第六章 电接触理论.ppt

电器理论基础-第六章,天津工业大学电气工程与自动化学院电气工程及其自动化专业,电接触：导体与导体之间相互接触（传递电流或电信号）。内容提要电接触的类型与要求接触电阻及其影响因素开关电器的触头电接触材料,第六章电接触理论,教学目的与要求：1、掌握接触电阻的理论和计算，熟悉各种电接触，了解电接触内表面的物理图景；2、掌握接触点最高温升的计算，了解触头闭合过程的振动；3、掌握触头间的电动斥力、熔焊与焊接力，熟悉触头材料，了解触头质量的转移与磨损。,第六章电接触理论,教学基本内容：1、电接触概述；2、电接触内表面的物理图景；3、接触电阻的理论和计算；4、接触导体稳定温升的分布与接触点最高温升的计算；5、触头闭合过程的振动分析；6、触头间的电动斥力;7、触头熔焊与焊接力；8、触头质量的转移与磨损；9、触头材料。,第六章电接触理论,教学重点与难点：1、接触电阻的理论和计算；2、接触点最高温升的计算；3、斑点的温度m和接触电阻Rj的大小。通过本章的学习，学生应掌握电器开关中接触电阻所涉及的因素，电器设计中接触点最高温升的计算，如何降低触头闭合过程中的振动。,第六章电接触理论,讲授内容,6.1电接触的分类和要求6.2接触电阻的理论和计算6-3导电斑点处的温度计算6-4触头闭合过程的振动分析6-5接触导体的稳定稳升分布与接触点最高温升的计算6-6触头间的电动斥力6-7触头熔焊与焊接力68触头的质量转移69电接触材料6.10小结,一、电接触及其可能出现的问题：任一导电系统都有电流流过导体，或是由一个导体通过导体与导体间的接触处传到另一个导体。由电机、电器、自动元件、仪表、计算机等组成的现代化大型复杂电系统，例如通信系统、控制系统，拖动系统、电力系统等，它们所包含的电接触数目往往成千上万。,6-1电接触的分类和要求,1、可能出现的问题：（1）两导体接触后，接触处会出现局部高温，严重时可达接触导体材料的熔点；（2）触头在通断过程中，触头间会产生电弧，其高温使触头表面熔化和气化，使触头材料损失，或导致触头的熔焊。2、主要分析对象：接触电阻、温升、熔焊和磨损等。,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,二、电接触的定义和分类：1、定义：电接触是导体与导体的接触处；也称电接触是2个或n个导体通过机械方式连接，使电流得以通过的状态。2、电接触的分类1：按结构形式不同，分三种。(1)固定电接触：用螺钉、铆钉等将母线与母线固定连接在一起，是既无相对移动也无相对分合的电接触方式。(2）滑动和滚动电接触：触头能作相对滑动和滚动，但不相互分离，它们的相对运动方向与接触表面平行。,6-1电接触的分类和要求,(3)可分、合电接触：定义：可分合电接触又叫触头或触点，是指可随时分开和闭合的电接触，常由动、静触头组成。为防止电弧将主触头烧损，有时是将主、副和弧触头并联在一起使用。触头根据控制电流的大小分为：弱电流触头(几个培以下，如继电器的触头)、中电流触头(几个安培几百个安培，如低压断路器的触头)和强电流触头(几百个安培以上，如高压断路器和部分低压断路器)。,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,触头有关参数和指标：a工作参数(使用条件参数)：UN、IN、工作制、操作频率、通电持续率(即TD)；b触头极数：直流有单极与双极；交流有3、4、5极等；c断口数：单断口和双断口；,6-1电接触的分类和要求,d、结构参数：开距：触头完全断开时，动静触头间的最短距离；超程：当动静触头完全闭合后，移开动(或静)触头后，静(或动)触头将要移动的距离。初压力：动静触头刚刚接触时，每个触头上承受的压力。终压力：动静触头完全闭合后，每个触头上承受的压力。,6-1电接触的分类和要求,e、特性指标：包括容许温升、电动稳定性和动稳定电流和电寿命（在规定的电路参数下，能正常通断规定的负载电流的操作次数）等。上述三种接触型式中，它们共有的工作状态是接触元件闭合接通电流。3、电接触的分类2：按接触面积大小不同，分点、线、面接触三种。,6-1电接触的分类和要求,三、对电接触的主要要求电接触的工作面临:（1）长期工作电流作用；（2）开断与关合过程中的电弧作用。电接触的可靠性:对电器的电接触，特别是可分触头的工作可靠性是很重要的。如果触头的材料、结构或制造质量不好，触头在工作过程中就会发生严重损坏或因电弧而熔焊，电器工作的可靠性就无法保证。,6-1电接触的分类和要求,四、为保证电接触长期稳定而可靠工作，必须做到：1、电接触在长期通过额定电流时，温升不超过国家标准规定的数值，而且温升长期保持稳定；2、电接触在短时通过短路电流或脉冲电流时，接触处不发生熔焊或松弛；3、可分合接触在开断过程中，接触材料损失尽量小；4、可分、合接触在闭合过程中。