电接触

电接触1.电接触的分类和要求任何一个电系统，都必须将电流(作为电的信号或电的能量)从一个导体通过导体与导体的接触处传向另一个导体，此导体与导体的接触处常常是电信号或电能传送的主要障碍。由电机、电器、自动元件、仪表、计算机等级成的现代化大型复杂电系统，例如通信系统、控制系统、拖动系统、电力系统等，它们所包含的电接触数目往往成千上万。如果其中一个成几个工作不正常或失执则将导致整个系统工作紊乱甚至停顿，其后果极其严重。（1）电接触的定义•两个或几个导体通过机械方式接触，从而可以使电流通过的状态称为电接触。•开关设备的导电回路总是由若干个导体元件构成，电接触是开关设备结构原理中非常重要的内容，直接影响开关电器的质量和性能指标，电接触理论是开关电器的重要基础理论之一。（2）电接触的分类•电力系统和开关设备中电接触的具体结构类型是多种多样的，根据在操作过程中接触处是否存在相对运动分为三大类：•固定接触：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。两个或几个的导体连接处用螺钉、螺纹或铆钉等紧固件压紧的机械方法固定的电接触。例如母线的螺栓连接或铆接(又称永久接触)，仪表中的塞子、插头(又称半永久接触)等。•滚动和滑动接触：两接触元件能作相对滚动和滑动，但不相互分离。例如断路器的滚轮触头，电机的滑环与电刷及电气机车的馈电弓与电源线等。•可分接触：两接触元件可随时分离或闭合。这种可分接触元件通常称为触头或触点。一切利用触头实现电路的接通和开断的电器中都可见到这种接触类型。可分触头是开关设备中实现电路断开（分）和闭合（合）的主要执行部件。•可分接触按控制电流的大小可分为：弱电流触头（1A以下），中电流触头（几A到几百A），强电流触头（几百A以上）。固定接触滑动及滚动接触可分合接触1——动接触元件；2——静接触元件•上述三种接触型式中，它们共有的工作状态是接触元件闭合接通电流。运行经验表明，当两导体相互接触流过电流时，接触处会出现局部高温，严重时可达接触导体材料的熔点。•在可分接触中，它的工作状态除闭合通电以外，还有由闭合过渡到分离，最后切断电路，或由分离过渡到闭合，最后接通电路，以及处于开断状态等。触头在切断或闭合电路的过程中，触头间往往会出现电弧。电弧的温度很高，大大超过一般金属材料的熔点或沸点。即使电弧存在的时间很短，也会使触头表面熔化和气化，造成触头材料的损失，或者产生触头的熔焊。因此，在以上三种电接触类型中，工作任务最重的是可分接触。（3）对电接触的主要要求不良的电接触，不仅会损坏开关设备本身，而且使电力系统发生各种事故。为了保证电接触长时间稳定而可靠地工作，对开关电器电接触在工作过程中的主要要求是：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，而且温升长期保持稳定。接触电阻要求稳定。2.电接触在短时通过短路电流时，接触处不发生熔焊、松弛或触头材料的喷溅。3.在开断过程中，触头材料损失（电磨损）应尽量小。4.在关合过程中，接触处不应发生不能断开的熔焊，且触头表面不应有严重损伤或变形。2.接触电阻的理论和计算•电流通过两导体电接触处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。导体电阻接触电阻一均匀导体通以电流I，用电压表测量导体上一段的电压降U，则这一段的电阻为URI将导体切断或对接起来形成电接触，导体仍通以电流I，用电压表测量导体上同样长度一段的电压降Uc，比U大得多，电阻Rc也比R大得多CURI•接触电阻的物理实质是什么？直到上世纪初，才由电接触学科的奠基人霍尔姆(R．Holm)做了正确的解释。他指出：任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平的，当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点(小面)发生了真正的接触，其中仅仅是一小部分金属接触或准金属接触的斑点才能导电。当电流通过这些很小的导电斑点时，电流线必然会发生收缩现象。