电接触的热效应

BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应1第四章电触点的热效应(ThermalEffectsofElectricContacts）周怡琳BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应2主要内容•第一节引言•第二节电触点温度与电压的关系•第三节电触点热时间常数•第四节电触点热平衡时的温度•第五节不同材料相接触时电触点温度与电压的关系BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应3第一节引言•一、接触点的温度升高的原因1.导体界面接触处存在接触电阻，电流通过产生焦耳热。2.接触点区域小、热容小。3.接触处基本没有热辐射和对流，散热困难。→导致接触点局部区域温度升高。BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应4二、过高的接触点温升造成的影响1.促进触点表面膜层生长，使接触电阻升高；2.接触点附近的有机物封装材料受热分解，吸附在接触点，使接触电阻升高。3.接触表面的金属软化或熔化甚至沸腾，造成接点界面熔结，开关触点不能正常断开。在滑动接触界面上，金属相互转移，磨损程度严重。但金属软化或熔化对接触电阻无影响。4.增大扩散速度，使基底金属加速向表面金属扩散，加快表面非金属膜层的形成。因此应当控制接触点的温度升高。BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应5三、研究电触点热效应的目的1.目的–找出导电斑点及其附近的温度大小和分布2.存在问题及解决方法–导电斑点在接触界面之中，尺寸小（微米级），一般方法不能直接测量；–从理论推导导电斑点温度与易于测量的接触电压U、通过触点的电流I之间的关系；–测量接触电压、电流，间接可知导电斑点的温度。BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应6第二节电触点温度与电压的关系一、场的类比关系由物理基础知识可知，电流和热流都服从类似的定律。1.均匀场电路问题传热问题R，电阻；ΔU，电位差；I，电流；ρ，电阻率（m）；Rθ，热阻；ΔT，温差；Φ，热流；λ,热导率，(W/mK)；•对比二式AlRIUR)14(RRAlRTR1BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应7一、场的类比关系2.非均匀场–只要二者的数学模型和边界条件相同，可用无限小量dR、dRθ代替R、Rθ，同样成立：（4－2）–根据这个场的类比关系式，即可导出电接触收缩区中电位与温度之间的关系，称为Φ－θ关系。–下面引用Holm在假定电接触收缩区中电流和热流路径相同条件下，用热阻概念所作的证明。dRdRBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应8二、接触点温度与电压关系的证明1.Holm提出的热流和温度的模型①假定条件A.满足“长收缩”情况，多斑点之间的电位场、温度场互不干扰，只研究一个导电斑点；B.接触界面两侧对称，材料也相同，因此只须考虑单侧。C.由于两侧对称热量产生在接触界面很小区域内，无热流通过界面。D.由于导体的外表面和外界环境是绝热的，因此收缩斑点产生的热量全部通过导体的热传导作用传递出去。E.电流线和热流线完全一致，等温线和等电位线一致，但方向相反。BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应9二、接触点温度与电压关系的证明②模型位置电位温度温升AeU/2T00AφTθA00TmaxθmaxBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应10二、接触点温度与电压关系的证明3.计算①一般式•在半无限大收缩区内取两无限靠近的等位（等温）面，研究此两面间薄壳层的热传导；•两等位（等温）面电位：φ，φ＋dφ；•两等位（等温）面温度：T，T＋dT；•电流通过此壳层的电阻：dR；•热流通过此壳层的热阻：dRθ。BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应11二、接触点温度与电压关系的证明•与电路有类比关系，A0和A之间的功率损耗为I，在温差dT作用下以热流形式流出。–则－IdRθ=dT；（负号是因为热流方向和电流方向相反）•又Rθ=R/ρλ•且由欧姆定律有IdR=d•可得d=－dT，•对其进行积分，•积分上限：A0•积分下限：ABeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应12二、接触点温度与电压关系的证明•可得（4－3）–必须指出，热传导关系是在稳定平衡状态下才成立，即在所研究的热空间中没有热量的积累。maxmax220TTTTdTdTdBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应13二、接触点温度与电压关系的证明②特殊情况•两收缩区边界面之间总接触电压为U，半无限大收缩区边界面电位分别为±U/2，则•接触材料的电阻率和热导率均为温度的函数，用其平均值代替，则（4－4）max00max8220TTTTUdTUdTd882max20maxUUTTBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应14二、接触点温度与电压关系的证明4.