接触处不应发生不能断开的熔焊，且触头表面不应有严重损伤或变形。,6-1电接触的分类和要求,对于固定接触，滑动或滚动接触，它们的工作性质决定了只有前两项要求。,6-1电接触的分类和要求,五、各类接触器实物图,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,6-1电接触的分类和要求,26,6-2接触电阻的理论和计算,一、电接触内表面物理图景任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平的。如图6-1所示，为几种机械加工后的钢表面轮廓图并与玻璃表面比较。由图可知：不同材料、不同加工方法、不同工艺过程所得到的表面微观状态不相同。,6-2接触电阻的理论和计算,当两金属清洁而粗糙的表面互相接触时，如果两金属材料硬度均为无限大，则无论接触力有多大，材料都不会发生变形。在此情况下，根据几何学上三点构成一平面的原理，两金属表面的实际接触在一起的最多只有三点。但是实际的金属材料硬度不可能无限大，在外力作用下都会发生变形，当施加的力较小时，材料会发生弹性形变（暂时形变）-还可恢复；当施加的力较大时，材料会发生塑性形变（永久形变）-不可恢复。,6-2接触电阻的理论和计算,实际的金属表面加压接触的过程如下：两金属表面开始接触时，有三个起始的实际接触点，由于刚接触时还未发生形变，实际接触面积非常小，接近于零。由于此时接触面压强很大（近似无限大）而发生形变。起始接触点在强大压强下将由弹性形变过渡到塑性形变。在起始接触面受压变形的同时，总实际接触面积扩大，两金属表面未接触部分逐渐互相接近。这样金属表面凸出高度较小的点也会陆续不断接触而出现许多新的实际接触点。由于总的实际接触面不断增大，实际接触面上所受压强不断减小。最后实际接触面产生形变力与外力达到平衡时，实际接触面不再扩大，接触过程到此结束。,6-2接触电阻的理论和计算,空气中放置的普通金属材料，其表面往往会与氧作用，生成一层不导电的氧化膜。当具有氧化膜的两金属表面接触时，实际接触斑点内只有氧化膜破裂的地方才可能形成金属的直接接触，只有金属接触的斑点才能真正导电，称为导电斑点。工程应用中的电接触实际接触点的总面积往往只有整个视在接触面积的千分之几（压力非常强大时，可达到百分之几），而导电斑点的的总面积比实际接触斑点的面积小得多。,6-2接触电阻的理论和计算,二、接触电阻是产生局部高温的原因电流通过两导体点接触的主要现象是接触处出现局部高温。产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻，称之为接触电阻。任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平的，当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点发生了真正的接触，其中仅仅是一小部分金属接触或准金属接触的斑点才能导电。,6-2接触电阻的理论和计算,电流通过两导体电接触处的主要现象是接触处出现局部高温。产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻，称之为接触电阻。,Rj即为导体与导体接触处产生的一附加电阻，这个电阻定义为接触电阻。,6-2接触电阻的理论和计算,导体电阻比接触电阻小得多，工程中可近似认为：Rj=Rab,接触电阻的物理实质是什么呢？电接触学科的奠基人霍尔姆(R.Holm)做了正确的解释。,电接触学科的奠基人霍尔姆(R.Holm)指出：任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平的，当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点(小面)发生了真正的接触，其中仅仅是一小部分金属接触或准金属接触的斑点才能导电.当电流通过这些很小的导电斑点时，电流线必然会发生收缩现象，见下图6-4的示意图。,由于电流线收缩，流过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电截面减小，因而电阻值相应增大。这个因电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻，是构成接触电阻的一个分量。,其次，由于金属表面上有膜的存在，如果实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有另一附加电阻，称膜电阻，它是构成接触电阻的另一个分量。,三、接触电阻的组成：,式中Rb：表面间膜电阻；Rs：收缩电阻。