电接触课件

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1、第第 4 章电接触章电接触 Electric Contacts （P7698） 物理现象、工程概念（工程考虑）物理现象、工程概念（工程考虑） 工作要求，材料、结构、加工、制造、运 行、维修、经济 工作要求，材料、结构、加工、制造、运 行、维修、经济要考虑哪些问题，受哪 些因素影响 要考虑哪些问题，受哪 些因素影响 计算在本章中不是主要的，有关问题在世界 上也受到各界的重视。 计算在本章中不是主要的，有关问题在世界 上也受到各界的重视。 4.1 电接触的分类和要求电接触的分类和要求 电接触现象 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而实现导电的现象称为电接触连

2、 接或称电接触。 电接触的目的 导电。 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 是所有电器设备中不可避免的，是一种普遍现 象。在开关电器和接插件中是很重要的部分。接触部分出 问题会造成各种故障，后果有时会很严重。 1电接触的分类电接触的分类 电接触按工作方式，一般可分为三大类： （1）固定接触：用紧固件如螺钉、螺纹、铆钉等压紧的电 接触称为固定接触，固定接触在工作过程中没有相对运 动。 （2）可分接触（触头）：在工作过程中可以分离的电接触 称为可分接触，又称触头。开关电器触头中，一个是静触 头，一个是动触头。触头关合时，一般靠弹簧压紧。 ? 可分接触（触头）按控制电

3、流的大小又可分为： （i）弱电流触头电流在一安以下。 （ii）中电流触头电流从几安到几百安。 （iii）强电流触头电流在几百安以上。开关电器的触头 一般属于强电流范围。 （3）滑动及滚动接触（触头）：在工作过程中，触头间可以 互相滑动或滚动但不能分离的电接触称为滑动及滚动接触。 开关电器的中间触头就是采用这种电接触。 本章主要讨论强电流的可分接触。 电接触的分类电接触的分类 电接触的分类电接触的分类 电接触的分类电接触的分类 电接触的分类电接触的分类 2对电接触的主要要求对电接触的主要要求 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

4、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。 因此，对开关电器电接触在工作中有一定要 求。 对开关电器电接触在工作中的主要要求是： （1）在长期工作中 要求电接触在长期通过额 定电流时，温升不超过一定数值。接触电阻要求稳 定。 （2）在短时通过短路电流时 要求电接触不发 生熔焊或触头材料的喷溅等。 （3）在关合过程中 要求触头能关合短路电 流，不发生熔焊或严重损坏。 （4）在开断过程中 要求触头在开断电路时 电磨损尽可能小。 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。 对电接触的主要要求对电接触的主要要求 4.2 接触电阻接触电阻 先用简单现象

5、，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Ub I U R b b = 这一段导体的电阻为 ?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 F，形成电接触，仍通电流，形成电接触，仍通电流I 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U Ub（无论表面怎样处理，大得多）（无论表面怎样处理，大得多） b R I U R= 有接触，有接触，R 增大，增大部分称为接触电阻增大，增大部分称为接触电阻R c ：R = Rb+ Rc 在相当多情况下，在相当多情况下，Rc Rb R Rc 构成Rc的

6、原因： 1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R k 2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R f 接触电阻接触电阻 fkc RRR+= 下面分别讨论这两部分电阻的性质。 1收缩电阻收缩电阻R k 导体截面为 S ， 切开前，电流均匀分 布。 切开后，接触处的表 面不可能是理想的平 面 ， 尽 管 经 过 精 加 工，总多少有些宏观 不平，波纹起伏。 实际上，两个接触面 实际只是几个小块面 积相接触（图4.3） 图图4.2 经过加工的 金属表面的情况示 意图（放大） 图 经过加工的 金属表面的情况示 意图（放大） 图4.3 接触面接触 情况示意

7、图图 接触面接触 情况示意图图 在每块小面积内，实际上又只有几个 小的突起部分相接触（图4.4）。 这些互相接触的小突起部分称为接触 点。 电流流经接触表面时，从截面尺寸较 大的导体转入面积很小的接触点，在 此情况下，电流线发生剧烈收缩，如 图4.5。 收缩电阻R k 由电流收缩现象所 呈现的电阻。 由于接触点数目不止一个，所以整个 接触面的收缩电阻为各个接触点收缩 电阻的并联值。 收缩电阻收缩电阻R k 图4.4 接触面放大图形 4.5 电流收缩现象 影响收缩电阻的因素影响收缩电阻的因素 为简化问题，从一个接触点模型来分析。 不同人有不同选法， 这里介绍Holm的模型 简单、与实际 比较接近

