电接触(电器学)-湖南电气与信息工程学院-课件.pdf
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1、第五讲电接触理论A电接触:导体与导体之间相互接触(传递电流或电信号)。内容提要电接触与触头接触电阻及其影响因素二.各种工作状态下的触头 触头材料2教学目的与要求:1、掌握电接触、触头的定义和分类,掌握换接触头的四种工作状态及基本参数;2、掌握接触电阻的组成、影响因素和工程计算公式;3、掌握接触点最高温升的计算,了解Rj-Uj特性,掌握触头 闭合过程的振动;4、掌握触头间的电动斥力、熔焊与电侵蚀,了解触头材料。3教学内容1、电接触与触头;2、触头的接触电阻;3、闭合状态下的触头;4、触头接通过程及其熔焊;5、触头分断过程与其电侵蚀;6、栓接连接触头与接触导电膏;7、触头材料。4教学重点与难点:1
2、、电接触和触头;2、接触点最高温升的计算;3、接触电阻。通过本章的学习,学生应掌握触头的接触电阻,接触点最高温升的计算,了解如何降低触头闭合过程 中的振动。51、2、3、4、5、6、本章基本内容电接触的定义和分类;接触电阻的组成、影响因素、减小措施和计算;触点最高温升的计算;触头间电动斥力、熔焊和电侵蚀;触头材料;欧洲两指令及对策。65-1电接触与触头电接触及其可能出现的问题1、任何电工装置都由彼此间以任意方式联系着的单元构成,其中赖以保证电流流通的导体间的联系称为电接触,它是一种 物理现象。通过互相接触以实现导电的具体物件称为电触头(简称触 头),它是接触时接通电路、操作时因其相对运动而断开
3、或闭 合电路的两个或两个以上的导体。75-1电接触后触头2、可能出现的问题:(1)两导体接触后,接触处会出现局部高温,严重时可达 接触导体材料的熔点;(2)触头在通断过程中,触头间会产生电弧,其高使触头 表面熔化和气化,使触头材料损失,或导致触头的熔焊。3、主要分析对象:接触电阻、温升、熔焊和磨损等。8 5-1电接触与触头二、触头及其分类-结构:两个或以上的导体基本要求:P35电阻不大且稳定分类连接触头(图21):机械方式连接-机械性能;总电阻小;温升;电动力换接触头(图22)-通常意义上的触头,用以接通、分断及转换电路的执 行部件,以动触头和静触头的形式成对出现、触头的四种工作情况及要求分断
4、状态过电压防电击穿断口间隔和爬电距离足够闭合状态 1)一定过载能力,控制温升;2)抗电磁斥力和熔焊;3)接触电阻的长期稳定-理论计算,-如何尽量小-闭合过程 情况:mv2/2;弹跳过程预击穿引起的短弧 1)弹跳持续时间要短;2)抗电弧熔焊性好;-分断过程考虑电弧的破坏影响:触头、绝缘等要求:-介质恢复强度高,燃弧时间短,过电压低,抗电弧焊 性好。:触头的工作要求(开或断)电动斥力 熔焊材料要求 温升结构 可靠熄灭电弧多方面,可围绕电击穿、热击穿阶段来分析四、触头基本参数开距、超程、初压力、终压力这四个参数是决定触头在运行中行为的主要参数。口开距:触头完全断开时,动静触头间的最短距离;超程:当动
5、静触头完全闭合后,移开静触头后,动触头还能 移动的距离。初压力:动静触头刚刚接触时,每个触头上承受的压力。终压力:动静触头完全闭合后,每个触头上承受的压力。-接触压力力的全动态过程仿真或试验Skip五、电接触的分类(略)1、电接触是导体与导体的接触处;也称电接触是2个或n个导体通过机械方式连接,使电流得以通过的状态。2、电接触的分类1:按结构形式不同,分三种。(1)固定电接触:用螺钉、钾钉等将母线与母线固定连接在一起,是 既无相对移动也无相对分合的电接触方式。(2)滑动和滚动电接触:触头能作相对滑动和滚动,但不相互分离,它们的相对运动方向与接触表面平行。14(3)可分、合电接触:定义:可分合电