因电流线收缩（图6-4），使流过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电面积减小，故电阻值相应增大而形成。特别地：1、材料相同时，；2、在真空中，0，故。,6-2接触电阻的理论和计算,四、如何减小Rj：1、收缩电阻Rs：1）分析某孤立的圆形、半径为的导电斑点（尺寸只有零点几毫米，甚至几微米的数量级）；2）对a建立收缩物理模型，理论上定量分析。见图6-5。图中细底线表示接触内表面，其中间的一小段粗线代表斑点，共焦点的椭圆壳和圆弧线是等位面，指向的是电流线。,6-2接触电阻的理论和计算,假设：除导电外，其它接触面不导电。设的电位为零，两接触元件收缩区的无限远处电位为(+/-)0.5Uj（Uj用表测得的接触元件两端电压降），则沿电流线方向的等位面将为一系列共焦点的椭圆壳，见图6-5。,6-2接触电阻的理论和计算,接触点：半径为a的圆，触头材料是均质的，接触点上下的导体面积与接触点面积相比可视为是无限大。,6-2接触电阻的理论和计算,难度：a不知,接触面附近的电流线与等位线分布根据电流场与静电场相似的理论，可得接触点的收缩电阻,6-2接触电阻的理论和计算,G、导电媒质中的电导、电导率;C、介质中相同场的电容、介电常数。利用上述关系可以导出收缩点a的总收缩电阻：,41,a的求解接触点有弹性变形也有塑性变形，一般以塑性变形为主。塑性变形的接触硬度H、接触压力F、接触点的半径a之间的关系可用下式表示：,考虑有一部分弹性变形，进行修正（系数）。,6-2接触电阻的理论和计算,影响因素：材料（、H），力（F），n接触形式。,电接触由n个接触点组成，则Rk相当n个Rk1并联，即,每个接触点上的压力为:,6-2接触电阻的理论和计算,2、膜电阻Rb分析：1）吸附现象：当清洁的金属表面暴露于空气中时，金属表面上便吸附着一层气体，其中的氧气和其它活泼气体常与金属表面的的原子起化学反应，产生一层表面膜；2）不同的金属材料在不同的环境下会生出各种不同的表面膜，但从膜的性质来看，表面膜主要有导电膜和绝缘膜。,6-2接触电阻的理论和计算,导电膜的面电阻率很小，厚度极薄。这类膜由“吸附”效应产生，故也叫吸附膜，它的膜薄由电子“隧道效应”导电；绝缘膜电阻率非常大，厚度较大，有氧化物、硫化物、聚合物膜、玻璃状绝缘膜等。,6-2接触电阻的理论和计算,3）金属表面膜的形成：金属表面膜的生长与材料种类、环境介质的情况，以及其它许多复杂的情况有关。以铜和银为例说明金属表面膜的形成：a、以银为例分析：空气：银不易氧化；臭氧：Ag2O，易清除，200即分解；含H2S的空气：在银表面水膜中易生成Ag2S绝缘暗膜，干燥时不易侵蚀银。Ag2S是半导体，近似于绝缘件。,6-2接触电阻的理论和计算,b、以铜为例：空气中，金属材料表面由吸附膜发展成肉眼可见的氧化暗膜，生长规律理论上由氧化速率的抛物线定律决定，但实际的生长规律复杂。图6-6示出几种常见触头材料在某些条件下膜的生长厚度与时间的关系。,6-2接触电阻的理论和计算,共同特点：1、膜的起始生长速度很快，以后减慢并趋于某稳定的生长速度；2、不同材料、不同介质、不同温度对膜的生长影响很大；3、同一材料一定介质下温度是影响膜生长的决定性因素。,6-2接触电阻的理论和计算,小结：膜的生长非常复杂，对于电接触最关心的是膜的导电性和膜的破坏难易程度！,五、膜的导电性问题：1、理论分析：电子具有粒子和波动两重性质，即所谓的“波”、“粒”二相性。由经典理论知：一层绝缘膜，不论厚度如何，电子都不能穿过它而导电。量子力学理论：由电子的“波”的性质，电子能透过薄膜而导电，这个效应叫“隧道效应”。2、“隧道效应”的计算：隧道电阻率（或称膜的面电阻率）：式中U：接触面间的电压；J：电子透过位垒形成的电流密度。,6-2接触电阻的理论和计算,由求膜厚：根据理论计算得到与膜厚的关系见下页图6-7。,6-2接触电阻的理论和计算,3、分析膜电阻Rb：根据膜的面电阻率的定义，单个斑点表面膜所遇到的膜电阻为：n个并联斑点，总的膜电阻为：对于很厚的绝缘膜，电子隧道透过膜的几率非常小，故实际上膜不能导电。,6-2接触电阻的理论和计算,4、绝缘暗膜的击穿：1）半导体特征：如果施加一电压于具有完整的绝缘暗膜的接触面之间，当电压U由0升高，膜电阻由M级下降（但一直保持绝缘状态），但膜电阻随电压升高而下降；U下降，膜电阻上升。2）U上升至某临界值（如5伏），膜被击穿，膜电阻突然消失，接触面之间的电压立即下降到零点几伏的数量级。图6-8表示绝缘膜的这种电击穿过程绝缘暗膜的电击穿过程：实线：加压或减压时，膜处于完好绝缘状态；U0：临界电压。当UU0，膜被击穿，用虚线表示，并最终稳定在终止点（Rz，Uz）。,6-2接触电阻的理论和计算,因膜的击穿与气体介质击穿过程不同，霍尔姆把膜的击穿称之为膜的熔解。