8、，且得到一定公认。 两个“半”导体（四方截柱）相接触，接 触面：两个平面 接触点：半径为a的圆（图4.6），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。 这样的接触面附近的电流线与等位线的分 布如图4.7所示。 收缩电阻收缩电阻R k 一个接触点一个接触点 这样的接触面附近的电流线与等位线的分布如恒稳电流 场。 恒稳电流场计算（轴对称，三维 二维）恒稳电流场计算（轴对称，三维 二维） 进一步的分析表明，Rk集中于接触点附近的狭小范围内， 因而模型中假设 对具体计算影响不大。 上式虽简单，用时有困难，主要是 a 不知。 收缩电阻收缩电阻R k 接触面附近的电流线与等

9、位线接触面附近的电流线与等位线 电流流向： 电流流过，有电流场， 等位面 ： 一组椭球面 根据电流场与静电场相似的理 论，可得接触点的收缩电阻为 a RRk 2 2 1 = 由材料力学可知由材料力学可知 接触点中有弹性变形也有塑性变形。一般来说，无法用一 种简单方式来表达。（塑性变形为主） 塑性变形的接触硬度H 与接触压力F，接触面的半径a之间 的关系可用下式表示： 2 aHF= 收缩电阻收缩电阻R k 值可取1，压强大时， 可取得大一些。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。 H F a = ，或 考虑有一部分弹性变形家一修正系数 ，考虑有一部分弹性变形家一修正系数

10、 ， H F a = 实际计算中，应用此式仍有困难，因 n 不知，但做定性分析很 有用，从式中可看出，控制 Rk可从哪些方面来采取措施。 影响因素：、H材料，F 力，n接触形式。 收缩电阻收缩电阻R k 在塑性变形下在塑性变形下 F H .F H R 3312 1k = 触头材料的电阻率触头材料的电阻率 与布氏硬度与布氏硬度 HB 的数据见表的数据见表42。 ann R R 2 k1 k = 若电接触由若电接触由n个接触点组成， 则 个接触点组成， 则R k相当 相当 n 个个R k1并联，即并联，即 考虑到考虑到 n 个接触点时，每个接触点上的压力为个接触点时，每个接触点上的压力为 n F

11、在塑性变形下在塑性变形下 nF H . R k 331 = 2表面电阻表面电阻R f （膜电阻） 电接触的接触面上总会被一些导电性能很差的物质覆盖。由 于这种原因出现的电阻增大称为表面电阻R f 。 （1）灰尘（对弱电接触不可忽视） 灰尘面积Ac220 m2（10-6mm2） 若压力大，灰尘压扁，金属变形，可接触。 增加F 使金属变形 对小电器很重要。 （2）吸附膜 非导电气体、液体膜，使接触变坏。 稍加力，膜变的很簿：12分子层，510 （10-8cm）， 自由电子就可通过（隧道效应）。 （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，金属的氧化物是主要的

12、。 金属氧化物多半是半导体，电阻率很高，见表43。 表面电阻表面电阻R f Ag2O是例外，可导电，且 Ag2O Ag 、O2 故广泛使用。 但Ag 有硫化问题。 氧化物薄膜使接触电阻大为增加。计算表明，几埃（10- 8cm）厚的氧化膜可使表面电阻成百万倍增长，几乎成为不 导电的绝缘体。 Ag： 0.01610-6 14 6 6 1025. 6 10016. 0 1010 = Cu： 0.01710-6 16 6 8 1094 . 2 10017. 0 105 = 金属氧化物Ag2OAg2SCu2OCuOAl2O3NiOW2O5CdO 电阻率(.m）110-410106510821081101

13、011061010-3 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： （1）自由电子能自由穿过几埃以下的薄膜。 （2）电场强度较高时（超过106V/cm），将膜击穿。 表面电阻表面电阻R f 氧化膜的存在仍然会使表面电阻有所增大。但在这种情况 下，表面电阻主要决定于接触压力的大小和氧化膜的机械 强度，而膜的电阻率往往不起主要作用。 （4）有机膜 漆、蒸汽，也可能来自电器本身。 接触面上氧化膜压碎情况 （3）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。但是在全部 实际接触面积中不免还有相当多的 接触面积仍为金属氧化膜

14、所占据 （图4.10）。 4.3影响接触电阻的因素影响接触电阻的因素 （3）耐弧性能：在电弧作用下，烧损要小。 （4）长期工作中，还要考虑化学腐蚀及电化学腐蚀问题。 （1）物理性能 1材料性质（金属）材料性质（金属） nF H . Rk 331 = 由由 H 直接影响直接影响 Rk，其它条件相 同，希望其小。 ，其它条件相 同，希望其小。 （2）化学性能（是否活波、稳定）Rf 氧化物的氧化物的 机械强度机械强度 电强度电强度 希望其低希望其低 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： （1）银：与 HB 都小；在低温下不易氧化， ? 高温下 Ag2O A

15、g 、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，因此高压电器中常采用铜镀银或镶银 的方法。 （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。 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： （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， ? 并常采用表面复盖锡的方法来减小接触电阻。 （4）金、铂、铱等：这些贵重金属的优点是化学性能稳定， ? 触头表面不会产生不导电的薄膜。 ? 但是这类贵重金属材料价格昂贵，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。 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