衡視在接觸面積實際接觸面積導電斑點面積>>>>2023/6/6第六章電接觸理論11第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論12§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）電接觸處存在的附加電阻產(chǎn)生接觸電阻的原因視在接觸面導電斑點導電膜電流線收縮電流路徑導電截面膜電阻收縮電阻接觸電阻2023/6/6第六章電接觸理論13§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）實質一個接觸元件的收縮電阻由電流線收縮而形成的附加電阻稱為收縮電阻若實際接觸面之間的薄膜能導電，則當電流通過薄膜時有另一附加電阻，稱膜電阻接觸電阻一般包含三個部分接觸面間的膜電阻另一個接觸元件的收縮電阻2023/6/6第六章電接觸理論14§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）接觸電阻一般包含三個部分收縮電阻對孤立導電斑點，總收縮電阻理論公式為收縮電阻的物理意義：收縮電阻的本質就是金屬電阻，其大小與接觸元件材料的電阻率成正比，與導電斑點的直徑成反比n個并聯(lián)導電斑點的收縮電阻導電斑點之間沒有影響接觸元件材料的電阻率導電斑點的半徑n個導電斑點半徑的平均值2023/6/6第六章電接觸理論15§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）接觸電阻一般包含三個部分表面膜清潔的金屬表面吸附一層氣體，其中的氧氣或其他活潑氣體常與反應生成表面膜表面膜的類型絕緣膜：厚10-8~10-9m，如金屬表面氧化膜，顏色灰暗，又稱為暗膜導電膜：厚度極薄、厚度為10-10m，電子可借“隧道效應”透過薄膜而導電，又稱為吸附膜面電阻率：Ω·m22023/6/6第六章電接觸理論16§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）接觸電阻一般包含三個部分表面膜金表面無暗膜，只有吸附膜。這種膜極易隧道導電，在電子設備中大量使用銀不易氧化，但大氣中有臭氧存在時，氧化成Ag2O（易于清除，且在200?С時即分解），大量用于觸頭材料銅在空氣中會由吸附膜發(fā)展為氧化暗膜2023/6/6第六章電接觸理論17§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）對于電接觸，最關于的是膜的導電性和是否易于破壞設電子透過勢壘形成的電流密度為J，接觸面之間的電壓為U膜的隧道電阻率（面電阻率）膜電阻n個并聯(lián)導電斑點的膜電阻絕緣膜的破壞電的方法：擊穿、熔解機械的方法：擠壓、滾滑、碰撞2023/6/6第六章電接觸理論18§6-3接觸電阻的理論和計算接觸電阻（Rj）單個導電斑點的接觸電阻n和ap與接觸力F有關n個并聯(lián)導電斑點的接觸電阻經(jīng)驗公式與接觸形式有關點接觸線接觸面接觸m增大與材料的電阻率和硬度有關2023/6/6第六章電接觸理論19第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論20§6-4ψ-θ理論和接觸電壓由于接觸電阻的存在，電流通過時，接觸處的溫度最高單位體積的發(fā)熱功率：電接觸區(qū)域的散熱接觸內(nèi)表面氣隙很小，對流的作用可忽略空氣的熱導率很小，熱傳導可忽略電接觸處絕對溫度不高，輻射可忽略電流收縮區(qū)的熱量只能通過兩接觸元件傳導出去關心的問題？