第4章_电器的电接触理论

1、复旦大学福州大学许志红 苏晶晶复旦大学4.1 4.1 电器的电接触现象电器的电接触现象4.2 4.2 电接触表面的物理图景电接触表面的物理图景4.3 4.3 接触电阻的理论和计算接触电阻的理论和计算4.4 4.4 影响接触电阻的主要因素影响接触电阻的主要因素4.5 4.5 接触区域的热效应接触区域的热效应4.6 4.6 触头的振动与熔焊触头的振动与熔焊4.7 4.7 触头磨损与材料转移触头磨损与材料转移4.1 4.1 电器的电接触现象电器的电接触现象l电器的导电回路总是由若干元件构成，其中，两个零件通过机械连接方式互相接触两个零件通过机械连接方式互相接触而实现导电的现象而实现导电的现象电接触电

2、接触l电接触的目的 导电。l接触中出现的有关物理的、化学的、电的现象称为电接触现象。电接触现象。l电接触 是所有电器设备中不可避免的，是一种普遍现象。电器的电接触现象电器的电接触现象1、可能存在的问题、可能存在的问题（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，其高使触头表面熔化和汽化，使触头材料损失，或导致触头的熔焊。2、主要分析对象、主要分析对象接触电阻、温升、熔焊和磨损等。4.1.1 4.1.1 电接触的分类电接触的分类按结构形式不同，分三种。按结构形式不同，分三种。(1) (1) 固定电接触：固定电接触：(2(2）滑

3、动和滚动电接触：）滑动和滚动电接触：两接触元件在工作时间内固定接触在一起，不做相对运动，两接触元件在工作时间内固定接触在一起，不做相对运动，也不相互分离。也不相互分离。 触头能作相对滑动和滚动，但不相互分离，它们的相对运动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。方向与接触表面平行。4.1.1 4.1.1 电接触的分类电接触的分类两接触元件可随时分合。两接触元件可随时分合。这种可分、合接触元件通常称为种可分、合接触元件通常称为触头或触点。触头或触点。可分、合电接触按工作电流又可分为：可分、合电接触按工作电流又可分为： 弱电流触头弱电流触头电流在1A以下，如继电器的

4、触头。 中电流触头中电流触头电流从几个安到几百安，如低压断路器的触头 强电流触头强电流触头电流在几百安以上，如高压断路器和部分低压断路器。(3) (3) 可分、合电接触：可分、合电接触：4.1.1 4.1.1 电接触的分类电接触的分类 触头结构示意图 电接触现象电接触现象电接触共有的工作状态是电接触共有的工作状态是接触元件闭合接通电流。接触元件闭合接通电流。可分接触可分接触运动状态；静止状态。运动状态运动状态打开过程；闭合过程。静止状态静止状态打开位置；闭合位置。当两导体相互接触流过电流流过电流时，接触处会出现局部高温局部高温，严重时可达到接触导体材料的熔点达到接触导体材料的熔点。电接触的主要

5、要求电接触的主要要求电接触的可靠性电接触的可靠性 电接触的工作面临电接触的工作面临: （1）长期工作电流作用； （2）开断与关合过程中的电弧作用。 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严重损坏或因电弧而熔焊因电弧而熔焊，电器工作的可靠性就无法保证。 电接触的主要要求电接触的主要要求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，接触电阻要求稳定。为保证电接触长期稳定而可靠工作，必须做到：为保证电接触长期稳定而可靠工作，必须做到： 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或触

6、头材料喷溅； 3、在关合过程中，触头能关合短路电流，不发生熔焊或触头损坏；4、在开断过程中，触头材料损失少，电磨损小。4.2 4.2 电接触表面的物理景图电接触表面的物理景图 如图右图所示，为几种机械加工后的钢表面轮廓图并与玻璃表面。 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。电接触表面的物理景图电接触表面的物理景图 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。 4.3 4.3 接触电阻的理论和计算接触电阻的理论和计算u 接触电阻是产生局部高温的原因。接

