第3章 电接触与触头.pdf

第3章电接触与触头,第一节概述：第二节 接触电阻及其影响因素三节 电接触在长期工作中的问题第T概述一、什么是电接触电器的导电回路总是由若干元件构成，其中，两个零 件通过机械连接方式互相接触而实现导电的现象称为 电接触现象。二、电接触的分类1）固定电接触：用螺丝、钾钉夹 紧件将导电元件紧固在一起，无相对 运动的连接。如各种电器的出线端与母线的连 J 接；输配电线路中线夹与导线、导线 G 与电缆头的连接；弱电中的插接件等。2）滑动及滚动接触：一种可动但不可分的接触，接触元件间 可相互滑动或滚动。如开关电器中的中间触头、电机的电刷与滑环及电车的供电等。3）可分接触：机械式开关电器特有的电接触现象，电路的接通 与开断必然伴随导电件的闭合与分离，这是靠开关的触头来完成 的，可动的导电件叫动触头，不动的叫静触头，为了加快触头间 的电压耐受能力，也有两个触头同时运动，相向拉开的。2000A捆绑式梅花触头三.对电接触的主要要求X 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 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。1）在长期工作中，要求电接触在长期通过额定电流时，温 升不超过一定数值。接触电阻要求稳定。2）在短时通过短路电流时，要求电接触不发生熔焊或触头 材料的喷溅等。3）在关合过程中，要求触头能关合短路电流，不发生熔焊 或严重损坏。4）在开断过程中，要求触头在开断电路时电磨损尽可能小.第二节接触电阻及其影响因素一、接触电阻口实验：导体电阻：R=U/I接触电阻：4=4/口产生接触电阻的原理:1）接触面积变小：放大观察，任何精细加工的固体表面，其微观 结构总是粗糙不平的，即使外加很大的接触压 力也只有为数不多的点实际接触。R oc=1/5当电流通过两接触面的导电点时，电流线必然 收缩。卜收缩电阻与2)表面覆盖物：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或膜电阻居，接触表面的覆盖物可能是金属的氧化物、硫，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。对于断路器来说，金属的氧化物是主要的。Ag:0.016xW6Q-m Ag2O:lxW4Q-mCu:0.017x 1()6。加 Cu?0:5xl08Q-mAl:0.029x106。,加V Al2O3:lxlOloQ-m故，接触电阻：R=R+R j s m1-视在接触面2-实际接触面3-实际导电斑点二、接触电阻的影响因素及工程算法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P，材料的布氏硬度修，材料的 化学性能以及金属化合物的机械强度与电阻率。理想材料：电阻率,小，硬度4小，高熔点，不易氧化，造价低。1）银：电阻率与硬度与都小;低温下不易氧化，高温下银的 氧化物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，因此高压电器中常采用铜镀银或镶银的方法。2）铜：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。锡的优点是硬度小，氧化膜的 机械强度低。Tulip contact in oil circuit breaker镀银Tulip contacts in SF6 circuitbreaker3）铝：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、轴、银等：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，一般只用于低压电器中的弱电流触 实。5）鸽铜和鸽银复合材料：以高熔点金属铐与高导电金属铜、银 采用粉末治金的方法制成的铝铜和铝银复合材料具有导电性能 好，在电弧作用下烧损小的特点，是开关电器中广泛使用的触 头材料。铝铜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。常用的是含鸽量为80%的鸽铜复合材料。鸦银复合材料通常用 于对接式的触头上，接触电阻稳定但耐弧性能稍差。