电流线收缩，流过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电截面减小，因而电阻值相应增大。这个因电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻，是构成接触电阻的一个分量。•其次，由于金属表面上有膜的存在，如果实际接触面之间的薄膜能导电则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有另一附加电阻，称膜电阻（表面电阻），它是构成接触电阻的另一个分量。•总起来说，接触电阻一般地应包含三个部分：一个接触元件一边的收缩电阻，接触面间的表面电阻，另一接触元件一边的收缩电阻，三者在电路上是串联的关系。CkfRRR电接触内表面的物理图景收缩电阻现假定：(1)接触内表面中，导电斑点的几何形状为圆形，半径为α(故常称为导电斑点α)，且α为常数；(2)导电斑点α之间有足够大的分散距离，以致斑点与斑点之间电流——电位场互不干扰；(3)两接触元件中，收缩区内的电流一电位场完全对称，且材料的电阻率处处相等。在以上假定条件下，可以取一个孤立的导电斑点α，建立物理模型，进行理论上的定量分析。•根据电流场与静电场相似的理论，两电极间的电阻与真空中同样两个电极间的电容C之间有一定的比例关系，即•半径为α的薄圆盘与距离无限远处球面间的电容为•接触面一方的电容，即薄圆盘与距离无限远处半圆球面间的电容为0RC08C0142CC•接触面一方的收缩电阻•接触点的收缩电阻为•上式给出了重要的物理意义：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，与接触点接触半径（导电斑点的半径）成反比。•一般情况下，接触内表面中，导电斑点有n个，在电路上是并联的关系，总收缩电阻为04RC22kRR122knpiiRn•在一定的接触压力下，触头材料的变形与触头材料的特性、接触表面的曲率半径以及表面的粗糙程度有关。即使经过精密加工的表面也会有几个微米的凹凸不平，两个接触面接触时总会有一个高点先接触，继续压紧时又会有另外一些点接触，接触点中有弹性变形也有塑性变形。弹性变形•球面与球面接触•球面与平面接触•弹性变形下接触面的半径与接触压力的立方根成正比•球面与球面接触时的收缩电阻•球面与平面接触时的收缩电阻31.82REFr31.11FrE30.91FrE32.22REFr塑性变形•当接触点的压强超过材料屈服强度就会出现塑性变形。压强很大，接触面的极大部分是塑性变形时，接触点的平均压强才可视为常数，这个平均压强称为触头材料的接触硬度。接触硬度与布氏硬度HB不同。布氏硬度HB是在一定压力一定的测量方法下，根据受压点塑性变形的程度来确定的；而接触硬度H与接触压力F、接触面的半径α之间的关系可用下式表示：•实际接触中总会有一部分弹性变形存在•塑性变形下接触面的半径与接触压力的平方根成正比2FFHH或FH21.13kHHRFF表面电阻（膜电阻）•电接触的接触面上总会被一些导电性能很差的物质覆盖。由于这种原因出现的电阻增大称为表面电阻（膜电阻）Rf。•接触表面的覆盖物可能是金属的氧化物、硫化物等。这是由于电接触材料与周围介质如空气、油等起化学作用而生成的，也可能是落在接触表面上的灰尘、污物或夹在接触面间的油膜、水膜等。对于开关电器来说，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。氧化物薄膜使接触电阻大为增加。计算表明，几埃(10-10m)厚的氧化膜可使表面电阻成百万倍增长，几乎成为不导电的绝缘体。实际上，表面电阻不会高到这种程度。这是因为：（1）自由电子能自由穿过几埃以下的薄膜。（2）当电源电压较高时，很容易在薄膜中形成超过106V/cm的电场强度，将膜击穿。（3）电器的触头压力至少在几十牛顿以上．这样大的压力会压碎氧化膜。使触头的金属材料直接接触，从而使表面电阻显著下降。但是在全部实际接触面积中不免还有相当多的接触面积仍为金属氧化膜所占据。氧化膜的存在仍然会使表面电阻有所增大。不过这种情况下．表面电阻主要决定于接触压力的大小和氧化膜的机械强度，而膜的电阻率往往不起主要作用。