7、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。温。产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻，称之为接触电阻接触电阻。 先用简单现象，说明接触电阻的性质：一导体，通电流 I 时，用电压表可测出导体上一小段的电压降为Uab) 14(ababIUR导体的电阻为导体的电阻为 l将此导体切成两半，对接一起，加力将此导体切成两半，对接一起，加力 F ，形成电接触，仍形成电接触，仍通电流通电流I ，测原小段导体的电压降测原小段导体的电压降U，就会发现就会发现Uab Uab)34(abRIURababR 增大，增大部分称为增大

8、，增大部分称为接触电阻接触电阻R j 4.3 4.3 接触电阻的理论和计算接触电阻的理论和计算abab)44(ababRRRj4.3 4.3 接触电阻的理论和计算接触电阻的理论和计算导体电阻比接触电阻小得多，导体电阻比接触电阻小得多，工程中可近似认为：工程中可近似认为：Rj=Rab接触电阻的物理实质是什么呢？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电接触学科的奠基人霍尔姆(R. Holm)做了正确的解释。做了正确的解释。abab产生接触电阻的主要原因产生接触电阻的主要原因1、电流线收缩：、电流线收缩：实际接触面积减小，电流线在接触面附近发生了收缩 收缩电阻收缩电阻R s。产生接触电

9、阻的主要原因产生接触电阻的主要原因2、表面膜、表面膜的存在的存在接触表面可能被一些导电性能很差的物质（如氧化物）覆盖 表面电阻表面电阻R b接触电阻的组成接触电阻的组成接触电阻一般应包含以下几个部分：接触电阻一般应包含以下几个部分： 一个接触元件的收缩电阻Rs1； 另一个接触元件的收缩电阻Rs2； 接触面间的膜电阻Rb。三者在电路上是串联的关系，故接触电阻三者在电路上是串联的关系，故接触电阻Rj可用下式表示：可用下式表示：)64(2sb1sRRRRj1、材料相同时，、材料相同时， Rs1 = Rs2=Rs 2、在真空中洁净表面，、在真空中洁净表面， Rb 0 3、相反，若、相反，若Rb2Rs

10、， )74(2bsRRRj)84(2sRRj)94(b RRj特别地特别地4.3.1 收缩电阻收缩电阻Rs接触面接触情况示意图接触面接触情况示意图 经过加工的金属表面的情况示意图（放大）经过加工的金属表面的情况示意图（放大）4.3.1 收缩电阻收缩电阻Rs为简化问题，取一个接触点来分析。作如下假设：为简化问题，取一个接触点来分析。作如下假设： 接触表面中，导电斑点的几何形状为圆形，半径为a，且a为常数； 导电斑点之间有足够大的分散距离，可认为斑点与斑点之间电流-电位场互不干扰；a) 两接触元件中，收缩区内的电流-电位场完全对称，且材料的电阻率处处相等。4.3.1 收缩电阻收缩电阻Rs在导体媒介

11、中，恒定电场与介质中静电场有相似关系在导体媒介中，恒定电场与介质中静电场有相似关系)104(kGC式中，G，k 分别为导电媒质中的电导、电导率；C，分别为介质中相同场的电容、介电常数；4.3.1 收缩电阻收缩电阻Rs孤立斑点孤立斑点a总收缩电阻的理论公式为总收缩电阻的理论公式为)114(22saR式中，接触元件材料的电阻率； a导电斑点半径。 收缩电阻的本质就是金属电阻，其大小与接触元件材收缩电阻的本质就是金属电阻，其大小与接触元件材料的电阻率成正比，与导电斑点的直径成反比。料的电阻率成正比，与导电斑点的直径成反比。4.3.1 收缩电阻收缩电阻Rs在一般情况下，接触内表面中，导电斑点不止一个而