2.接触压力试验表明，在弹性变形范围内,愈小金属部分氧化膜部分接触压力愈大，接触电阻会并非越大越好！接触压力达一定值后，接触压力趋于稳定，因此书大的接触压力也没有必要，对于可分合接触是更有害 而无益。3.接触形式接触的形式很多，按触头外形的几何形状不同，可分为点接 触、线接触和面接触三类。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 建触面是在一个小面积内的若干个接触点。0幺&也2）线接触：一个圆柱面与一个平面相接触，从几何学角度看,曲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。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。/面 于线 Rjn线 Rm点收缩电阻：&X3 膜电阻：压力F一定时，0=凡+段与接触形式及压力F有关试验表明，在一定范围内且压力相同时，线接触的接触电阻比 点、面接触都低。这是因为点接触的接触点少、压强大，面接 触的接触点多、压强小，线接触压力强度和接触面积得到了较 适当的配合，故线接触广泛用于高压开关电器的可动接触中，而面接触多用于固定连接。4.接触表面加工情况口接触表面可以是粗加工（机械），也可以是精加工（研 磨）。加工精度对接触电阻有一定影响，它表现在接触点数 的多少不同。口但实践表明，过于精细的表面加工对于降低接触电阻未必 是有利的。要综合考虑接触形式、接触压力等情况。材料接触电阻F=107V/=1000 N机加工1304机加工，表 面有油3403研磨加工19001研磨加工，表面有油280065.接触电阻的工程计算方法从上面的分析中我们可以看到，影响接触电阻的因素很多,要准确的计算接触电阻是很困难的，通常只能用经验公式估算。Rj=与接触材料、表面加工等有关，由齐一实验确定 g）、一与接触形式 有关r点接触:m=0.5J线接触:m=0.75m=0.80.95合金_/系数K值:、面接触:接触材料银-银铜-铜铜-铜（镀锡）铝-铜铝-黄铜K6080-1401009801900第三苴电接触在长期工作中的问题长期工作中的主要问题：发热卜与接触电阻异常恶化有关熔焊J磨损所谓触头磨损是指触头在长期的通流与合分动作过程中，因污染、腐蚀、机械撞击及电弧的烧蚀（熔化、飞溅、气化）等作用使触头导电状态严重恶化甚至产生变形、材料脱落 丢失等现象。口磨损的结果又加剧发热和熔焊的发生。一、接触电阻的异常恶化问题 4的大小直接影响触头温度及工作可靠性，设计和维护 良好的断路器，4不应变化太大。新加工的触头，表面氧化膜很薄，触头接触电阻较小。经过长期工作后，触头表面与周围介质起化学作用，接 触电阻会不断增加。为了保证触头工作可靠，在长期工 作过程中，必须保证触头接触电阻长期稳定。为此，必 须分析造成接触电阻不稳定的原因。造成接触电阻不稳定的上原因有两个：一个是化学腐蚀；另一个是电化学腐蚀。接触电阻的增加与使用时间的关系1）化学腐蚀当可分触头分开时，构成接触连接的金属如铜、铝及其合 金与周围介质中的某些成分，如空气中的氧、变压器油中 的有机酸等起化学作用，生成不导电的化学膜，由此会出 现很大的表面电阻。这一现象称为化学腐蚀。电接触受化学腐蚀的程度与金属种类、周围介质及接触面 的温度有很大关系。但是在触头关合过程中，由于触头间 发生碰撞和滑动，又会使化学膜部分去除，使接触电阻降 低下来。当触头长期闭合时，接触面虽不与周围介质相接触，但周 围介质中的氧分子等会从接触点周围逐渐侵入，与金属起 化学作用，形成金属氧化物。这样会使实际接触面积减小,接薪电阻增加。接触点温度愈高，氧分子活动能力越强，可以更深地侵入到金属内部.这神作用更为严重。因此，为 了使接触电阻在长期工作情况下保持稳定，必须保证接触 点在长期工作下的温度不应过高。电接触的长期允许温度 所以很低的原因就在于此。措施：增加接触压力可以提高接触电阻的稳定性;另一个 有效措施就是在容易腐蚀的金属上覆盖银、锡等金属。2）电化学腐蚀不同金属构成电接触时，还会产生电化学腐蚀。电化学腐 蚀会造成电接触的严重破坏。口电化学腐蚀的原理也就是化学电池的原理。用不同金属作 电极插入电解液中时，就形成了一个电池。一个电极显正 极性，另一个电极显负极性，电池的电动势决定于金属种 类 nK。