,6-2接触电阻的理论和计算,3）膜击穿后，称电压在0.30.5V数量级的为A类熔解；膜击穿后，称电压在0.010.02V数量级的为B类熔解。,5、绝缘暗膜击穿的机理：电方面：（1）电击穿：电场内部电子发射，形成电子云，使金属表面局部加热直至熔化，由于强大静电力作用，液态金属被吸入放电通道而桥接，最后形成金属的电流通路。（2）热击穿：由于膜的不均匀性，使电流集中通过局部电导率较高的点，引起半导体膜的温度升高，电导率增大，又使电流更加集中和加大，以致发生最终的热击穿，被熔化的金属最后引入击穿通道而桥接。,6-2接触电阻的理论和计算,机械方面：在接触元件上施加一定的外力，从而使实际接触面微观凸丘接触处获得极高的应力。当凸丘受压变形时，膜亦随之破裂。或者在两接触面受压的同时，使两表面作相对滚滑，将膜磨碎并剥离。膜的机械破坏要求实际接触面上作用有很高的局部压力，并且边面膜比本体金属应具有大得多的硬度和脆性。为此需要接触表面有一定的粗糙度，使接触斑点有小的接触面积，以获得高的局部接触压力，同时选用适当的接触材料和结构。,6-2接触电阻的理论和计算,因式中的n、ap无法确定，改用F代替。根据弹性力学，理论光滑弹性球与平面接触时，平均半径a与F的关系为，而；E:材料的弹性模量r：球的半径H：材料的硬度,6、计算接触电阻的理论公式：,6-2接触电阻的理论和计算,修正后，式中，是与材料变形有关的参数，0.31。当接触面越光滑，变形为塑性时，接近于1。,6-2接触电阻的理论和计算,由这两式化简，并考虑膜的影响，得工程上计算接触电阻的公式：式中k值：查表6-1；m值：与接触面变形有关；F：接触力。,6-2接触电阻的理论和计算,将上式两端取对数，得知Rj与F的关系为一直线，如下页图6-9。,6-2接触电阻的理论和计算,由直线的截距和斜率可分别求出k值和m值。,【例题】已知触头材料为一镀锡的铜；接触形式为线接触，玫瑰触头有六对触指，每个触指压力为38N。计算玫瑰触头的接触电阻。【解】查表6-1，K=100，线接触，m=0.7，每对触指的接触电阻Rj可由式（624）求得。,玫瑰触头总的接触电阻R为六个Rj的并联值，即,6-2接触电阻的理论和计算,一、-：根据接触面附近电流收缩的实景可知：在导电斑点上，电流收缩达到极限，电流密度最大，功率成平方规律增大。散热方面由于接触气隙很小，不能与外界形成对流；同时空气的导热率很小，传热能力极差；基本不存在辐射，故a点温度最高，而离开a越远温度越低。由于a点面积极小，因此测量a点温度及其附近温度分布非常空难，必须在理论上寻找一种间接方法。-理论的创立为解决这一问题提供了理论基础。,6-3导电斑点处的温度计算,-：是指导电斑点附近的电位-温度最终将温度T与电压U联系在一起。二、接触面附近的温度分布的定性分布：发热功率与电流密度的平方成正比。导电斑点处的电流密度最大，故产生大量热量。导电斑点处传热面积最小、散热最差。由、知：已知电流下的斑点处的温度最高。,6-3导电斑点处的温度计算,三、实际测斑点温度困难，引入-理论以确定斑点最高温度及其附近温度分布：1、求斑点的温度：-理论：已知电流值i，求斑点上的最高温度及整个收缩区中的温度分布？设两接触元件的材料相同，且都是均匀的；其电阻率和热导率都与温度有关。,6-3导电斑点处的温度计算,设斑点形状为圆点，半径为a，电位为零，温度最高=m，为一等位面和等温面。在相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流-温度场与电流-电位场完全重合，且接触面两边的场对称，故两收缩区中没有热量从一个元件流向另一个。,6-3导电斑点处的温度计算,如各导体斑点间的热流-温度场互不干扰，则只需研究一个斑点一侧收缩区中的热流-温度场。参考右图6-10。令斑点a平面上=0，=m，收缩区中任一等位面上=，=，收缩区外=1/2Uj(Uj为接触电压降)，=0。壳内表面电位为，温度为，壳外表面的电位为+d,温度为+d。单位时间内，半椭球本身的发热量为：d:半椭球壳内表面的电压降dR:半椭球壳内表面的电阻,6-3导电斑点处的温度计算,在半椭球壳内表面边界上，单位时间的传入壳内的热量为：在半椭球壳内表面边界上，单位时间的传出壳内的热量为：利用稳定情况下的热平衡式：Q+Q1=Q2。,6-3导电斑点处的温度计算,对斑点由远及近分析：先忽略高阶无限小并积分，积分上下限分别取：由到零，由到m，其中（，）为收缩区任一等位面的电位和温度。由上面公式得：它是收缩区中电位与温度之间的一般关系表达式，是分析电接触热问题的基础。,6-3导电斑点处的温度计算,当积分上下限由斑点a到整个收缩区外边界时，有：（Uj为接触电压降）式中、是温度的函数，为简化积分，取（）的平均值，令其与温度无关，则得：或式中m是斑点a超出收缩区外导体的温度。