12、是有n个，这n个斑点在电路上是并联的关系个斑点在电路上是并联的关系。在建立收缩电阻物理模型所做的假定条件下，n个导电斑点的总的收缩电阻为个导电斑点的总的收缩电阻为:)124(221sniiaR若取p122naanii)134(22psnaR4.3.2 表面膜电阻表面膜电阻Rb 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，从膜的性质来看，表面膜主要有导电膜和绝缘膜导电膜和绝缘膜。 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、玻璃状绝缘膜等表面膜类

13、型表面膜类型 飞扬于空气中的固体微粒，由于静电吸力而覆盖在接触表面形成的膜电阻。接触电阻变化极不稳定，具有随机性的特点。接触区域的接触压力一般不能太小。（1）尘埃膜尘埃膜（对弱电接触不可忽视）（对弱电接触不可忽视）（2）吸附膜）吸附膜 非导电气体、液体膜，使接触变坏非导电气体、液体膜，使接触变坏。气体分子或水分子在接触表面的吸附层，其厚度仅有几个分子层，当触头压力在接触面上形成很高的压强时，厚度将减到1-2个分子层，无法采用机械的方法将其完全消除掉，吸附膜主要靠隧道效应导电。表面膜类型表面膜类型（3）无机膜）无机膜 金属的氧化物，硫化物等金属的氧化物，硫化物等 对于断路器来说，金属的氧化物是主

14、要的。 金属氧化物多半是半导体，电阻率很高。Ag： 0.01610-614661025. 610016. 01010Cu： 0.01710-616681094. 210017. 0105表面膜类型表面膜类型（4）有机膜）有机膜 漆、蒸汽，也可能来自电器本身。漆、蒸汽，也可能来自电器本身。实际上，表面电阻不会高到这种程度。这是因为：实际上，表面电阻不会高到这种程度。这是因为：（a）自由电子能自由穿过几埃以下的薄膜。（b）电场强度较高时（超过106V/cm），将膜击穿。 （c）触头压力大，可压碎氧化膜触头压力大，可压碎氧化膜。使触头的金属材料直接接触，从而使表面电阻显著下降。金属表面膜的形成金属表

15、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： 以银为例分析：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。金属表面膜的形成金属表面膜的形成 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； 不同材料、不同介质、不同温度对膜的生长影响很大； 同一材料一定介质下温度是影响膜生长的决定性因素。 膜的生长非常复杂，对于电接触最关心的是膜的导电性膜的生长非常复杂，对于电接触最关心的是膜的导电性和

16、膜的破坏难易程度！和膜的破坏难易程度！共同特点：膜的导电性问题：膜的导电性问题：1 1、 理论分析：理论分析： 电子具有粒子和波动两重性质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，电不论厚度如何，电子都不能穿过它而导电。子都不能穿过它而导电。 量子力学理论：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“隧道效应隧道效应”。 2 2、 “ “隧道效应隧道效应”的计算：的计算： 隧道电阻率隧道电阻率s（或称膜的面电阻率）：（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。 JUs膜的导电

17、性问题：膜的导电性问题： 由由s求膜厚求膜厚: s与膜厚与膜厚之间的关系如下图所示。之间的关系如下图所示。膜电阻的计算膜电阻的计算 根据膜的面电阻率的定义，根据膜的面电阻率的定义，电子透过电子透过斑点遇到的膜电阻为：斑点遇到的膜电阻为：)144(2sbaR 若接触面上有若接触面上有n个斑点，个斑点，平均半径为平均半径为ap，总的膜电阻为：总的膜电阻为：)154(2sbpnaR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。绝缘暗膜的击穿绝缘暗膜的击穿 1） 半导体特征：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

18、绝缘状态），但膜电阻随电压升高而下降；膜电阻随电压升高而下降；U下降，膜电阻上升。下降，膜电阻上升。2） U上升至某临界值（如上升至某临界值（如5V），膜被击穿，膜电阻突然消），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。失，接触面之间的电压立即下降到零点几伏的数量级。绝缘膜的电击穿过程如图所示。绝缘暗膜的击穿绝缘暗膜的击穿绝缘暗膜的电击穿过程：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；实线：加压或减压时，膜处于完好绝缘状态； U0：临界电压。当：临界电压。当UU0，膜被击穿，用虚线表示，膜被击穿，用虚线表示，并最终稳定在终止点（Rz，Uz）。