3.影响接触电阻的因素（1）材料性质构成电接触的金属材料的性质直接影响接触电阻的大小。这些性质是材料的电阻率、材料的布氏硬度HB，材料的化学性能以及金属化合物的机械强度与电阻率。根据这四方面的性质，常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能如下：(1)银银的电阻率与硬度都小；银在低温下不易氧化，高温下银的氧化物又很容易还原成金属银；银的氧化物的电阻率也很低。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，因此电器中常采用铜镀银或镶银的方法。(2)铜铜的电阻率与硬度比银略大；在室温下，在大气中或变压器油中铜会氧化；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。为了减小接触电阻，可以在铜上镀银或镶银，也可以镀锡。铜的优点是硬度小，氧化膜的机械强度低。(3)铝铝的电阻率及硬度不算太高；铝的严重缺点是化学性质活泼，在空气中，室温条件下很容易生成又硬又厚的氧化膜．从而使接触电阻增高。因此，铝一般只用于固定接触，并常采用表面覆盖锡的方法来减小接触电阻。（4）金、铂、铱等这些贵重金属的优点是化学性能稳定，触头表面不会产生不导电的薄膜。但是这类贵重金属材料价格昂贵，来源稀缺，不能大量使用，—般只用于低压电器中的弱电流触头。（5）钨铜和钨银复合材料以高熔点金属钨与高导电金属铜、银采用粉末治金的方法制成的钨钢和钨银复合材料具有导电性能好，在电弧作用下烧报小的特点，是开关电器中广泛使用的触头材料。钨钢复合材料价格较便宜，主要缺点是在大气中易氧化，接触电阻不稳定。适宜用在油断路器和六氟化硫断路器中。常用的是含钨量为80％的钨铜复合材料。钨银复合材料通常用于对接式的触头上，接触电阻稳定但耐弧性能稍差。（2）接触形式接触的形式很多，按触头外形的儿何形状不同，可分为点接触、线接触和面接触三种接触的典型形式(1)点接触：一个球面与一个平面或两个球面相接触，从几何学角度看，两面接触于一点，所以称为点接触。当然，实际接触面是在个小面积内的若干个接触点。(2)线接触：一个圆柱面与一个平面相接触，从几何学角度看，两面接触在一条直线上，所以称线接触。当然，实际接触面是分布在狭长区域内的若干个接触点。断路器使用的玫瑰式触头就用于线接触。(3)面接触两平面相接触，从几何学角度看，接触面是一个平面，所以称为面接触。当然，实际接触面是分布在若干处的很多个接触点。•一般来说，面接触的接触点数n最大，收缩电阻最小；点接触n最少，收缩电阻最大；线接触的n的收缩电阻介乎两者之间。•对于强电流触头，接触形式对表面电阻的影响，主要表现在每个接触点的受力上。当触头上外加压力一定时，由于面接触的接触点n最多，每个接触点上的压强最小，表面电阻最大；点接触n最少，表面电阻最小；线接触的表面电阻在两者之间。•接触电阻是收缩电阻与表面电阻的总和，因此，接触形式对接触电阻的影响就比较复杂。乍一看来，似乎面接触的接触点最多，接触电阻应最小。其实不然，在接触压力较小时，由于表面电阻的影响，面接触的接触电阻不一定比点或线接触的接触电阻小。从实测数据可以发现，当接触压力很小时，面接触的接触电阻反而更大。•固定接触的连接一般采用螺栓压紧，压力很大，可以采用面接触，使接触电阻减少。可分接触的连接一般用弹簧压紧，压力较小．考虑到装配检修的方便和工作可靠，多采用点接触或线接触。近代断路器中，可分触头及滑动、滚动接触连接又进一步使多个线接触或点接触并联使用，使接触电阻减小．工作更加可靠，而且制造与检修也比较方便。（3）接触压力•接触压力对接触电阻有重要影响。没有足够的压力只靠加大接触面的外形尺寸并不能使接触电阻显著减小。•压力对收缩电阻的影响a)对于面接触．一般可以认为接触点数正比于接触压力b)对于点接触，可认为接触点数与接触压力无关c)对于线接触，介于两者之间，根据经验可取•接触压力对表面电阻的影响：加大压力，表面电阻减少。•加大压力都能使收缩电阻与表面电阻减小，因此总的接触电阻也减小。1kRF1kRF0.71kRF(4)接触表面加工情况接触表而可