第3章電接觸與觸頭

1、第三章 電接觸與觸頭 本章要點：1.1.接觸電阻產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素接觸電阻產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素 2.2.電接觸在長期工作中的問題電接觸在長期工作中的問題 3.3.觸頭結(jié)構(gòu)與觸頭材料觸頭結(jié)構(gòu)與觸頭材料 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、電接觸的概念電接觸的概念1 定義：定義： 習(xí)慣上把兩個或幾個導(dǎo)體相互接觸而完成習(xí)慣上把兩個或幾個導(dǎo)體相互接觸而完成導(dǎo)電稱作電接觸導(dǎo)電稱作電接觸(Electric Contact) 在導(dǎo)體接觸過渡區(qū)會產(chǎn)生各種物理、化學(xué)現(xiàn)象在導(dǎo)體接觸過渡區(qū)會產(chǎn)生各種物理、化學(xué)現(xiàn)象 2.工程應(yīng)用中的電接觸可分三大類 n固定電接觸 特點：用螺絲、鉚釘、夾緊件等將導(dǎo)電元件緊固在一起，導(dǎo)電元件間

2、無相對運動 n滑動及滾動接觸 特點：部分導(dǎo)電元件可動但不可分，接觸元件間可相互滑動或滾動 n可分接觸 特點：伴隨導(dǎo)電件的閉合與分離 三種接觸形式舉例 (a)固定接觸(b)滑動接觸(c)可分接觸 1動接觸元件，2靜接觸元件 3. 使用中存在的問題n固定接觸工作中的主要現(xiàn)象和問題是接觸電阻(包括銹蝕)、接觸溫升與熔焊。n滑動接觸除上述問題外還有潤滑與磨損。n可合分接觸還有一個更嚴(yán)重的問題就是電弧，電弧放電引起的溫升、熔焊與磨損是開關(guān)電器的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。 第二節(jié)第二節(jié) 接觸電阻及其影響因素接觸電阻及其影響因素 圖 3-2 接觸電阻的實驗IABVIABV一、接觸電阻一、接觸電阻產(chǎn)生的機(jī)理產(chǎn)生的機(jī)理

3、n1 電流收縮n2 氧化膜 “隧道效應(yīng)” 氧化膜電阻收縮電阻接觸電阻msjmsjRRRRRR二、接觸電阻的負(fù)面影響接觸電阻的負(fù)面影響n接觸電阻接觸電阻 當(dāng)接觸電阻較大，引起嚴(yán)重，而發(fā)熱嚴(yán)重又導(dǎo)致氧化、腐蝕等的加劇，這樣惡性循環(huán)就會使導(dǎo)電性能完全破壞，要么接觸面完全失去導(dǎo)電性，要么因發(fā)熱嚴(yán)重而。前者多發(fā)生在弱電情況下，后者多發(fā)生在強(qiáng)電流導(dǎo)電中。n不過，在高壓或低壓強(qiáng)電開關(guān)設(shè)備中，觸頭的接觸壓力通常都很大，膜常被壓碎或自清掃，且很容易在膜中形成106 V/lcm以上的高場強(qiáng)將膜擊穿，因而主要是收縮電阻的作用。n為了保證導(dǎo)體的溫升，通常要控制接觸電阻不能超過規(guī)定的數(shù)量。 關(guān)于布氏硬度的知識n加壓時間

4、t20S ( r=10mm 鋼球或碳化鎢球)n當(dāng)D0.03時,P增長緩慢,將此時P定義為材料硬度,即布氏硬度接觸硬度與布氏硬度n接觸硬度H與常用的布氏硬度HB是不同的，當(dāng)接觸面絕大部分已塑性變形，使得接觸點的壓強(qiáng)已基本穩(wěn)定時，這個平均壓強(qiáng)稱之為材料的接觸硬度；而布氏硬度是在一定壓力的測量方法下?lián)軌狐c塑形變形的程度來衡量的。n接觸硬度約為布氏硬度HB的60%80%二、接觸電阻的影響因素 n1、材料性質(zhì) n2、接觸壓力大小RaS2RHFs22aHHAFr 圖3-5 接觸壓力的影響接觸電阻加壓減壓壓力3、接觸形式 圖3.4 接觸形式(a)點接觸(b)線接觸(c)面接觸 4 接觸面的加工情況及溫升

5、n接觸表面平整度接觸表面平整度的情況由于影響接觸點數(shù)的多少，故對接觸電阻的大小有一定的影響，但并非愈光滑愈好，光滑表面的接觸電阻較穩(wěn)定一些，但可能比相對粗糙的要大些。一般接觸面處的表面光潔度對大中負(fù)荷的開關(guān)而言達(dá)6就足夠了，有時用銼刀修平即可。面接觸則要求表面的平整度較好。n接觸點處溫度接觸點處溫度的增高可加劇氧化膜的生長變厚，于是發(fā)熱更厲害，惡性循環(huán)的結(jié)果，可能導(dǎo)致接觸面的熔焊或?qū)щ娖茐摹?三、接觸電阻的工程算法 工程上常用如下簡單的經(jīng)驗公式估算：式中F接觸壓力(kgf)，m取決于接觸形式的指數(shù)，對于點接觸m=0.5；線接觸m=0.75，高壓力時的面接觸可取m=0.80.95。K與接觸材料、