19、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。膜的熔解。 膜击穿后，电压在0.30.5V数量级的称为 A 类 熔 解类 熔 解 ； 膜 击 穿 后 ， 电 压 在0.010.02V数量级的称为B类熔解。类熔解。 绝缘暗膜击穿的机理：绝缘暗膜击穿的机理：（1 1）电击穿：）电击穿： 电场内部电子发射内部电子发射，形成电子云电子云，使金属表面局部加热直至金属表面局部加热直至熔化熔化，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。金属的电流通路。 （2 2） 热击穿：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，

20、电导率增大，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。 电方面：电方面： 绝缘暗膜击穿的机理：绝缘暗膜击穿的机理：机械方面：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。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。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，并且且表表面膜比本体金属应具有

21、大得多的硬度和脆性。面膜比本体金属应具有大得多的硬度和脆性。为此需要接触接触表面有一定的粗糙度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。选用适当的接触材料和结构。接触电阻计算公式接触电阻计算公式)164(22sjppnanaR式中，接触元件材料的电阻率和膜的面电阻率s均为已知，困难的是斑点的个数n和平均半径ap无法确定。4.4 影响接触电阻的主要因素影响接触电阻的主要因素4.4.1 材料的性质材料的性质（3）耐弧性能：在电弧作用下，触头电磨损要小。（4）长期工作中，还要考虑化学腐蚀及电化学腐蚀问题。（1）良好的导电性、导热性（2）良好的

22、力学性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能 纯金属材料纯金属材料 （1）银）银 与 HB 都小；在低温下不易氧化， 高温下 Ag2O Ag 、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。 但是，银的价格较贵，熔点低，适合小功率触头。 （2）铜：）铜： 与与HB比银略大；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。 缺点是易氧化，使接触电阻随时间迅速增长。高压开关中，采用滚动接触，触头常常在密封的灭弧室中，因此，可以采用铜质触头，低

23、压电器中基本上不采用铜材料作为触头材料。常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能 纯金属材料纯金属材料 （3）金）金 金的导电性和导热性次于银和铜，突出的优点是不易氧化，接触电阻稳定。 缺点是价格贵，容易产生冷焊、变形和磨损。在电流小、电压低、触头压力不大的场合可以采用。 （4）铂）铂 铂的导电性和导热性较差，但化学性能稳定，在空气中不氧化、不硫化，接触电阻非常稳定。 缺点是价格高，易产生金属桥，在有机蒸气中易生成有机膜，铂的合金可以用作弱电触头。 （5）钨）钨 钨的许多性质和铂相近，但是，它硬度很高，耐热性、耐钨的许多性质和铂相近，但是，它硬度很高，耐热性

24、、耐腐蚀性能好，抗电弧烧损和抗熔焊性能也很好，腐蚀性能好，抗电弧烧损和抗熔焊性能也很好， 缺点是在高温下容易形成不导电的氧化膜，需要大的接触缺点是在高温下容易形成不导电的氧化膜，需要大的接触压力，一般比较适合大功率触头。压力，一般比较适合大功率触头。常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能金属系触头材料金属系触头材料 （1）AgMeO系触头系触头 Me是“Metal”的简称，代表Cd、Sn等，即银金属氧化物。 AgMeO材料的发展在微量添加剂上，增加添加剂的目的： 改善MeO的颗粒尺寸、形状及在银基体中的分布； 强化AgMeO的材料基体，增加液态银在触头表面

