第四章电器的电接触理论习题答案

第四章电器的电接触理论习题4-1答：接触电阻的形成有两个要素：收缩电阻和膜电阻。接触表面实际上只有一小部分凸出点发生了导电接触，称之为导电斑点。当电流通过这些斑点时会发生电流线收缩现象，由此带来电流路径增加，有效导电截面积减少，使电阻值增加。另一方面，接触表面有膜存在，如果这些膜能够导电，则电流通过薄膜时会受到膜的阻碍而产生膜附加电阻。影响接触电阻的因素主要有以下四点：材料性质：是影响接触电阻最直接的因素。从增加有效接触面积，抑制膜生成的角度来看，好的材料应保证良好的导电性和导热性，力学、化学性能以及电弧抗性。接触形式：分为点接触、线接触和面接触三类。其对接触电阻的影响主要体现在接触点数目上。一般认为点接触的接触点数最少，面接触的接触点数最多。但还应该依据触头所受接触压力综合考虑。接触压力：增大接触压力可以增加有效接触面积并在最大程度上限制表面膜的影响。接触表面加工情况：对于大负载触头，宜采用平整度高的表面，避免因装配时出现倾斜而导致有效接触面积大幅度减小；对于小功率电器的触头要求表面粗糙度较低，可以保证接触电阻低值且稳定。无论何种负载，都不宜追求过于精细的表面，它对降低接触电阻未必有利。4-2答：温度对不同材料的接触电阻有不同的影响。从收缩电阻上考虑，其受到导体电阻率的影响，而电阻温度系数和冷态电阻率为材料本身的属性，因此在同一温度下不同材料具有不同的电阻率和收缩电阻。从膜电阻的角度考虑，不同材料形成的膜不同。如AgC系触头材料表面形成的富银层可以使触头在工作中保持低值接触电阻，而AgW系材料在触头表面形成的是不导电氧化物，会增加接触电阻。膜的生长速度受到温度的影响，导电性好的膜它的工作温度相对较低，使其能够维持在低值而稳定状况下；导电性差的膜使接触电阻升高，进而使触头产生高温发热，而高温度又加快了膜的生成，形成一种恶性循环。4-3答：动触头在支架带动下获得一个初速度向静触头运动，在接触时发生碰撞，当碰撞未能完全消耗动触头初动能时，触头会在反力作用下反向运动，这一过程称为反跳。由于触头的一侧或两侧装有预压缩的弹簧，弹簧和触头可以视为一个弹簧振子，在碰撞——反跳中做往复运动，直到能量损失使碰撞后弹簧的压缩力大于反跳力，振动过程结束。触头弹跳时接触电阻会周期性地增大（由于接触面积在变化），甚至使动静触头分离而产生电弧，使触头熔焊和烧损，严重影响触头的电寿命和工作稳定。根据对触头弹跳过程的能量平衡买情况进行分析，得到触头反跳时最大距离公式式中和分别表示触头的初速度和质量；表示触头弹簧的预压缩力；是弹簧刚度；为材料的恢复系数（与碰撞材料的能量损失有关）。为了减少触头反跳，应当选用较硬的弹簧、恢复系数接近于1的触头材料，并增大触头的预压缩力，减小触头的质量和闭合速度。但是考虑到电器其它性能的需要，不能全部采用以上措施，应该根据实际情况进行优化处理。4-4答：触头熔焊可分为两类，一类称为静熔焊，由接触电阻长期发热产生，多发生于固定连接或接触力大的闭合连接中；另一类称为动熔焊，由于触头振动或被短路引起的巨大电动力斥开而产生电弧，电弧的高温使接触表面的金属熔化和汽化，最后导致触头焊接。还有一种叫做冷熔焊的情况，一般发生在洁净的贵金属接触表面。由于这种表面不易形成氧化膜，接触面较大，金属分子和原子间化学亲和力的作用使两个金属表面牢固结合。冷熔焊产生的触头间粘接力很小。熔焊与电流有关，强电流下的触头发热情况更严重，更易产生电弧，发生熔焊后果更严重。触头能承受短路电流峰值产生的电动力而不至发生熔焊的能力称为触头的电动稳定性。根据触头的电动稳定性经验公式式中为接触压力，系数取决于触头材料和接触形式。