说明：①式（4－4）被广泛地用来评估接触界面在运行过程中的温升。②式（4－4）的右边只包含了和这两个材料的特性参数，而不包含触点的几何形状。因此温升θ和电位φ之间的关系式对任何形状、任何尺寸的触点都是适合的。③一般地，设计出来的连接器在极限运行条件下，其温升不能超过1～3C。若温升超过这个范围（比如达到几十度），则式（4－4）不再成立。–因为它是在和设为平均数的条件下推导出来的，和随温度变化时，温升θ和电位φ之间的关系如下：BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应15二、接触点温度与电压关系的证明–和与温度有关时的温度与电压的关系•材料的导热系数和电阻率与温度有关，它们和温度之间的关系满足：–0和0分别是温度为0C时的导热系数和电阻率；–和分别为和的温度系数。•是随温度的升高而减少，是随着温度的升高而增加)54(]32)([8313max212max1max002TTTTTTUBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应16BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应17二、接触点温度与电压关系的证明•说明：①当通过触点的电压降大于10mV时，触点温度和环境温度有明显差别。当通过触点的电压降大于0.1V时，接触点的温度将超过其软化或熔化温度，而使接触面发生软化或熔化现象。②式（4－5）的适用条件是a-斑点的平均半径大于材料的自由电子的平均自由行程。③表1列出了常见接触材料发生软化或熔化时，由式（4－5）计算得到的电压值。BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应18BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应19三、温升θ和电位φ之间关系的应用1.Wiedemann-Franz定律–由于式（4－4）中是取电阻率ρ和热导率λ的平均值使积分简化，但超过常温范围的电阻率和热导率的精确函数关系还不知道，所以无法积分。使用金属传导理论中的Wiedemann-Franz定律解决困难。–Wiedemann-Franz公式•该定律：自由电子对热导率的贡献λe和对电导率的贡献k之比等于洛伦兹常数（L＝2.45×10-8(V/k)2）乘以绝对温度。•由于λe是金属热导率的主要部分，/k＝＝LTLTkeBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应20三、温升θ和电位φ之间关系的应用2.温升θ和电位φ之间的关系–从工程的观点看，由这（4－4）和（4－6）两个式子算得的温升的差别很小，这说明了式（4－6）在计算温升时的普遍适用性。–式（4－6）和触点的材料特性无关，只要Wiedemann-Franz定律成立，它既适用于单金属触点，也适用于双金属触点。Wiedemann-Franz定律的成立并不意味着最大的触点温度发生在物理界面上。)64()(2)(28202max202max2max0max0TTLUTTLLTdTdTUTTTTBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应21四、触点在软化或熔化温度时的值1.触点电流、压力与温度的关系①由于接触点的电压降为：将它代入式（4－6），可得：PI/nPHIIRUCC89.0)74()(25.2202HnTTLPImBeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应22四、触点在软化或熔化温度时的值②和温度T的关系为：③假定材料硬度H和L不随温度而变化，则•0：室温时的材料电阻率；•：电阻率温度系数；•假定n＝1，＝0.7，L＝2.4510-8V2/K2，则)1(0THnTTLTPI)()1(25.2202max0HTTTPI202max04)1(1017.4PI/BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应23常用几种金属的软化温度、熔化温度及相应的电压、值金属软化熔化温度电压温度电压(C)(V)(A/N1/2)(C)(V)(A/N1/2)Au1000.08214.410630.43394.1Ag1800.09394.29600.37556Sn1000.07102.62320.13138.6Cu1900.12310.010830.43433.9Al1500.1257.56600.3365.2PI/PI/PI/BeijingUniversityofPostsandTelecommunications2020/1/19第四章电触点的热效应24第三节电触点热时间常数•接触区热效应–热稳定状态：收缩区的热过程已达平衡，其温度大小、分布已与时间无关；–热暂态：收缩区的热过程尚未到达稳定状态，收缩区内的温度大小和分布还在随时间而变，就是电接触的暂态热效应。•热时间常数–表征发热体温度上升或下降的快慢（热惯性）–电触点通电、断电时收缩区内温度变化的速度可以用热时间常数表征。Beiji