25、的润湿效应； 改善工艺要求。 添加剂有：Mg、Li、Sn、Co、Al、K、Ca、Hg、Ru、Be等。 AgCdO：具有良好的耐侵蚀、抗熔焊和低值稳定的接触电阻，目前广泛应用在中等功率的开关电器中。 AgSnO2无毒、耐侵蚀，具有与AgCdO类似的良好性能，抗熔焊性比AgCdO好，接触电阻稍高。常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能金属系触头材料金属系触头材料 （2）AgNi系触头系触头 与AgMeO不同在于，当温度极高时，两种共存熔体的相互熔解度增加，使AgNi触头材料的镍颗粒形成均匀弥散分布。 原因：在高温熔体中，冷却后的镍重新沉积于银基体中。 当Ni含

26、量增加，需要更高温度和更长时间使Ni溶解于银基体中。 当冷凝时，会在触头表面形成Ni的富集及部分Ni氧化物组分，因此Ni含量增加，接触电阻增加。常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能金属系触头材料金属系触头材料 （3）AgC系触头系触头 主要机制在于炭粒和大气中氧的作用，在被电弧加热的高温弧柱区域，炭粒发生显著燃烧，形成CO气体并逸出触头基体，从而在触头表面形成多孔疏松的富银层。 AgC材料在工作过程中始终保持着低值接触电阻 触头表面疏松多孔，无论纤维方向与接触面平行还是垂直，都具有良好的抗熔焊性常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接

27、触电阻方面的性能金属系触头材料金属系触头材料 （4）AgW系触头系触头 难熔比重在20%60%之间； W骨架的作用在大电流负荷下出现 当电弧高温时，Ag先熔化蒸发，有助于降低弧根处的温升。降低触头材料的喷溅； AgW具有较高的耐熔焊性； AgW与大气中的氧作用，在触头表面形成不导电的氧化物，如Ag2WO4及WO3，薄膜接触电阻升温，反过来使触头产生高温，这种情况下也有骨架作用。常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能金属系触头材料金属系触头材料 （5）非晶态触头材料）非晶态触头材料 一种长程无序、短程有序的结构。 物理、化学性能比晶态材料更优越。 用于继电器

28、上，有助于通信设备的小型化和高寿命。（6）超导触头材料）超导触头材料 将超导材料引入电接触材料，必将带来革命性变化 低压电器触头材料超导化，未来还有一段路要走。4.4.2 接触形式接触形式接触的形式很多，按触头外形的几何形状不同，可接触的形式很多，按触头外形的几何形状不同，可分为三类：分为三类：点接触：点接触：面面接触：接触：线线接触：接触： 球状触头与另一个球状触头相接触，或球状触头与平面触头相接触。 圆弧状触头与平面触头相接触，或圆弧状触头与另一个圆弧状触头相接触。 两平面触头相接触。点接触点接触从几何学角度看，两面接触于一点两面接触于一点，所以称为点接触。实际实际接触面是在一个小面积内的

29、若干个接触点。接触面是在一个小面积内的若干个接触点。线接触线接触:从几何学角度看，两面接触在一条直线上，两面接触在一条直线上，所以称线接触。当然，实际接触面是分布在狭长区域内的若干个接实际接触面是分布在狭长区域内的若干个接触点。触点。面接触面接触:从几何学角度看，接触面是一个平面接触面是一个平面，所以称为面接触。当然，实际接触面是分布在若干处的很多个接触点实际接触面是分布在若干处的很多个接触点。接触形式对接触电阻的影响接触形式对接触电阻的影响 F 小：点小继电器 F 中：线大中电器 F 大：面固定接触FRj面面点点0两个趋势是相反的，接触形式两个趋势是相反的，接触形式的选择取决于的选择取决于F

30、的大小。的大小。结论：接触压力决定着接触形结论：接触压力决定着接触形式的选择（要从两面看，不要式的选择（要从两面看，不要简单看一面）简单看一面）只考虑接触形式的影响，其它条件材料、外加压力只考虑接触形式的影响，其它条件材料、外加压力F 相同相同 ；接触形式主要对接触形式主要对n 起作用。起作用。2sbsjpp22nanaRRR4.4.3 接触压力接触压力接触压力接触压力F 对接触电阻对接触电阻R j有重要影响。没有足够的压力只靠有重要影响。没有足够的压力只靠加大接触面的外形尺寸并不能使接触电阻显著减小。加大接触面的外形尺寸并不能使接触电阻显著减小。式中，E材料的弹性模量； r球的半径。)184