6、表面狀況等相關(guān)的系數(shù)，通常由實驗確定 。RKFjm第三節(jié)第三節(jié) 電接觸在長期工作中的問題電接觸在長期工作中的問題n一、溫升與熔焊 由于接觸電阻的存在，接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱使電流收縮區(qū)的溫度升高，常超過收縮區(qū)外導(dǎo)體的溫度。 按Holm的理論，接觸點處的穩(wěn)態(tài)溫升j為：的平均值導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率乘積的溫度變化范圍內(nèi)材料到溫度從 888022220mjjjmjLTuRIu二、接觸電阻在長期工作中的穩(wěn)定性n 1、化學(xué)腐蝕 n 2、電化學(xué)腐蝕 三、對可分觸頭的主要要求n1、觸頭在閉合位置時 1）、防止過熱 2）、措施 加強(qiáng)觸頭終壓力加強(qiáng)觸頭終壓力 n2、觸頭在分?jǐn)噙^程中 1）、觸頭的電磨損 2）、改善措施

7、四、接觸電阻的異常惡化問題 圖3.6 油中的銅觸頭在400A負(fù)載下，接觸電阻的增加與油溫的關(guān)系。 五、觸頭的帶電關(guān)合與開斷 一、觸頭的名詞術(shù)語介紹1、動觸頭、靜觸頭 2、觸頭開距 (Clearance Between Open Contacts) 分閘位置時，開關(guān)一相的觸頭之間或其連接的任何導(dǎo)電部分之間的總間隙3、觸頭行程(Travel of Contacts) 合操作中，開關(guān)動觸頭起始位置到終止位置的距離。4、接觸行程(Contacting Travel)-超程合閘操作中，開關(guān)觸頭接觸后動觸頭繼續(xù)運動的距離 觸頭的帶電關(guān)合與開斷（續(xù)）5、主觸頭(Main Contact) 開關(guān)主回路中的觸頭

8、，在合閘位置時承載主回路的電流。6、弧觸頭(Arcing Contact) 使燃弧弧根不落在合閘狀態(tài)時的導(dǎo)電面上7、輔助觸頭(Auxiliary Contact) 接在開關(guān)的輔助回路中，并由該開關(guān)用機(jī)械方式操作的觸頭。 觸頭術(shù)語六、觸頭壓力與觸頭彈簧 n觸頭壓力還有觸頭初壓力和觸頭終壓力之分。n觸頭初壓力觸頭初壓力是指動靜觸頭剛接觸時的觸頭接觸壓力，它由觸頭彈簧的預(yù)壓縮產(chǎn)生。這個預(yù)壓縮很重要，避免引起觸頭的“彈跳”，如果預(yù)壓力不足，彈跳同樣會發(fā)生，僅是彈開的程度不同。觸頭關(guān)合過程的彈跳會在電弧的作用下嚴(yán)重的磨損觸頭。n觸頭的終壓力觸頭的終壓力，是指動、靜觸頭在閉合位置時的接觸壓力，它由觸頭彈簧

9、的終壓縮所產(chǎn)生。這也是觸頭的一個重要參數(shù)，它決定著觸頭能否在長期負(fù)荷及故障短路下都能正常工作。對低壓空氣斷路器，觸頭壓力與其所通過的額定電流可按1050g/A取值(這是銀或銀基材料觸頭，銅觸頭的為其兩倍)，初壓力約為0.90.8的終壓力。對高壓斷路器，觸頭壓力的校驗方法后文還有述及。七、電弧燒蝕及其改善措施n1、通常高壓斷路器都有足夠的剛合速度，保證預(yù)擊穿電弧能迅速消失，且有足夠的關(guān)合功使動觸頭關(guān)合到位 n2、改進(jìn)滅弧措施 氣吹、油吹、磁吹 采用弧觸頭第四節(jié)第四節(jié) 觸頭結(jié)構(gòu)與觸頭材料觸頭結(jié)構(gòu)與觸頭材料 一、觸頭結(jié)構(gòu) 大功率高低壓開關(guān)的觸頭結(jié)構(gòu)是多種多樣的 a 滑動、滾動 接觸B 滾動接觸C 插

