第六章 电接触理论()

电器理论基础FundamentalsofElectricalApparatus电气与控制工程学院王智勇2020/1/20第六章电接触理论2第六章电接触理论本章教学目的与要求：•掌握接触电阻的理论和计算，熟悉各种电接触，了解电接触内表面的物理图景；•掌握接触点最高温升的计算，了解触头闭合过程的振动；•掌握触头间的电动斥力、熔焊与焊接力，熟悉触头材料，了解触头质量的转移与磨损；•通过本章的学习，学生应掌握电器开关中接触电阻所涉及的因素，电器设计中接触点最高温升的计算，如何降低触头闭合过程中的振动。2020/1/20第六章电接触理论3第六章电接触理论本章教学重点与难点：接触电阻的理论和计算；接触点最高温升的计算；斑点的温度θm和接触电阻Rj的大小。本章教学基本内容：概述电接触内表面的物理图景接触电阻的理论和计算ψ-θ理论和接触电压触头闭合过程的振动分析触头间的电动斥力触头熔焊与焊接力触头的质量转移和磨损2020/1/20第六章电接触理论4第六章电接触理论§6-1概述§6-2电接触内表面的物理图景§6-3接触电阻的理论和计算§6-4ψ-θ理论和接触电压§6-5触头闭合过程的振动分析§6-6触头间的电动斥力§6-7触头熔焊与焊接力§6-8触头的质量转移和磨损2020/1/20第六章电接触理论5§6-1概述电接触（ElectricalContact）电流从一个导体传向另一个导体，导体间的接触处称为电接触电接触的类型固定接触滚动和滑动接触可分、合接触2020/1/20第六章电接触理论6§6-1概述电接触的类型固定接触滚动和滑动接触可分、合接触可分、合接触的工作条件最苛刻，对其要求也最高闭合状态：局部发热分断、关合：产生电弧、触头烧蚀、触头材料损失、熔焊2020/1/20第六章电接触理论7§6-1概述对电接触的要求长期通过额定电流时，温升不超过国家标准规定的数值，而且温升长期保持稳定短时通过短路电流或脉冲电流时，不发生熔焊或松弛主要研究内容接触电阻温升熔焊触头材料损失可分、合接触在开断过程中，触头材料损失应尽量小可分、合接触在闭合过程中，接触处不应发生不能断开的熔焊，且触头表面不应有严重的损伤或变形2020/1/20第六章电接触理论8第六章电接触理论§6-1概述§6-2电接触内表面的物理图景§6-3接触电阻的理论和计算§6-4ψ-θ理论和接触电压§6-5触头闭合过程的振动分析§6-6触头间的电动斥力§6-7触头熔焊与焊接力§6-8触头的质量转移和磨损2020/1/20第六章电接触理论9§6-2电接触内表面的物理图景电接触宏观平坦光滑微观凸凹不平电接触的表面状况与材料、加工方法、工艺有关2020/1/20第六章电接触理论10§6-2电接触内表面的物理图景电接触的物理过程视在接触面积（大）实际接触面积（很小）接触点压强（很大）实际接触面积接触点压强氧化膜破裂导电斑点平衡视在接触面积实际接触面积导电斑点面积2020/1/20第六章电接触理论11第六章电接触理论§6-1概述§6-2电接触内表面的物理图景§6-3接触电阻的理论和计算§6-4ψ-θ理论和接触电压§6-5触头闭合过程的振动分析§6-6触头间的电动斥力§6-7触头熔焊与焊接力§6-8触头的质量转移和磨损2020/1/20第六章电接触理论12§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）电接触处存在的附加电阻产生接触电阻的原因视在接触面导电斑点导电膜电流线收缩电流路径导电截面膜电阻收缩电阻接触电阻2020/1/20第六章电接触理论13§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）实质一个接触元件的收缩电阻由电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻若实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时有另一附加电阻，称膜电阻接触电阻一般包含三个部分接触面间的膜电阻另一个接触元件的收缩电阻2020/1/20第六章电接触理论14§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）接触电阻一般包含三个部分收缩电阻对