31、(3rEFa在塑性形变时，刚性球对平面试件做压痕实验，压痕面积在塑性形变时，刚性球对平面试件做压痕实验，压痕面积为为A，则，则根据弹性力学，理想光滑性球与平面接触，接触力根据弹性力学，理想光滑性球与平面接触，接触力F与接触半与接触半径径a的关系为的关系为)194(2aHHAF式中，H材料的布氏硬度； a压痕口半径。4.4.3 接触压力接触压力 在0.31之间，接触面越光滑，越接近1。在塑性变形下，接触面半径 a 与接触压力 F 的平方根成正比。考虑有一部分弹性变形加一修正系数考虑有一部分弹性变形加一修正系数 )204(2 HaF理想球与平面接触，接触半径理想球与平面接触，接触半径a与接触力与接

32、触力F的关系为的关系为)214( mFa若认为若认为nap=a，把膜的影响考虑到收缩电阻中去，则把膜的影响考虑到收缩电阻中去，则)234()102.0()224(-j-jmmFKRFR接触压力接触压力FR1jFR1j7.0j1FR 面 点 线有时可采用多对触头并联有时可采用多对触头并联的方法减小的方法减小RjHolm实验曲线分析实验曲线分析虚线：氧化后的表面；实线：洁净的导体表面当Rj和F用对数坐标后，Rj与F的关系近似一条直线；材料的及材料的布氏硬度H越大，表面氧化，曲线越高，K值越大；压力越大，膜的影响越小。交叉棒接触比平板接触的曲线要平4.4.4 接触表面加工情况接触表面加工情况 接触表

33、面可以是粗加工，也可以是精加工。 加工精度对接触电阻有一定影响，它表现在接触点数的多少不同。 实践表明，过于精细的表面加工对于降低接触电阻未必是有利的，表43可以说明这一点。4.5 接触区域的热效应接触区域的热效应4.5.1 理论理论 根据接触面附近电流收缩的物理图景，可以对接触面附近的接触面附近的温度分布情况作定性分析：温度分布情况作定性分析： 当电流流过导电斑点电流流过导电斑点时，电流线发生收缩电流线发生收缩，电流密度相应电流密度相应增大增大。在导电斑点上，电流线收缩达到极限，电流密度最大。 由于转化为热量的功率损耗与电流密度的平方成正比，电流线越收缩，电流密度越大，功率损耗将成平方倍地增

34、加功率损耗将成平方倍地增加。如何在已知电流下得到斑点上的最高温度，以及整个收缩区中的温度分布？4.5.1 - 理论理论 通过三维有限元通过三维有限元软件进行仿真计算；进行仿真计算； 通过经典的通过经典的 - 理论进行分析理论进行分析 可可借助经典借助经典 - 理论对导电斑点理论对导电斑点a进行温升分析。进行温升分析。 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。 设斑点形状为圆点，半径为a，电位为零，其上电位为0（=0），温度最高=m，为一等位面和等温面。 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。4.5.1 - 理论理论4.5

35、.1 - 理论理论单位时间内，半椭球本身的发热量为：)244()(2dRdQ在半椭球壳内表面边界上，单位时间的传入壳内的热量为：)254()(1dndAQ单位时间的由壳内传出的热量为：)264()(dd2dndAQ4.5.1 - 理论理论在稳定的情况下)274(21QQQ 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：0， ：m ，于是有)284(21dm2当积分上下限由斑点a到整个收缩区外边界时，有：)294(8)2(21d22jjmUU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。 （Uj为接触电压降）4.5.1 - 理论理论)294(8)2(21d