10、入式觸頭觸頭結(jié)構(gòu)d、e 插入式觸頭 f 壓縮空氣斷路器觸頭觸頭結(jié)構(gòu)g 真空斷路器觸頭 h 低壓自動空氣開關(guān)觸頭 i SF6開關(guān)觸頭觸頭結(jié)構(gòu)說明j 壓氣式SF6斷路器觸頭 k 定開距SF6斷路器觸頭 高壓斷路器觸頭結(jié)構(gòu)形式及其優(yōu)缺點如下：n（1）對接式（終端式）觸頭。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，斷開速度比插座式觸頭快。 缺點；接觸面不夠穩(wěn)定，隨壓力變化而有所改變，接通或斷開時容易發(fā)生彈跳，無自凈作用，觸頭容易被電弧燒傷。n（2）指形觸頭。 優(yōu)點：電動穩(wěn)定性較好，有自凈作用。 缺點；不易與滅弧室配合，工作表面易被電弧燒傷。n（3）插座式（梅花形觸頭）。 優(yōu)點：每片觸旨的內(nèi)圓的兩棱邊與圓形導(dǎo)電體形成線接觸，接

11、觸電阻穩(wěn)定，自清洗作用好，接通時觸頭的彈跳很輕微，短路電流通過時接觸也很穩(wěn)定。 缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，觸旨數(shù)量多，斷開時間常。高壓斷路器觸頭結(jié)構(gòu)形式及其優(yōu)缺點如下：n（4）滑動觸頭。有三種：豆形觸頭、“Z”形觸旨式滑動觸頭、滾動式滑動觸頭。1） 豆形觸頭：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，動觸桿由中心孔通過卡澀小，有自潔作用。缺點：觸旨多，上、下兩層，裝配較復(fù)雜。 2）“Z”形觸旨式滑動觸頭：優(yōu)點：高度低，裝配簡單，沒有導(dǎo)電片，接觸穩(wěn)定而有自潔作用。缺點：只適合做中間觸頭。 3) 滾動式滑動觸頭：優(yōu)點：接觸片磨擦力小，有較好的自清洗作用。缺點：只適合作中間觸頭。二、觸頭材料1、理想的觸頭材料要具有以下性能: （1

12、1）大的電流開斷能力; (2) 高的承受電壓; (3) 小的接觸電阻; (4) 抗熔焊性能好; (5) 低的觸頭磨損; (6) 小的截斷電流; (7) 足夠的機(jī)械強(qiáng)度; (8) 良好的加工性能。但是實際使用的觸頭材料難以完全達(dá)到上述各項指標(biāo)，往往是通過犧牲某些性能來滿足其它的更重要的性能。二、常見觸頭材料1、常用純金屬觸頭材料 n銅(Cu)Cu是應(yīng)用最廣的導(dǎo)電材料和觸頭材料。電導(dǎo)率高，銅的熔點1083 ，超過200容易氧化，硬度變小，耐弧性較差 金屬鋁(AL) 導(dǎo)電性、硬度不及銅銀(Ag)、鎢(W)、金(Au)、鉻(Cr) n銀(Ag)Ag的堪稱金屬之最 硬度小，純銀為銀白色，熔點960.8n

13、鎢(W)和鉬(M0) -耐燒蝕n金(Au)、鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴金屬不易氧化，但價格昂貴，多用于精密靈敏要求的弱電觸頭或插接件鍍層。鈦(Ti)、鋯(Zr)、銦(In)等常作改善觸頭某些特殊要求的添加劑。n鉻(Cr) 銅與鉻的合金材料(CuCr)廣泛地用于真空開關(guān)中，CuCr材料目前也在SF6斷路器中被采用。2、二元或多元復(fù)合材料 n高氣壓電弧中的觸頭材料 nCuW和AgW有相似的性質(zhì)，有高的耐弧性，W的含量常達(dá)50%80%，適用于高、中壓開關(guān)。在中壓磁吹空氣斷路器中，AgW或AgWC用得較多，AgMo在低壓自動開關(guān)與塑殼斷路器中比AgW和AgWC更廣泛。n真空開關(guān)中的觸頭材料 CuCr

14、大容量SF6斷路器用觸頭材料n較理想的新型銅合金的成分為Cu中加入Cr，Zr，Ti，Be，Ni，Nb(鈮），Mg，Bi，Te（碲），Re(錸）等。n研究結(jié)果表明，添加多元少量元素的銅合金，具有良好的綜合性能。大大克服了二元銅合金力學(xué)性能差、壓強(qiáng)度低和電磨損率高等缺點。其原因是添加的這些少量合金元素，在材料之中不僅能夠發(fā)揮出它們各自有利的作用，產(chǎn)生綜合迭加效應(yīng)，而且這些元素相互發(fā)生冶金物理化學(xué)反應(yīng)，避免了單一元素加入時的不利影響。少量作用n合金中選擇加入多元少量的化學(xué)活性較強(qiáng)、熔點較高以及稀土元素，如Cr, Zr,Ti, Be,Nb, Re等能夠顯著改善材料的顯微組織，促使合金基體晶粒細(xì)化，有利于形成均勻，彌散分布的穩(wěn)定的強(qiáng)化相，既能保持材料的高導(dǎo)電性，又能提高其耐壓強(qiáng)度和開斷能力以及具有良好的力學(xué)性能;n選擇加入少量的低熔點元素，如Mg, Bi, Te等對提高抗烙