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1、第4章 电器的电接触理论,福州大学 许志红 苏晶晶,第4章 电器的电接触理论,4.1 电器的电接触现象 4.2 电接触表面的物理图景 4.3 接触电阻的理论和计算 4.4 影响接触电阻的主要因素 4.5 接触区域的热效应 4.6 触头的振动与熔焊 4.7 触头磨损与材料转移,4.1 电器的电接触现象,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。,电器的电接触现象,1、可能存在的问题,（1）两导体接触后，接触处会出
2、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,接触电阻、温升、熔焊和磨损等。,4.1.1 电接触的分类,按结构形式不同，分三种。,(1) 固定电接触：,(2）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，也不相互分离。,触头能作相对滑动和滚动，但不相互分离，它们的相对运动方向与接触表面平行。,4.1.1 电接触的分类,两接触元件可随时分合。这种可分、合接触元件通常称为触头或触点。,可分、合电接触按工作电流又可分为：, 弱电流触头电流在1A以下，如继电
3、器的触头。 中电流触头电流从几个安到几百安，如低压断路器的触头 强电流触头电流在几百安以上，如高压断路器和部分低压断路器。,(3) 可分、合电接触：,4.1.1 电接触的分类,触头结构示意图,电接触现象,电接触共有的工作状态是接触元件闭合接通电流。,可分接触运动状态；静止状态。 运动状态打开过程；闭合过程。 静止状态打开位置；闭合位置。,当两导体相互接触流过电流时，接触处会出现局部高温，严重时可达到接触导体材料的熔点。,电接触的主要要求,电接触的可靠性,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
4、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。,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：,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 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
5、同。,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 接触电阻的理论和计算,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。,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,导体的电阻为,将此导体切成两半，对接一起，加力 F ，形成电接触，仍通电流I ，测原小段导体的电压降U，就会发现Uab Uab,R 增大，增
6、大部分称为接触电阻R j,4.3 接触电阻的理论和计算,4.3 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。,产生接触电阻的主要原因,1、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R s。,产生接触电阻的主要原因,2、表面膜的存在,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R b,接触电阻的组成,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
7、电路上是串联的关系，故接触电阻Rj可用下式表示：,1、材料相同时， Rs1 = Rs2=Rs 2、在真空中洁净表面， Rb 0 3、相反，若Rb2Rs ，,特别地,4.3.1 收缩电阻Rs,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）,4.3.1 收缩电阻Rs,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； 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Rs,在导体媒介中，恒定电场与介质中静电场有相
8、似关系,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Rs,孤立斑点a总收缩电阻的理论公式为,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Rs,在一般情况下，接触内表面中，导电斑点不止一个而是有n 个，这n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:,若取,4.3.2 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
9、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，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,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（对弱电接触不可忽视）,（2）吸附膜 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
10、靠隧道效应导电。,表面膜类型,（3）无机膜 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。 金属氧化物多半是半导体，电阻率很高。,Ag： 0.01610-6,Cu： 0.01710-6,表面膜类型,（4）有机膜 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：,（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。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
11、表面膜的形成：,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,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和膜的破坏难易程度！,共同特点：,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
12、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s（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。,膜的导电性问题：, 由s求膜厚: s与膜厚之间的关系如下图所示。,膜电阻的计算,根据膜的面电阻率的定义，电子透过斑点遇到的膜电阻为：,若接触面上有n个斑点，平均半径为ap，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。,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
13、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5V），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。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）。,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。 膜击穿后，电压在0.30.5V数量级的称为A类熔解； 膜击穿后，电压在0.010.02V数量级的称为B类熔解。,绝缘暗膜击穿的机理：,（1）电击穿： 电场内部电子
14、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。,电方面：,绝缘暗膜击穿的机理：,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，并且表面膜比本体金属应具
15、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。,接触电阻计算公式,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,4.4.1 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）良好的力学性能,常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能 纯金属材料,（1）银 与 HB 都小；在低温下不易氧化， 高温下 Ag2O Ag 、O2 ；银的氧化
16、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： 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。 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 纯金属材料,（3）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