36、22jjmUU、是温度的函数，为简化积分，取（ ）的平均值 ，令其与温度无关，则)304(8)(2mjU或)314(8)(2mjU斑点a超出收缩外导体的温度m 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。4.5.1 - 理论理论 由魏得曼由魏得曼-弗朗兹定律得：弗朗兹定律得： 任何纯金属材料从理论上讲它的热导率任何纯金属材料从理论上讲它的热导率 和电阻率和电阻率 的乘积与的乘积与温度温度T成线性关系：成线性关系： )324 ( LT将此定律代入（4-29）可得)334(412202mjULTT4.5.1 - 理论理论计算出斑点a上的温度后，即可分析收缩区内沿热流

37、方向的温度分布。根据式（4-28）及式（4-29），用平均值 代替，设0=0，积分后将两式相除，可得)354(-21mm2jU4.5.1 - 理论理论因接触元件一边的收缩电阻 ，斑点a到之间的收缩电阻 ，I为流过接触元件的电流，则IURjs21IRs)364(121m2ss2jRRU令 ，则yxRRmss,)374(12xy可以看出，函数为一抛物线，如图所示，表示收缩区中温度分布的一般情况。4.5.1 - 理论理论电流通过电接触收缩区，由于温度升高，电阻温度系数对收电流通过电接触收缩区，由于温度升高，电阻温度系数对收缩电阻会有影响，特别是当通过电流很大时，这种影响不能缩电阻会有影响，特别是当通

38、过电流很大时，这种影响不能忽略。忽略。对于均匀截面的导体，电阻与温度之间的关系近似为对于均匀截面的导体，电阻与温度之间的关系近似为)384()1 (0RR在电接触的收缩区域中，由于电流发生收缩，有效接触面积在电接触的收缩区域中，由于电流发生收缩，有效接触面积不断减少，同时温度分布也不均匀，斑点不断减少，同时温度分布也不均匀，斑点a区内高，收缩区外区内高，收缩区外低。低。对称接触的热收缩电阻对称接触的热收缩电阻Rs与斑点与斑点a温度温度m之间关系为之间关系为)394()1 (ms0ssRRs与均匀导体的电阻温度系数之间关系为)404(32s4.5.2 Rj( )特性特性清洁的交叉铜棒典型Rj (

39、 )特性。可将接触电压换算成斑点a的温度m。研究研究Rj( )特性的意义特性的意义u 研究各种材料的Rj( )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，就可估算触头不发生融焊的最大通过电流，或估算Rj的上限，并以此为依据确定触头的其它参数。u 触头温升计算可参见教材2.5节典型电器温升计算，或采用三维有限元分析软件计算。接触电阻与温度关系接触电阻与温度关系u 接触电阻与温度的关系是一个恶性循环的关系，接触区接触区域的接触电阻越大，接触区域的温升越高，温升越高触域的接触电阻越大，接触区域的温升越高，温升越高触头区域的接触区域越大，反过来温升更高。头区域的接触区域

40、越大，反过来温升更高。u为保护触头工作可靠，在长期工作过程中，必须保证触头触头接触电阻长期稳定。接触电阻长期稳定。4.6 触头的振动与熔焊触头的振动与熔焊4.6.1 触头的振动与弹跳触头的振动与弹跳 接触器在工作过程中，动铁心通过支架带动动触头完成闭接触器在工作过程中，动铁心通过支架带动动触头完成闭合与分断动作。合与分断动作。 触头在闭合过程中，将产生弹跳现象触头在闭合过程中，将产生弹跳现象触头的机械振动触头的机械振动 危害：危害：触头的机械振动时接触电阻周期地增大，甚至分离产生电弧，使触头熔焊和烧损，严重影响触头工作。触头振动的物理过程和影响分析触头振动的物理过程和影响分析 以第一类触头结构