孤立导电斑点，总收缩电阻理论公式为收缩电阻的物理意义：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n个并联导电斑点的收缩电阻导电斑点之间没有影响接触元件材料的电阻率导电斑点的半径n个导电斑点半径的平均值2020/1/20第六章电接触理论15§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）接触电阻一般包含三个部分表面膜清洁的金属表面吸附一层气体，其中的氧气或其他活泼气体常与反应生成表面膜表面膜的类型绝缘膜：厚10-8~10-9m，如金属表面氧化膜，颜色灰暗，又称为暗膜导电膜：厚度极薄、厚度为10-10m，电子可借“隧道效应”透过薄膜而导电，又称为吸附膜面电阻率：Ω·m22020/1/20第六章电接触理论16§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）接触电阻一般包含三个部分表面膜金表面无暗膜，只有吸附膜。这种膜极易隧道导电，在电子设备中大量使用银不易氧化，但大气中有臭氧存在时，氧化成Ag2O（易于清除，且在200˚С时即分解），大量用于触头材料铜在空气中会由吸附膜发展为氧化暗膜2020/1/20第六章电接触理论17§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）对于电接触，最关于的是膜的导电性和是否易于破坏设电子透过势垒形成的电流密度为J，接触面之间的电压为U膜的隧道电阻率（面电阻率）膜电阻n个并联导电斑点的膜电阻绝缘膜的破坏电的方法：击穿、熔解机械的方法：挤压、滚滑、碰撞2020/1/20第六章电接触理论18§6-3接触电阻的理论和计算接触电阻（Rj）单个导电斑点的接触电阻n和ap与接触力F有关n个并联导电斑点的接触电阻经验公式与接触形式有关点接触线接触面接触m增大与材料的电阻率和硬度有关2020/1/20第六章电接触理论19第六章电接触理论§6-1概述§6-2电接触内表面的物理图景§6-3接触电阻的理论和计算§6-4ψ-θ理论和接触电压§6-5触头闭合过程的振动分析§6-6触头间的电动斥力§6-7触头熔焊与焊接力§6-8触头的质量转移和磨损2020/1/20第六章电接触理论20§6-4ψ-θ理论和接触电压由于接触电阻的存在，电流通过时，接触处的温度最高单位体积的发热功率：电接触区域的散热接触内表面气隙很小，对流的作用可忽略空气的热导率很小，热传导可忽略电接触处绝对温度不高，辐射可忽略电流收缩区的热量只能通过两接触元件传导出去关心的问题？在一定的电流下，斑点的最高温度以及收缩区的温度分布直流测量的难点接触导电斑点尺寸非常小，且分布于接触内表面之中ψ-θ理论：给出了接触压降与接触点温度的关系2020/1/20第六章电接触理论21§6-4ψ-θ理论和接触电压在ψ-θ相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流（温度场）与电流（电位场）完全重合求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程2020/1/20第六章电接触理论22§6-4ψ-θ理论和接触电压在ψ，θ相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流（温度场）与电流（电位场）完全重合求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程θm：导电斑点温度θ0：收缩区外导体温度Uj:接触电压降λ：热导率（温度的函数）ρ：电阻率（温度的函数）测得θ0，Ｕj即可求得斑点温度θm2020/1/20第六章电接触理论23§6-4ψ-θ理论和接触电压在ψ，θ相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流（温度场）与电流（电位场）完全重合求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程θm：导电斑点温度θ0：收缩区外导体温度Uj:接触电压降λ：热导率（温度的函数）ρ：电阻率（温度的函数）测得θ0，Ｕj即可求得斑点温度θm但