6、接触又叫触头或触点,是指可随时分开和闭合的 电接触,常由动、静触头组成。为防止电弧将主触头烧损,有时是将主、副和弧触头并联在一起使用。触头根据控制电流的大小分为:弱电流触头(几个培以下,如继 电器的触头)、中电流触头(几个安培几百个安培,如低压断路器的触头)和强电流触头(几百个安培以上,如高压断路器和部分低压断路器)o15触头有关参数和指标:a工作参数(使用条件参数):%、续率(即TD%);b触头极数:直流有单极与双极;C断口数:单断口和双断口;与、工作制、操作频率、通电持交流有3、4、5极等;16d、结构参数:开距:触头完全断开时,动静触头间的最短距离;超程:当动静触头完全闭合后,触头将要移
7、动的距离。移开动(或静)触头后,静(或动)初压力:动静触头刚刚接触时,每个触头上承受的压力O终压力:动静触头完全闭合后,每个触头上承受的压力O17(C)面接触e特性指标:包括“容许温升;电动稳定性和动稳定 电流和电寿命(在规定的电路参数下,能正常 通断规定的负载电流的操作次数)”等。3、电接触的分类2:一按接触面积大小不同,分点、线、面接 触三种。6)点接触(b)线接触18六、对电接触的主要要求A电接触的工作面临:(1)长期工作电流作用;(2)开断与关合过程中的电弧作用。A电接触的可靠性对电器的电接触,特别是可分触头的工作可靠性是很重要的。如果触头的材料、结构或制造质量不好,触头在工作过程中就
8、会发 生严重损坏或因电弧而熔焊,电器工作的可靠性就无法保证。19七、为保证电接触长期稳定而可靠工作,必须做到: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;2、电接触在短时通过短路电流或脉冲电流时,接触处不发生熔焊或 松弛;3、可分合接触在开断过程中,接触材料损失尽量小;4、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损伤或变形。205-1电接触概述八、各类接触器实物图215-1电接触概述225-1电接触概述235-1电接触概述BACK45-1电接触概述255-2触头的接触电阻:两个触头表面情况加工的凸凹不平工业金属表面的凸
9、凹不平(110um)氧化污染接触处有金属、氧化污染后的金属及各种绝缘膜图225-触头温升恶性循环:温升导致接触电阻增加,接触电阻的 增加又导致温升增加R.=4(1+awT)5-2触头的接触电阻-、接触电阻是产生局部高温的原因。电流通过两导体点接触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。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。275-2触头的接触电阻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,见下
10、图6-4的示意图。图号电斑点附近电流线 收缩情况求意图28束流现象-实际接触面缩小到局限于少量的a斑点所造成的电流收缩现象口反向电动斥力 p=反21n R0 e-4乃 r(9)口 Pinch效应造成的附加斥力F=风/25-2触头的接触电阻二、接触电阻的组成:Rj=+(61+62)式中Rb:表面间膜电阻;Rs:收缩电阻。因电流线收缩(图6-4),使流过导电斑点附近的电流路径增长,有效导电 面 积减小,故电阻值相应增大而形成。特别地:1、材料相同时,H.=%+2恳 J s2、在真空中,Rb y 0,故R。2凡。J30三、触头的接触电阻的计算和影响因素表面膜尘埃膜、化学吸附膜、无机膜、有机膜:接触电