,6-3导电斑点处的温度计算,由可知：斑点a超出收缩外导体的温度与接触电压降Uj的平方成正比，与材料的热导率和电阻率的乘积的平均值成反比。,6-3导电斑点处的温度计算,由魏得曼-弗朗兹定律得：任何纯金属材料从理论上讲它的热导率和电阻率的乘积与温度T成线性关系：=LT。式中L：罗伦兹系数，其值与金属材料的种类和温度都无关，其理论值为：代入到下式：可得到：,63导电斑点处的温度计算,当TmT0时，得：Tm3200Uj。由此得出斑点a的温度与接触电压间的简单数值关系。说明：Uj是反映斑点a温度的重要参量，有重要意义。,63导电斑点处的温度计算,四、电接触下的Rj-Uj特性关系1、定义：在直流稳态电流下，分别调不同的I值，待稳定后测出Uj，由Rj=Uj/I，得Rj，即得RjUj静特性。因Uj对应一个m，故由上式可得Rjm特性。,63导电斑点处的温度计算,2、特性曲线分析：清洁的交叉铜棒（主要考虑收缩电阻）。由图可见整个特性曲线可分为五个阶段：第一段（ab段）：当通过电接触的电流增大时，接触电压和相应的斑点a温度增高。接触电阻随温度增高而变大。第二段（bc段）：当接触电压和相应的斑点a温度达到b点（材料的软化点）时，由于机械强度大大减小，实际接触面很快扩大，接触电阻便显著减小。,63导电斑点处的温度计算,2、特性曲线分析：清洁的交叉铜棒（主要考虑收缩电阻）。由图可见整个特性曲线可分为五个阶段：第三段（cd段）：当曲线达到c点继续增大电流，斑点a及收缩区的温度继续增高，但由于材料达软化点以后一段温度范围内机械强度不在减小，实际接触面不再继续扩大。如ab段一样：接触电阻随温度增高而变大。,63导电斑点处的温度计算,2、特性曲线分析：清洁的交叉铜棒（主要考虑收缩电阻）。由图可见整个特性曲线可分为五个阶段：第四段（de段）：当接触电压和相应的斑点a温度达到d点（材料的熔点）时，斑点a材料熔化，熔化的金属在外力作用下被挤压向四周漫延，接触电阻便突然下降到e点。第五段（ef段）：斑点a熔化后，接触电阻突然减小，由于发热减小，热传导能力增强，斑点a处熔化金属迅速冷却凝固，整个收缩区温度逐渐降低，曲线沿ef段下降至f点。,63导电斑点处的温度计算,五、意义：研究各种材料的由材料的RjUj特性以及软化和熔化电压有很重要的实用意义。如果已知材料的软化电压和熔化电压，可推算不发生融焊的最大通过电流，或估计Rj的上限，并以此为依据确定触头的其它参数。某些触头材料的软化、熔化、沸腾电压见表6-2,63导电斑点处的温度计算,6-4触头闭合过程的振动分析,一、触头的振动过程：因有触头弹簧触头会产生类似的弹跳，称为触头的机械振动。在此过程中，Rj会周期性增大，分离时有电弧，使触头烧损和熔焊，从而影响触头工作。二、电器触头的三种结构：第1类在动触头边装弹簧，静触头为刚性连接；第2类在静触头边装弹簧，动触头为刚性连接；第3类在动、静触头边都装有弹簧。,三、本讲介绍第一类情况下的振动物理过程和影响因素1、第一次碰撞和反跳：见图6-14。2、动触头在弹簧张力作用下，发生第二次、第三次的碰撞和反弹。,6-4触头闭合过程的振动分析,四、碰撞图示：1、图6-15触头振动弹开距离与时间的关系图6-16触头振动示波图,6-4触头闭合过程的振动分析,如果触头第一次碰撞后反跳的最大距离xm小于触头的变形距离xd，则触头虽有振动但不分离，这种状态下的振动我们称之为无危险振动,6-4触头闭合过程的振动分析,2、第一次碰撞后动触头反弹的最大距离xm的计算：（1）原则：碰撞前后的能量守恒，即碰前动能等于碰后的动能加上塑变消耗的能量（WA）。（2）xm：动触头第一次反弹能达到的最大距离。式中：l0:弹簧的预压长度；K：触头材料的恢复系数，理想的弹性体K=0，理想的塑性体K=1;C:弹簧常数；,6-4触头闭合过程的振动分析,3、动触头达到xm的时间tm：设动触头反跳速度随时间变化的关系为直线关系。代入触头初压力F0，得：式中v1：动触头闭合速度；m1：动触头质量；c：弹簧刚度；k：触头材料恢复速度。,6-4触头闭合过程的振动分析,五、结论：由上式结果表明：第一次碰撞后动触头反弹的最大距离xm与动触头的闭合速度v1、动触头质量m1、弹簧刚度C、触头预压力F0、触头材料恢复系数K等有关。如果采用较大的触头压力、刚度较大的触头弹簧，减小动触头闭合速度，减轻动触头质量，选K接近于1的触头材料，即可实现触头的无危险振动。,6-4触头闭合过程的振动分析,6-5接触导体的稳定稳升分布与接触点最高温升的计算,一、接触导体的稳定温升分布：两根同材料、同截面的均质圆主柱形导体互相对接，接触面内有一圆形导电斑点，流过一稳定电流。二、假定:接触点附近收缩区这一小段导体外表面并不散热。接触电阻热损失向接触点两边导体各传一半。