41、为例以第一类触头结构为例触头振动物理过程图解触头振动物理过程图解触头弹簧的自由长度为l，预压缩长度为l0；触头最大变形xd，动触头反跳的最大距离xm1、第一次碰撞和反跳：见图。 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。触头振动的物理过程和影响分析触头振动的物理过程和影响分析 以第一类触头结构为例以第一类触头结构为例触头的振动过程：触头的振动过程：用动触头碰撞运动弹开距离与时间来表示。由于在碰撞过程中总有能量损失，振动将逐渐衰减，如图。1、2、3段：段：触头尚在压缩变形和逐步恢复过程中，压缩距离x=xd动静触头仍处于接触状态，相对分开距离为0。触头振动的物理过程和影响分析触

42、头振动的物理过程和影响分析 以第一类触头结构为例以第一类触头结构为例3、4段：段：触头变形恢复完毕，动静触头开始分离。 t=tm，x=xm，两触头相对分离距离达到大； ttm，动触头再向静触头运动，又发生第二次碰撞。 在发生第三次碰撞后（8点）动静触头反跳距离已经小于触头变形距离，触头虽仍有振动，但不再分离。振动结束振动结束无危险振动：无危险振动：若触头第一次碰撞后反跳的最大距离小于触头的变形距离，即xxd，则触头虽有振动，但不会分开。4.6.2 触头参数与触头弹跳触头参数与触头弹跳1、触头参数、触头参数触头的开距触头的开距触头的超程触头的超程触头的初始压力触头的初始压力触头的终压力触头的终压

43、力触头参数触头参数触头的开距触头的开距能够可靠断开规定容量电弧的动静触头之间的最短距能够可靠断开规定容量电弧的动静触头之间的最短距离，即开关电器动触头与静触头打开后的距离。离，即开关电器动触头与静触头打开后的距离。 其与开断容量、电流种类、灭弧措施、触头材料、负载其与开断容量、电流种类、灭弧措施、触头材料、负载等诸多因素有关，尤其要注意最难熄弧区的影响。等诸多因素有关，尤其要注意最难熄弧区的影响。触头参数触头参数触头的超程触头的超程指动、静触头接触后机构将继续超行程运动，超出动、指动、静触头接触后机构将继续超行程运动，超出动、静触头位置的部分。静触头位置的部分。超程的作用：超程的作用： 保证触

44、头在电磨损后仍能保持一定的接触压力；保证触头在电磨损后仍能保持一定的接触压力； 触头闭合时能利用触头弹簧缓冲，减小弹跳；触头闭合时能利用触头弹簧缓冲，减小弹跳； 在触头分闸时，使动触头获得一定的初始动能，拉断熔在触头分闸时，使动触头获得一定的初始动能，拉断熔焊点，提高初始分闸速度，减小燃弧时间，从而提高介焊点，提高初始分闸速度，减小燃弧时间，从而提高介质恢复的速度。质恢复的速度。触头参数触头参数触头的初始压力触头的初始压力触头弹簧的预压缩力，根据前面分析，合力的预压缩触头弹簧的预压缩力，根据前面分析，合力的预压缩力可以减少触头闭合过程产生的触头弹跳现象。力可以减少触头闭合过程产生的触头弹跳现象

45、。触头参数触头参数触头的终压力触头的终压力动、静触头闭合以后触头之间的压力。动、静触头闭合以后触头之间的压力。 为了保证触头接触良好，必须有足够的接触压力。为了保证触头接触良好，必须有足够的接触压力。 超程也可以认为是开关动、静触头接触后，触头弹簧的超程也可以认为是开关动、静触头接触后，触头弹簧的压缩行程，具有保证接触压力的功效，从而保证了开关压缩行程，具有保证接触压力的功效，从而保证了开关的良好接触。的良好接触。 对于大多数采用面接触接触形式的真空开关，动、静触对于大多数采用面接触接触形式的真空开关，动、静触头之间的接触压力不能太小头之间的接触压力不能太小2、触头弹跳、触头弹跳 动静触头之间的弹跳称为触头系统的一次弹跳。动静触头之间的弹跳称为触头系统的一次弹跳。