11、阻Rj式中耳;接触压力;(0.102/T(值:查表2-3;m值:与接触形式有关。点接触:m=0.5;面接触:m=l;线接触:相=0.51,约为0.7。三、接触电阻的影响因素:影响接触电阻的因素接触压力 K图227 R,=-&-表 2-5(0.102F.)m触头温升材料和接触面积材料、表面加工情况、接触点个数和接触面积(半径)、氧化和污染情况等归结为参数Ke接触形式:点接触、线接触和面接触(图226)*表2-4 Skig5-2触头的接触电阻四、如何减小Rj:1、收缩电阻Rs:1)分析某孤立的圆形、半径为a的导电斑点(尺寸只 有零点几毫米,甚至几微米的 数量级);2)对a建立收缩物理模 型,理论上
12、定量分析。见图 6-5 o图6-5瓶立。舞点收缩电阻物理模型(只绘出一半)335-2触头的接触电阻(略)图中细底线表示接触内表面,其中间的一小段粗线代表斑点 a,共焦点的椭圆壳和半圆弧线是等位面,指向a的是电流线。假设:除a导电外,其它接触面不导电。设a的电位为零,两接触元件收缩区的无限远处电位为(+/-)0.5Uj(出七用表测得的接触元件两端电压降),则沿电流线方 向的等位面将为一系列共焦点的椭圆壳,见图6-5。345-2触头的接触电阻3)孤立斑点a与总收缩电阻Rs:K=2R=2x9V式中a:导电斑点a的半径;b:导电斑点a的直径;:接触 元件材料电阻率。4)n个并联斑点的总收缩电阻:Rs=
13、i=l式中ap:n个斑点半径的平均值。实践上,求n、ap困难。355-2触头的接触电阻2、膜电阻Rb分析:1)吸附现象:产生表面膜;2)表面膜有导电膜和绝缘膜。导电膜也叫吸附膜,它的膜 薄,由电子“隧道效应”导电;绝缘膜较厚,有氧化物、硫化物、聚合物膜、玻璃状绝缘膜等。365-2触头的接触电阻3)金属表面膜的形成:以铜和银为例。a、以银为例分析:空气:银不易氧化;臭氧:Ag2O,易清除,200即分解;含H2 s的空气:在水膜中生成Ag2 s绝缘暗膜,干燥时不易 侵蚀银。Ag2 s是半导体,近似于绝缘件。375-2触头的接触电阻b、以铜为例:空气中,金属材料表面由吸附膜发展成肉眼可 见的氧化暗膜
14、,生长规律理论上由氧化速率的抛物线定律决定,但实 际的生长规律复杂。小E Z工一/I图6T几种常用触头材料在不同条件下氧化膜的生长加小O空气中b)相中385-2触头的接触电阻五、膜的导电性问题:1、理论分析:由经典理论知:一层绝缘膜,不论厚度如 何,电子都不能穿过它而导电。而量子力学理论:由电子的“波”的性质,电子能透过薄膜而导电,这个效应叫“隧道效应”。2、“隧道效应”的计算:0 隧道电阻率。(或称膜的面电阻率):0 二 了式中U:接触面间的电阻率;J:电子透过位垒形成的电流 密度。395-2触头的接触电阻(略)由。求膜厚:见下页图6-7。图6-7强道电阻率。的理论计算结果,膜*电子递出功4
15、05-2触头的接触电阻3、分析膜电阻Rb:单个斑点R产7n个并联斑点:凡二上F7r-n-ap4、绝缘暗膜的击穿:因与气 体介质击穿过程不同,也称之 为膜的熔解。图6-8绝缘暗膜的击穿膜的塔解415-2触头的接触电阻(略)1)半导体特征:电压U由0升高,膜电阻由MQ级下降;U下降,膜电阻上升。2)U上升至某临界值(如5伏),膜被击穿,膜电阻突然消失,接触面之间的电压立即下降到零点几伏的数量级。绝缘暗膜的电击穿过程:实线:加压或减压时,膜处于完好绝缘状态;U0:临界电压。当U、UO,膜被击穿,用虚线表示,并最终稳定在终止点(Rz,Uz)o O,3)膜击穿后,称电压在0.30.5V数量级的为A类熔解
16、;膜击 穿后,称电压在0.010.02 V数量级的为B类熔解。425-2触头的接触电阻(略)5、绝缘暗膜击穿的机理:电方面:(1)电击穿:电场内部电子发射,形成电子云,使金属表 面局部加热直至熔化,由于强大静电力作用,液态金属被吸入放电 通道而桥接,最后形成金属的电流通路。(2)热击穿:由于膜的不均匀性,使电流集中通过局部电 导率较高的点,引起半导体膜的温度升高,电导率增大,又使电流 更加集中和加大,以致发生最终的热击穿,被熔化的金属最后引入 击穿通道而桥接。435-2触头的接触电阻(略)机械方面:膜的机械破坏要求实际接触面上作用有很高的局部压力,并 且边面膜比本体金属应具有大得多的硬度和脆性