在一定的電流下，斑點的最高溫度以及收縮區(qū)的溫度分布直流測量的難點接觸導電斑點尺寸非常小，且分布于接觸內(nèi)表面之中ψ-θ理論：給出了接觸壓降與接觸點溫度的關系2023/6/6第六章電接觸理論21§6-4ψ-θ理論和接觸電壓在ψ-θ相同的邊界條件下，兩接觸元件收縮區(qū)中熱流（溫度場）與電流（電位場）完全重合求解原理：導電（導熱）薄層中的能量平衡方程2023/6/6第六章電接觸理論22§6-4ψ-θ理論和接觸電壓在ψ，θ相同的邊界條件下，兩接觸元件收縮區(qū)中熱流（溫度場）與電流（電位場）完全重合求解原理：導電（導熱）薄層中的能量平衡方程θm：導電斑點溫度θ0：收縮區(qū)外導體溫度

Uj:接觸電壓降λ：熱導率（溫度的函數(shù)）ρ：電阻率（溫度的函數(shù)）測得θ0，Ｕj即可求得斑點溫度θm2023/6/6第六章電接觸理論23§6-4ψ-θ理論和接觸電壓在ψ，θ相同的邊界條件下，兩接觸元件收縮區(qū)中熱流（溫度場）與電流（電位場）完全重合求解原理：導電（導熱）薄層中的能量平衡方程θm：導電斑點溫度θ0：收縮區(qū)外導體溫度

Uj:接觸電壓降λ：熱導率（溫度的函數(shù)）ρ：電阻率（溫度的函數(shù)）測得θ0，Ｕj即可求得斑點溫度θm但λ、ρ的平均值一般很難得到可利用魏德曼弗朗茲（Wiede-Mann-Franz）定律2023/6/6第六章電接觸理論24§6-4ψ-θ理論和接觸電壓魏德曼弗朗茲（Wiede-Mann-Franz）定律求解原理：導電（導熱）薄層中的能量平衡方程任何純金屬材料在理論上λρ與溫度T成線性關系L:洛侖茲（Lorenz）系數(shù)，與金屬材料的種類和溫度都無關，理論值為在Tm遠大于Ｔ0時：接觸電壓是反映斑點溫度的主要參量2023/6/6第六章電接觸理論25§6-4ψ-θ理論和接觸電壓電接觸的Ｒj-Uj靜特性直流穩(wěn)態(tài)電流下，改變I，保持I不變，測量接觸電壓和電流，所得到的接觸電阻Rj=Uj/I與接觸電壓Uj之間的關系清潔交叉銅棒接觸的靜特性2023/6/6第六章電接觸理論26§6-4ψ-θ理論和接觸電壓電接觸的Ｒj-Uj靜特性abIUjTaRj曲線上升b點軟化點銅的軟化電壓：0.12Ｖ對應的軟化溫度：180?C清潔交叉銅棒接觸的靜特性軟化點對應的接觸電壓稱為接觸材料的軟化電壓2023/6/6第六章電接觸理論27§6-4ψ-θ理論和接觸電壓電接觸的Ｒj-Uj靜特性b點軟化點bc接觸面積很快擴大Rj顯著減小cdIUjTaRj曲線上升清潔交叉銅棒接觸的靜特性材料達到軟化點后一段溫度范圍內(nèi)機械強度不再減小，接觸斑點不再擴大2023/6/6第六章電接觸理論28§6-4ψ-θ理論和接觸電壓電接觸的Ｒj-Uj靜特性cdIUjTaRj曲線上升d點熔點銅的熔化電壓：0.43Ｖ對應的熔化溫度：1083?C清潔交叉銅棒接觸的靜特性熔點對應的接觸電壓稱為接觸材料的熔化電壓2023/6/6第六章電接觸理論29§6-4ψ-θ理論和接觸電壓電接觸的Ｒj-Uj靜特性d點熔點de斑點金屬熔為一體Rj顯著減小ef斑點熔化Rj減小發(fā)熱減小熱傳導增強溫度降低、凝固清潔交叉銅棒接觸的靜特性2023/6/6第六章電接觸理論30§6-4ψ-θ理論和接觸電壓電接觸的Ｒj-Uj靜特性d點熔點b點軟化點實用意義清潔交叉銅棒接觸的靜特性若已知材料的軟化電壓和熔化電壓，就可估計觸頭不發(fā)生熔焊的最大允許通過的電流2023/6/6第六章電接觸理論31第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論32§6-5觸頭閉合過程的振動分析觸頭在閉合過程中會產(chǎn)生彈跳（Bounce），稱為觸頭的機械振動（Vibration）接觸電阻周期性地增大，甚至分離產(chǎn)生電弧，使觸頭熔焊和燒損觸頭振動的危害動觸頭裝有彈簧，靜觸頭剛性聯(lián)接電器中觸頭結構的分類靜觸頭裝有彈簧，動觸頭剛性聯(lián)接動、靜觸頭都裝有彈簧2023/6/6第六章電接觸理論33§6-5觸頭閉合過程的振動分析以第一類觸頭結構為例彈簧的作用施加觸頭壓力提高剛分速度減小觸頭彈跳2023/6/6第六章電接觸理論34§6-5觸頭閉合過程的振動分析以第一類觸頭結構為例達到最大反跳距離動觸頭向下運動達到最大變形動觸頭開始反彈碰撞瞬間觸頭開始發(fā)生變形彈性塑性可恢復不可恢復2023/6/6第六章電接觸理論35§6-5觸頭閉合過程的振動分析以第一類觸頭結構為例動觸頭運動碰撞（變形）反跳減小觸頭彈跳彈簧壓縮彈簧壓力消耗能量反跳力<2023/6/6第六章電接觸理論36§6-5觸頭閉合過程的振動分析觸頭振動彈開距離與時間的關系無危險振動：xm<xd關心的問題：縮短xm和tm8點以后觸頭反跳距離小于觸頭的形變距離，雖有振動但不再分離2023/6/6第六章電接觸理論37§6-5觸頭閉合過程的振動分析最大反跳距離碰撞前后能量守恒動觸頭質量：m1反跳初速度：V20塑性變形消耗能量：WA假定碰撞是瞬時的觸頭彈簧預壓長度：l0

彈簧剛度：Ｃ

彈簧預壓力：F0=Cl0ε：觸頭材料的彈性系數(shù)0：理想塑性1：理想彈性Ｋ＝1-ε2：觸頭材料的恢復系數(shù)2023/6/6第六章電接觸理論38§6-5觸頭閉合過程的振動分析最大反跳距離碰撞前求解思路根據(jù)動觸頭反跳過程中的能量守恒動觸頭的初始動能碰撞中損失的能量達到最大反跳時彈簧獲得的勢能2023/6/6第六章電接觸理論39§6-5觸頭閉合過程的振動分析最大反跳距離碰撞前求解思路根據(jù)動觸頭反跳過程中的能量守恒關系動觸頭的初始動能碰撞中損失的能量達到最大反跳時彈簧獲得的勢能結論：提高Ｆ0、Ｃ，減?。?、m1，選用Ｋ接近于１的觸頭材料，即可實現(xiàn)觸頭的無危險振動2023/6/6第六章電接觸理論40第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論41§6-6觸頭間的電動斥力電流通過觸頭，電流線收縮，因而在觸頭間出現(xiàn)電動斥力電動斥力是電流自身磁場作用下的電動力2023/6/6第六章電接觸理論42§6-6觸頭間的電動斥力觸頭間電動斥力的計算簡化模型垂直方向總電動力電動力計算的一般公式回路系數(shù)與截面系數(shù)的乘積：2023/6/6第六章電接觸理論43§6-6觸頭間的電動斥力觸頭間電動斥力的計算垂直方向總電動力導電斑點半徑與接觸壓力的關系每對觸頭所受電動斥力減小為只用一