如图6-13所示为温度分布模型。,三、在收缩区外，沿导体轴向的任意横截面积上电位和温度相等，故收缩区外导体中的温度分布是一维场问题。图6-13中，令收缩区边界（即接触面接触点）为直角坐标系的原点，导体轴线与x轴平行。在距离原点x处取一小段dx。收缩区外导体的温度分布的解为：式中：KT为散热系数；A和p分别为导体的截面和周长；为导体材料的导热率；：x=0处（即收缩区边界）的导体温升，其大小为：,6-5接触导体的稳定稳升分布与接触点最高温升的计算,函数的指数系数；，为离接触点x=处导体的温升。由叠加定律，接触内表面斑点a的最高温升为斑点a的超温（即斑点a超出收缩区外导体的温度）与收缩区边界温升之和，即：（收缩区超温）（导体本身的温升）（接触电阻损耗产生的温升）,6-5接触导体的稳定稳升分布与接触点最高温升的计算,6-6触头间的电动斥力,一、触头间产生电动斥力的原因：电流线在接触面附近发生收缩，从而在由左手定则，知触头间将出现电动斥力。,6-6触头间的电动斥力,二、定量分析：导体为非磁性材料，周围为空气或其他非导磁或非导电介质。假定：（1）接触内表面中只有一个导电斑点，或认为全部导电斑点集中在中心形成一个大的导电斑点；（2）导电斑点是一个超导小球，为一等位体；（3）收缩区中的等位面为与超导小球同心的圆球面，电流线成为一系列通过超导下球球心的辐射状直线。,6-6触头间的电动斥力,离超导小球中心r处的无限小段dr处的磁场强度H为：设流过导体元da中的电流为dI，则dr环受到的电动力的大小为：方向：左手定则，垂直于dr。,6-6触头间的电动斥力,整个收缩区导体在垂直方向（水平方向分力互相抵消）所受电动力总和为：式中B：圆柱体接触导体的截面半径；b：导电斑点超导小球的半径。将b转换为接触力F后，得：,6-6触头间的电动斥力,在大功率电器中，为了减小触头间的电动斥力，采用多触头并联结构减小各并联触头的电流，则每个触头间的电动力就会减小。,6-6触头间的电动斥力,6-7触头熔焊与焊接力,一、熔焊：1、静熔焊：是电阻熔焊，原因是导电斑点及其附近因存在电阻的发热，导致触头熔焊。2、动熔焊：是电弧熔焊。是由于电弧高温作用，使触头表面金属熔化和气化，导致触头熔焊。它由短路或短时大电流产生。而且多半是触头闭合过程中或接触力较小的闭合状态触头出现的。,二、分析：1、第1类：静熔焊。1）与电流的关系：,6-7触头熔焊与焊接力,2）开始熔化电流与通电时间关系：图6-21：一对面接触的铜触头，不同t对应的开始熔化电流，与F有关，数据由实验测得。,6-7触头熔焊与焊接力,由图可知：当电流时间很短（小于1s）时，开始熔化电流很大，而且时间越短电流急剧变大。当时间超过1s时，开始熔化电流不在增大，表现出与时间无关。为什么呢？,2、第2类：动熔焊。见下图6-22动熔焊过程图解（时间只有几毫秒）。,6-7触头熔焊与焊接力,触头闭合接近接触时，因触头间作用有线路电压，间隙可能被击穿而产生短时电弧。触头一旦接触电弧熄灭，电流导通，接触电阻由无限大降到很小，这段期间主要是电阻发热。当两触头接触面又开始分离产生电弧，电弧使接触面金属熔化、气化。触头反跳达最大距离后又开始重新闭合，当两触头重新接触，电弧熄灭，触头表面熔化金属被挤压散开迅速冷却，触头焊接。,6-7触头熔焊与焊接力,触头闭合后第一次反跳原因：接卸能的转换；触头电动斥力。,三、触头焊接力：1、触头焊接力等于金属抗拉强度乘以熔焊面积；2、随材料电阻率和抗拉强度的增大而增大，随材料的熔化温度增高而降低；3、触头焊接力是随机、正态分布；4、真空环境下，无氧化，电弧由表面材料熔化和气化而成，焊接现象特别严重。,6-7触头熔焊与焊接力,四、减小触头熔焊的方法：采用电阻率小、抗拉强度小和熔焊温度高的材料在材料中加入少量其他元素使熔焊处最后的凝固面变成强度较低的脆性材料。这样断裂处将出现在熔焊的交界面上，不致拉伤底层触头材料，且断面光滑，拉断触头所需的能量很小。尽量减小触头振动。,6-7触头熔焊与焊接力,五、冷焊：在常温、无电流情况下，因贵金属(金及金的合金)的原子与原子之间的化学亲合力的作用，使二接触表面牢固粘在一起的现象。冷焊的粘结力比热焊接力小得多！,6-7触头熔焊与焊接力,68触头的质量转移和磨损,一、触头电磨损1、触头磨损：触头表面形成凹凸不平、变形、材料转移或损失等，结果导致触头寿命终结。2、磨损产生原因：机械、电、热、化学。其中，触头磨损主要原因是电和热。3、触头电磨损：与电流和触头断开时的电压有关。（1）定义：触头电磨损指触头在开断与闭合电路时，产生金属液桥、电弧与火花放电等，引起金属转移、喷溅和气化，使触头材料损耗和变形的现象。,（2）触头电磨损的两种主要形式：桥磨损和电弧磨损。