由此可见，可以增大触头压力，选择具有更大系数的接触形式以提高触头的电动稳定性。同时应选用电阻率小，抗拉强度小，熔化温度高的材料，以减轻熔焊的危害。4-5答：断路器触头大多采用面接触形式。因为断路器容量一般较大，接触压力也比较大，面接触可以增加有效接触面积，减少收缩电阻。断路器需要开断短路电流，因此采用多个触指并联组成的触头如玫瑰触头，可以使各触指间流过同方向的电流而产生互相吸引的电动力，从而提高触头的电动稳定性。4-6答：低压继电器和低压接触器都采用点接触的形式。以CJ20型交流接触器为例，它采用了双断点桥式触点结构，触点开距小，结构紧凑；触点分合时冲击力小，机械寿命长；具有两个有效灭弧区，灭弧效果好。其动触点通过弹簧固定在触点架上，便于安装，并且可以减少触点振动。低压继电器常用分裂触点和片簧形式，这种结构有利于继电器提高通断的可靠性。低压接触器的触点有时会采用线接触，如CJI8系列直流接触器采用的单断点指形触点。其优点是：触点在分合过程中有滑动，便于清除表面氧化层；触点材料可以采用铜或铜基合金；触点接触压力大，电动力稳定性高；触点参数易于改变和调节。这种触点多用于大、中容量接触器。而继电器为控制电器，主要用于小电流电路，反映控制信号，因此触点容量较小，不适合用线接触。4-7解：接触电阻的估算公式为采用线接触，取，查得AgC和AgNi的K值为4-8解：斑点a的最高温升包含3个分量：收缩区超温、接触电阻损耗温升以及导体本身温升。假设触点附近收缩区的导体外表面不散热，应用变截面导体温升模型和叠加定理有由于动触桥比静触桥导体截面积小得多，且长度很短，可以认为动触桥为一等温体并忽略其散热，触头产生的热量完全为静触头导体一边传出。所以稳定温升为铜导电板温升，即取铜导体的代入上式得已知银触点平均接触系数为所以4-9答：一台完整的电器产品最薄弱的环节为它的触头部分，原因是触头需要频繁动作（分断，关合），在分合过程中伴随着机械、化学、热、电等一系列破坏作用，使触头材料发生消耗及转移，导致接触表面逐渐损坏，破坏开关电器的正常工作。上述现象称为触头磨损，其产生原因主要有三种：机械原因，电和热的原因，以及化学原因。触头分合电流造成的磨损主要是电和热的原因。叙述如下：1）机械磨损触头在分合过程中，由于触头之间的撞击和滑动等机械力作用，会造成触头的变形和触头材料的损耗，触头接触压力越大，机械磨损越严重。但机械磨损不是触头磨损的主要形式，其磨损的比例只有电磨损的1%~3%。2）化学磨损触头金属材料由于和周围环境中化学腐蚀性的有害气体相互作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀，化学腐蚀使触头表面形成非导电膜，导致接触电阻增大和不稳定，甚至完全破坏触头的导电性能。这种非导电的触头在相互碰撞和接触压力等机械作用下，逐渐剥落，会形成金属材料的损耗。因此，触头的化学腐蚀也可以称为化学磨损。3）电磨损触头在分合电路过程中，触头间隙进行着剧烈的热电物理过程，伴随着金属液桥、电弧和电火花放电等各种现象，金属材料的金属会发生转移、喷溅和气化，使触头材料损耗和变形。这种现象称为触头的电磨损，也称为触头的电腐蚀，是触头磨损的主要形式。电磨损程度决定了触头的电寿命。针对以上提到的磨损原因，对触头进行相应的改进可以提高触头的寿命。如选用导热性好的材料作为桥最高温度偏移边的触头而组成所谓“补偿触头对”以限制桥转移，减少桥磨损；选择适当的吹弧方式以减少熔化金属被吹弧力吹散带来的材料损失；采用化学稳定性好的材料和电化电位差小的金属以降低化学腐蚀度；减小触头闭合时的速度防止触头弹跳和冲击损耗等等。