對觸頭時的1/n2大功率電器中，為減小觸頭間電動斥力，常采用多觸頭并聯(lián)結構F：接觸壓力ξ：0.3～1（與彈性變形及觸頭光滑程度有關）H：布氏硬度Ａ：導體的橫截面積2023/6/6第六章電接觸理論44第六章電接觸理論§6-1概述§6-2電接觸內(nèi)表面的物理圖景§6-3接觸電阻的理論和計算§6-4ψ-θ理論和接觸電壓§6-5觸頭閉合過程的振動分析§6-6觸頭間的電動斥力§6-7觸頭熔焊與焊接力§6-8觸頭的質量轉移和磨損2023/6/6第六章電接觸理論45§6-7觸頭熔焊與焊接力靜熔焊僅僅由接觸電阻的發(fā)熱使導電斑點及其附近的金屬熔化而焊接多發(fā)生于固定接觸或觸頭很好地閉合時動熔焊僅僅由接觸電阻的發(fā)熱使導電斑點及其附近的金屬熔化而焊接多發(fā)生于固定接觸或觸頭很好地閉合時一般在短路電流或短時強脈沖電流通過時發(fā)生觸頭熔焊2023/6/6第六章電接觸理論46§6-7觸頭熔焊與焊接力靜熔焊僅僅由接觸電阻的發(fā)熱使導電斑點及其附近的金屬熔化而焊接多發(fā)生于固定接觸或觸頭很好地閉合時動熔焊除接觸電阻的發(fā)熱外，因觸頭振動或觸頭被電動力斥開產(chǎn)生電弧或預擊穿電弧，引起的熔焊多發(fā)生于觸頭閉合過程中或接觸壓力較小的閉合狀態(tài)的觸頭中一般在短路電流或短時強脈沖電流通過時發(fā)生觸頭熔焊2023/6/6第六章電接觸理論47§6-7觸頭熔焊與焊接力觸頭靜熔焊和電流的關系電流通過閉合的觸頭，I由零逐漸增大I觸頭內(nèi)表面斑點剛剛開始熔化，稱為開始熔化電流I導電斑點及附近金屬有較大面積熔化，觸頭開始焊接，稱為開始熔化電流熔化區(qū)向縱深發(fā)展，使觸頭基底金屬熔為一體I電流越大，焊接力越大2023/6/6第六章電接觸理論48§6-7觸頭熔焊與焊接力觸頭靜熔焊和電流的關系開始熔化電流與電流通過觸頭的時間有關當t很短時，Irh很大；t非常小時，Irh急劇變大當t超過一定時間，Irh與t無關斑點區(qū)體積很小，熱時間常數(shù)也很小。當短路電流通過時，可近似按穩(wěn)態(tài)發(fā)熱處理2023/6/6第六章電接觸理論49§6-7觸頭熔焊與焊接力觸頭閉合時產(chǎn)生動熔焊的過程預擊穿預擊穿電弧反跳產(chǎn)生電弧觸頭熔化重新閉合反復幾次…最終閉合觸頭焊接閉合狀態(tài)熔焊靜熔焊與動熔焊的區(qū)別靜熔焊：電阻焊接動熔焊：電弧焊接2023/6/6第六章電接觸理論50§6-7觸頭熔焊與焊接力觸頭焊接力觸頭焊接后拉開觸頭所需的力觸頭焊接力＝焊接處材料的抗拉強度×熔焊面積熔焊面積Aw與觸頭材料電阻率和熔化溫度有關ρRjQ熱損失Aweld熔化溫度Aweld焊接力隨抗拉強度和電阻率的增大而增大，隨熔化溫度升高而減小2023/6/6第六章電接觸理論51§6-7觸頭熔焊與焊接力觸頭焊接力一般具有隨機性，且符合正態(tài)分布，這和接觸表面條件及電弧出現(xiàn)位置的隨機性有關真空中，由于觸頭表面無氧化，熔焊更嚴重常溫下（即使不通電流）觸頭粘結的現(xiàn)象，稱為冷焊。由分子遷移引起，真空尤為明顯2023/6/6第六章電接觸理論52§6-7觸頭熔焊與焊接力減輕觸頭熔焊的方法采用電阻率小，抗拉強度小和熔化溫度高的材料加入少量其它元素，在熔焊面形成脆性相減小觸頭彈跳2023/6/6第六章電接觸理論53第六章電接觸理論