17、。为此需要接触表 面有一定的粗糙度,使接触斑点有小的接触面积,以获得高的局部 接触压力,同时选用适当的接触材料和结构。445-2触头的接触电阻6、计算接触电阻的理论公式:r _ Q+。271ap 7mo2P因式中的n、ap无法确定,改用F代替。根据弹性力学,理论光滑弹性球与平面接触时,a与F的关系为=,而 F=HA=H7Tq2;修正后,F=式中,是与材料变形有关的参数,0.3(1 o45r 1A5-2触头的接触电阻由这两式化简,并考虑膜的影响,得工程上计算接触电阻的 公式:式中k值:查表2-3;m值:与接触面变形有关。将上式两端取对数,得知Rj与F的关系为一直线,如下页图 6-9。TO时,得:
18、Tm 3200 Ujo由此得出斑点a的温度与接触电压间的简单数值关系。说明:Uj是反映斑点a温度的重要参量,有重要意义。605-3闭合状态下的触头(参考教材内容)(略)、接触导体的稳定温升分布:两根同材料、同截面的均质圆主柱形导体互相对接,接触面内有一圆形导电斑点,流过一稳定电流。二、假定:接触点附近收缩区这一小段导体外表面并不散热。接触电阻热损失向接触点两图6-13分析接触导体系统温度 分布的模型边导体各传一半。61三、在收缩区外,沿导体轴向的任意横截面积上电位和温度相等,故收缩区外导体中的温度分布是一维场问题。图6-13中,令收缩区边界(即接触面接触点)为直角坐标系的 原点,导体轴线与x轴
19、平行。在距离原点x处取一小段dx o收缩区外导体的温度分布的解为:Z=泉+(工o 一%).e式中:x=0处(即收缩区边界)的导体温升,其大小为:T0Tw+2AAKtP 5-4 触头接通过程及其熔焊、接通过程中的机械振动因有触头弹簧,触头会产生类似的弹跳,称为触头的机械振 动。在此过程中,Rj会周期性增大,分离时有电弧,使触头烧损 和熔焊,从而影响触头工作。1.电器触头的三种结构:第1类 在动触头边装弹簧,静触头为刚性连接;第2类在静触头边装弹簧,动触头为刚性连接;第3类在动、静触头边都装有弹簧。63 6-4触头闭合过程的振动分析2.第一类情况下的振动物理过程和影响因素1、第一次碰撞和反跳:见图
20、6-14。2、动触头在弹簧张力作用下,发生第二次、第三次 的碰撞和反弹。,烧等777万 7777777 a)b)动触头图6-14触头振动物理过程图解64 5-4触头接通过程及其熔焊闭合弹跳过程图232能量渐小部分能量转换为热量-塑性变形部分能量转换为反弹运动弹性变形共振熔焊与弹跳力的作用2:振幅计算”=卬+卬能量平衡公式 2 A W:位能;WA:塑性变形的消耗能式 231 5-4触头接通过程及其熔焊(略)碰撞图示:图6-15 触头振动弹开距离与时间的关系;图6-15触头振动弹开距离与时间的关系 崔6 16触头板科过程典型示波图66 5-4触头接通过程及其熔焊(略)3、第一次碰撞后动触头反弹的最
21、大距离xm和所经过的时间tm的计算:(1)原则:碰撞前后的能量守恒,即碰前动能等于碰后的动能加上塑变消耗的能量(WA)。1 2 1 2mv=(2)xm:动触头第一次反弹能达到的最大距离。Xm2+(k)一(lo+qtm)c674、动触头达到xm的时间tm:设动触头反跳速度随时间变化 的关系为直线关系。xm 2xm 2xm/ffl/f f L ft Lm _ 4o i Vi Jl-kT_代人触头初压力FO,得:xm=也_+cl_k:麻To m Qc-(l+=)Jl-k式中V:动触头闭合速度;ml:动触头质量;c:弹簧刚度;k:决定于触头材料弹性的碰撞损失系数。5-4触头接通过程及其熔焊5、结论:采
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