（3）触头电磨损产生条件：电流：当II0（I0为形成金属液桥的最小电流，约为0.050.06A）时，触头开断会有不同程度的电磨损；电压：,68触头的质量转移和磨损,（4）电压：,68触头的质量转移和磨损,二、分类：1、桥磨损：即液桥磨损。1）液桥的特点：阳极侧的温度最高，液桥最终是在此处被拉断，因此阳极常常成为凹坑，而阴极成为针状或瘤状。2）呈负电阻特性，U与I成反比；3）桥的形成与保持与触头材料和周围介质有关；4）桥的几何形状是完全对称的（中间细，两头粗），沿轴向温度分布不对称，大多最高温度处偏向阳极，故桥断后，阳极易形成凹坑。,5）利用“液桥温度分布不对称”的性质，限制桥材料转移的措施：选用导热性好的材料作桥最高温度偏移处的触头，形成“补偿触头对”；利用不同材料形成的液桥直径不同，选配“触头对”，实现触头正负转移的平衡；加其它金属形成合金，使桥温度对称分布；附加电流回路，使总电流工作在零转移电流下。,2、电弧磨损：1）液桥形成条件：2）电弧产生条件：,3）机理：（1）带电粒子在电场作用下轰击电极，使表面材料蒸发；（2）电动力和气吹作用，使熔化金属成滴状喷出。4）减小的措施：（1）选磨损系数小的复合材料制成触头；（2）采取有效灭弧措施，缩短燃弧时间，或用横向磁场吹弧，使弧根尽快离开接触点，以减小接触点的烧损。,68触头的质量转移和磨损,69电接触材料,一、对电接触材料的性能要求：1、电气性能；2、热性能；3、物理与力学性能；4、化学性能；5、加工与经济性能；在实际工作中，根据工作条件和负荷大小，满足主要要求即可。,二、分述：按照触头上通过的电流的大小、电接触的结构形式等选择触头材料。1、弱电流：铜、银、铂；铜银合金、铂合金及金；2、中、强电流：铜、黄铜、青铜及其它合金，其中金属陶冶(粉末冶金)材料被大量使用。、黄铜、青铜性质：黄铜有较强的耐磨性，强度高、硬度大，耐化学腐蚀性强，切削加工机械性能较好。青铜铸造性能好、耐磨，化学性能稳定。,69电接触材料,、金属陶冶(粉末冶金)材料：a、定义：叫粉末冶金材料，是由二种或二种以上的金属粉末经混合压制及烧结而成，是彼此不相熔合的机械混合物。它常常用作大容量触头的触头材料。b、例：、银钨陶冶材料：、银石墨陶冶材料：c、金属陶冶材料的优点：综合了所含的各种材料的优点，有良好的耐热、耐弧、耐磨性能，价格低。d、金属陶冶材料的缺点：导电率较低，为此常将其作成薄片焊在触头的接触面上。,69电接触材料,3、固定电接触选材：常选铝，实际工作中，在其上常常覆盖有银、铜、锡(N)等材料，目的是降低接触表面的j，以减少静熔焊。4、真空开关电器的触头材料性能：除一般要求外，还要求触头表面特别洁净，触头材料的抗熔焊性能更高，材料有坚固而致密的组织；截流值小；本身含杂质很少等。,69电接触材料,（1）银与HB都小；在低温下不易氧化，高温下Ag2OAg、O2；银的氧化物的也很低。从减少接触电阻角度看，银是最理想的材料。银的价格较贵因此，电器中常采用铜镀银触头。,三、几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（2）铜与HB比银略大；在室温下，在大气中或变压器油中铜会氧化，形成Cu2O；铜的氧化膜厚度随温度增高而增加。从减小接触电阻看，铜是仅次于银的材料。为了减小接触电阻，可以在铜上镀银或镶银，也可以镀锡。锡的优点是硬度小，氧化膜的机械强度低。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（3）铝与HB不算太高；铝的严重缺点是化学性质活泼。在空气中，室温条件下就很容易生成又硬又厚的氧化膜，从而使接触电阻增高。因此，铝一般只用于固定接触，并常采用表面覆盖锡的方法来减小接触电阻。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（4）金、铂、铱：化学性能稳定，触头表面不会产生不导电的薄膜。价格昂贵，来源稀缺，不能大量使用，一般只用于低压电器中的弱电流触头。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（5）钨铜和钨银合金以高熔点钨与高导电铜、银采用粉未治金的方法制成的钨铜、钨银合金。具有导电性能好、在电弧作用下烧损小、钨铜价格较便宜。开关电器中广泛使用的触头材料适宜用在油断路器和六氟化硫断路器中。常用的是含钨量为80%的钨铜合金。钨银合金通常用于对接式触头，接触电阻稳定，但耐弧性能稍差。缺点：在大气中易氧化，接触电阻不稳定。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,四、电接触新材料的发展电器新产品的开发在很大程度上依赖于电工绝缘材料和电工合金的新发展，新材料的应用使电工产品的单机输出功率大大提高、功耗降低，同时极大地缩小体积、减轻重量，也改善和提高了产品的性能，甚至可以美化外观造型。