第四章电接触的热效应

周怡琳2020/4/6第四章电触点的热效应1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2020/4/6第四章电触点的热效应2一、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。2020/4/6第四章电触点的热效应31.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。2020/4/6第四章电触点的热效应41.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；◦从理论推导出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。2020/4/6第四章电触点的热效应5一、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(RR2020/4/6第四章电触点的热效应6AlRTR12.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。dRdR2020/4/6第四章电触点的热效应71.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。2020/4/6第四章电触点的热效应8②模型位置电位温度温升AeU/2T00AφTθA00Tmaxθmax2020/4/6第四章电触点的热效应92.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。2020/4/6第四章电触点的热效应10◦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：A2020/4/6第四章电触点的热效应11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2020/4/6第四章电触点的热效应12②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2020/4/6第四章电触点的热效应133.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2020/4/6第四章电触点的热效应14④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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温度和电压之间的关系满足：)54(]32)([8313max212max1max002TTTTTTU2020/4/6第四章电触点的热效应15max082TTdTU)1)1(00TT（；说明：①举例：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4-1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。2020/4/6第四章电触点的热效应162020/4/6第四章电触点的热效应17•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。2020/4/6第四章电触点的热效应18表4-1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2020/4/6第四章电触点的热效应192.温升θ和电位φ之间的关系◦表4-2给出了Cu-Cu触点在T0＝20C，分别由式（4-4）和式（4-6）计算得到的温升（Tm-T0）值。◦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2020/4/6第四章电触点的热效应202020/4/6第四章电触点的热效应21电压降（V）温升(°C)温升(°C)0.0050.470.440.011.91.70.027.56.90.0317150.0430270.054741)(80max2TTU)(4202max2TTLU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2020/4/6第四章电触点的热效应22)74()(25.2202HnTTLPIm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2020/4/6第四章电触点的热效应23HTTTPI202max04)1(1017.4PI/2020/4/6第四章电触点的热效应24金属软化熔化温度（ºC）电压（V）(A/N1/2)温度（ºC）电压（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/表4-3常用几种金属的软化温度、熔化温度及相应的电压、值PI/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。2020/4/6第四章电触点的热效应251.在接触点处由于电流通过接触电阻而生热，同时又因热传导作用而散热，接触处形成热平衡。2.热平衡方程◦条件：接触斑点周围的收缩区形成直径为d的球体，◦球体温度＝收缩区温度，视为等温体。式中，t为时间，T为温度，T0为环境温度，C为热容，K为热导。◦其解为：)84()(02dtTTKdTCRdtI)94()1()1(220ttCKeKRIeKRITT2020/4/6第四章电触点的热效应2627标准定义是：“当一系统由于加给一微小的热量δQ而温度升高dT时，δQ/dT这个量即是热容。”（GB3102.4-93）热容是当物质吸收热量温度升高时，温度每升高1K所吸收的热量称为该物质的热容。热容是一个广度量◦如果升温是在体积不变条件下进行，该热容称为等容热容；◦如果升温是在压力不变条件下进行，该热容称为等压热容；◦单位质量物体的热容称为比热容。◦设物体的温度由T1K升高至T2K时吸热为Q，则Q/（T2-T1）称为T1至T2温度间隔内的平均热容（averageheatcapacity）。28又称比热容量，简称比热(specificheat)，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号c表示。比热容的主单位为J/(kg·K)，常用单位：kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。29水4.2kJ/(kg·℃)冰2.1kJ/(kg·℃)酒精2.1kJ/(kg·℃)煤油2.1kJ/(kg·℃)蓖麻油1.8kJ/(kg·℃)橡胶1.7kJ/(kg·℃)砂石0.92kJ/(kg·℃)干泥土0.84kJ/(kg·℃)玻璃0.67kJ/(kg·℃)铝0.88kJ/(kg·℃)钢铁0.46kJ/(kg·℃)铜0.39kJ/(kg·℃)汞0.14kJ/(kg·℃)铅0.13kJ/(kg·℃)30⒈不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种特性，因此，可以用比热的不同来（粗略地）鉴别不同的物质；⒉同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化。如一杯水与一桶水，它们的比热相同；⒊对同一物质，比热值与物态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的（忽略温度对比热的影响），但在不同的状态时，比热是不相同的。例如水的比热与冰的比热不同。⒋在温度改变时，比热容也有很小的变化，但一般情况下可以忽略。比热容表中所给的比热数值是这些物质在常温下的平均值。⒌气体的比热容和气体的热膨胀有密切关系，在体积恒定与压强恒定时不同，故有定容比热容和