λ、ρ的平均值一般很难得到可利用魏德曼弗朗兹（Wiede-Mann-Franz）定律2020/1/20第六章电接触理论24§6-4ψ-θ理论和接触电压魏德曼弗朗兹（Wiede-Mann-Franz）定律求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程任何纯金属材料在理论上λρ与温度T成线性关系L:洛仑兹（Lorenz）系数，与金属材料的种类和温度都无关，理论值为在Tm远大于Ｔ0时：接触电压是反映斑点温度的主要参量2020/1/20第六章电接触理论25§6-4ψ-θ理论和接触电压电接触的Ｒj-Uj静特性直流稳态电流下，改变I，保持I不变，测量接触电压和电流，所得到的接触电阻Rj=Uj/I与接触电压Uj之间的关系清洁交叉铜棒接触的静特性2020/1/20第六章电接触理论26§6-4ψ-θ理论和接触电压电接触的Ｒj-Uj静特性abIUjTaRj曲线上升b点软化点铜的软化电压：0.12Ｖ对应的软化温度：180˚C清洁交叉铜棒接触的静特性软化点对应的接触电压称为接触材料的软化电压2020/1/20第六章电接触理论27§6-4ψ-θ理论和接触电压电接触的Ｒj-Uj静特性b点软化点bc接触面积很快扩大Rj显著减小cdIUjTaRj曲线上升清洁交叉铜棒接触的静特性材料达到软化点后一段温度范围内机械强度不再减小，接触斑点不再扩大2020/1/20第六章电接触理论28§6-4ψ-θ理论和接触电压电接触的Ｒj-Uj静特性cdIUjTaRj曲线上升d点熔点铜的熔化电压：0.43Ｖ对应的熔化温度：1083˚C清洁交叉铜棒接触的静特性熔点对应的接触电压称为接触材料的熔化电压2020/1/20第六章电接触理论29§6-4ψ-θ理论和接触电压电接触的Ｒj-Uj静特性d点熔点de斑点金属熔为一体Rj显著减小ef斑点熔化Rj减小发热减小热传导增强温度降低、凝固清洁交叉铜棒接触的静特性2020/1/20第六章电接触理论30§6-4ψ-θ理论和接触电压电接触的Ｒj-Uj静特性d点熔点b点软化点实用意义清洁交叉铜棒接触的静特性若已知材料的软化电压和熔化电压，就可估计触头不发生熔焊的最大允许通过的电流2020/1/20第六章电接触理论31第六章电接触理论§6-1概述§6-2电接触内表面的物理图景§6-3接触电阻的理论和计算§6-4ψ-θ理论和接触电压§6-5触头闭合过程的振动分析§6-6触头间的电动斥力§6-7触头熔焊与焊接力§6-8触头的质量转移和磨损2020/1/20第六章电接触理论32§6-5触头闭合过程的振动分析触头在闭合过程中会产生弹跳（Bounce），称为触头的机械振动（Vibration）接触电阻周期性地增大，甚至分离产生电弧，使触头熔焊和烧损触头振动的危害动触头装有弹簧，静触头刚性联接电器中触头结构的分类静触头装有弹簧，动触头刚性联接动、静触头都装有弹簧2020/1/20第六章电接触理论33§6-5触头闭合过程的振动分析以第一类触头结构为例弹簧的作用施加触头压力提高刚分速度减小触头弹跳2020/1/20第六章电接触理论34§6-5触头闭合过程的振动分析以第一类触头结构为例达到最大反跳距离动触头向下运动达到最大变形动触头开始反弹碰撞瞬间触头开始发生变形弹性塑性可恢复不可恢复2020/1/20第六章电接触理论35§6-5触头闭合过程的振动分析以第一类触头结构为例动触头运动碰撞（变形）反跳减小触头弹跳弹簧压缩弹簧压力消耗能量反跳力2020/1/20第六章电接触理论36§6-5触头闭合过程的振动分析触头振动弹开距离与时间的关系无危险振动：xmxd关心的问题：缩短xm和tm8点以后触头反跳距离小于触头的形变距离，虽有振动但不再分离2020/1/20第六章电接触理论37§6-5触头闭合过程的振动分析最大反跳距离碰撞前后能量守恒动触头质量：m1反跳初速度：V20塑性变形消耗能量：WA假定碰撞是瞬时的触头弹簧预压长度：l0弹簧刚度：Ｃ弹簧预压力：F0=Cl0ε：触头材料的弹性系数0：理想塑性1：理想弹性Ｋ＝1-ε2：触头材料的恢复系数2020/1/20第六章电接触理论38§6-5触头闭合过程的振动分析最大反跳距离碰撞前求解思路根据动触头反跳过程中的能量守恒动触头的初始动能碰撞中损失的能量达到最大反跳时弹簧获得的势能2020/1/20第六章电接触理论39§6