电器制造技术的发展以“磁性材料、绝缘材料和电接触材料”三种特种材料为基础。,69电接触材料,为提高我国发电机单机容量，开发高效节能的电机、电磁开关等电工产品的需要，先后研制成功的“高磁感应低铁损冷轧取向硅钢片、特种硅钢片、电工纯铁、高磁能稀土永磁”等磁性材料和“聚酰亚胺玻璃纤维塑料、氨基玻璃纤维塑料、酚醛注射塑料、三聚氰胺改性酚醛塑料”等高分子绝缘材料，促进了高低压电器与仪表更新换代产品的开发研制。,69电接触材料,由于电接触材料已成为现代科学技术和工业发展不可缺少的重要材料，国外特别重视电接触复合材料，其发展方向主要是“合金多元化、复合多元化、超小型化和性能综合化”，如“粒状强化（粉末冶金）、弥散强化、纤维增强和层状复合材料”，其中的“层状复合材料”应用广泛。,69电接触材料,目前我国从事电触头材料生产的企业有60多家，职工总数约12000人，资产规模约12亿元。经过多年的发展，国内低压电触头材料整体发展水平与国外相差不大，某些品种的低压电触头材料性能已接近或达到国际先进水平，但是在生产工艺研究和产品可靠性方面与国外先进水平相比存在明显差距，特别是不含有害物质的银金属氧化物电触头材料的差距更大。我国对银氧化镉替代品的研究较少，基础研究近乎空白，技术储备严重不足。,69电接触材料,五、欧洲绿色指令及我们的对策。1、什么是两指令？2003年2月，欧盟议会及理事会通过两项被称为“双绿指令”的新环保指令：关于报废电子电气设备指令(WEEE)和关于在电气电子设备中禁止使用某些有害物质指令(RoHS)。前者要求2005年8月13日以后，欧盟市场上流通的电气电子设备的生产商必须在法律意义上承担支付自己报废产品回收费用的责任。对2005年8月13日前投放市场所产生的电气电子废弃物的管理费用，将由市场上所有的生产者按其产品所占市场份额的比例承担；,69电接触材料,后者要求从2006年7月1日以后投放欧盟市场的电气和电子产品不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等6种有害物质。据国务院发展研究中心市场经济研究所市场咨询中心副主任陆刃波介绍，目前欧盟约占我国家电出口市场的1/4。两项指令付诸实施后，中国受到直接影响的电器产品出口额将达317亿美元，占到中国出口欧盟机电产品总值的71%。欧盟绿色指令生效后，将导致我国家电出口成本将增10%，家电出口价格至少上涨10%。,69电接触材料,2、欧盟两指令涉及的十大电子电气产品(1)大型家用器具，如冰箱、洗衣机、微波炉；(2)小型家用器具，如吸尘器、熨斗、钟表；(3)信息技术和远程通讯设备，如电脑、复印机、打印机；(4)用户设备，如电视机；(5)照明设备，如荧光灯；(6)电气和电子工具，如电锯、缝纫机；(7)玩具、休闲和运动设备；(8)医用设备；(9)监视和控制装置；(10)自动售货机等。,69电接触材料,3、“RoHS”指令规定的与电器行业有关的禁用物质存在形式因为欧盟两个指令禁用物质是指“用电、传输电或者利用电磁定律”的这样一些设备，从而产生了一系列问题：首先，你要用电就必须解决导电与绝缘材料的问题。开关、继电器可能用的是含镉的银基触头材料、绝缘材料里面它要用很多热稳定剂、要用阻燃剂，还有制造过程当中的脱膜剂、油漆使用平流剂等等，都与铅、镉、钡等重金属类关系密切。,69电接触材料,以我国电触头材料中产量最大、应用面最广的银氧化镉为例，它被广泛地使用在交流接触器、直流接触器、空气断路器、限流及漏电开关、框架式断路器、一般继电器、过流继电器、按纽开关及家电方面。在日本，使用这种触头材料的家用电器有：冰箱冷藏装置、洗涤器、烤面包器、电饭煲、电风机、空调器、电热毯、电位计、搅拌器、水泵、定时器、果汁机、干燥器、电剃刀、电视机、收音扩音等音像设备、汽车开关、稳压器等等。它用到的具体方面除了10类102种设备之外很多我们日常民用的耗电设备，几乎都包括在里面。,69电接触材料,欧盟限制银氧化镉的应用，原因之一是银氧化镉最好的替代物是银氧化锡（AgSnO2In2O3），而世界上银氧化锡技术最先突破、最为成熟的是欧洲的Degussa公司（德国）。与此同时，目前在我国解决这个问题的只有一二个科研单位，产量也只有一二吨，与我国每年几百吨的需求量两相比，还有很大的差距。,69电接触材料,4、我们应采取的对策寻找新技术、新材料，提高环保标准，并增加回收的成本。在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令要求我国企业寻找替代产品，替代材料的研发成本也将削弱中国机电产品的价格竞争力。该指令中的一些要求涉及到电器原材料的技术，这要求企业有很强的研发能力，对于企业来说