electronHCI各种金属在电解液中的电位（与氢相比较），按电位高低排 成次序，叫做电化序表。金属AIZnCrFeCdNiSnHCuAgpt电位”-1.34-0.76-0.56-0.44-0.4-0.2-0.1400.3450.80.86两种金属在表中的位置相隔越远，组成电池时的电动势就 越高。当电池正负电极用导线短路后将有电流I流通。在 电流流过的同时，负电极金属溶解到电解液中，造成负电 极金属的腐蚀。电动势越高，电流越大，腐蚀越严重。正 电极则不会出现这种腐蚀作用。不同金属构成电接触时也会发生类似的腐蚀现象。如铜铝 接触、铜铁接触等。铜器上的铁钾钉为什么特别容易生锈?电化学腐蚀示意图减少电化学腐蚀的措施：为了减少不同金属接触时出现的电化学腐蚀作用，应注意避免采用在电化序表中相距较远的金属构成电接触。但在 高压断路器中，常不可免地需要采用铝铜接触。此时，可在 铝表面上用铜、银或锡覆盖，或在铝、铜两金属间加上锌垫 片以减少电化学腐蚀作用。也可在接触面周围涂抹油脂，防 止水分彳曼入形晟电解液。化学腐蚀电化腐蚀条件金属跟非金属单质直接 接触多种金属或合金 跟电解质溶液接触现象无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化较活泼金属被分解联系两者往往同时发生，电化腐蚀更普遍二、触头温升与熔焊电流流经电器的导电部分时，导电杆、触头等的温度都 要升高。开关电器的触头大多是用截面很大的紫铜制成,紫铜导热性又很好，因此触头部分的温度几乎相同，称 为触头的本体温度6；在接触处，由接触电阻产生的热损 耗集中在很小范围内。这些热量只 能通过传导向触头本体传热，因此 接触点处的温度7m要比触头本体温 度高。7；与7m之差称为接触点温升i2r2%=Tm-Tb=V8LT/.%-对所有金属材料：Ap=LT上称为洛仑兹常数体的绝 乙=2.4x10-8,2/片）对温度【例】计算玫瑰触头在长期通过额定电流时的接触点温升与，已知 额定电流/=600A,本体温度90。(2,接触电阻4=6.6。.【解】触头本体绝对温度为T F+273=363K后 _(600 x6.6x10-6)2丁；一 一(一U.23 J.7 8LT 8 x 2.4 x W6 x 363这个计算结果表明，只要接触电阻不大，在长期通过额定电流 时，接触点温度与触头本体温度相差无几。但当接触电阻由 6.60增加为660时，接触点温升将由0.23K增大为23K,接 触电阻对接触点温升的影响已不容忽视了。由于接触点处导电状态的恶化破坏或在突然的短路电流作用下 热效应剧增，接触处的温度就可能达到金属材料的软化点或熔 点，使触头局部软化或熔化。如果熔化较厉害就会造成熔焊。熔焊严重时就有可能将触头焊在一起而无法自行分开。三、触头的带电关合与开断1.与触头相关的术语 触头开距：处于分闸位置时，开关一相的触头之间或其 连接的任何导电部分之间的总间隙。它由开关在分闸位 置时动、静触头间所需要的绝缘距离（即断口绝缘）所决 定。一 1 触头行程：在分、合闸操作中，开关动触头起始位置到 终止位置的距离。一2 接触行程：合闸操作中，开关触头接触后 动触头继续运动的距离。对某些机构应为 直接带动动触头的部件继续运行的距离。从图可见，接触行程为行程与开距之差。一 3主触头：断路器通常都有多对供给自身或别的控制保护 所用的辅助触头。主触头指开关主回路中的触头，在合 闸位置时承载主回路的电流。弧触头：指在其上形成电弧的触头。弧触头兼作主触头,也可设计成单独的触头，以保护承载工作电流的触头免 受电弧侵蚀。所有的大功率断路器都设有弧触头（仅真空 开关例外）。2contacts wlvor paled-Arcing cuntacts(Tungsten)M32.电磨损及其改善措施 断路器在空载操作时，动、静触头间发生碰撞和摩擦，会造 成触头的变形和触头材料的损耗，这一现象称为机械磨损。一般说来，高压断路器触头的机械磨损并不严重.断路器开断电路时，触头间要产生电弧。电弧的高温作用会 使触头表面烧损、变形、金属材料流失，造成触头的电磨损。这一现象在断路器开断短路电流时尤为严重。因此，提高触 头抗磨损能力是关系断路器工作可靠性的重要问题。直接造成触头材料损失的是:金属液体飞溅、金属的气化与 氧化。为了减小电磨损，正确选择触头或触头燃弧部分的材 料是十分重要的。常用触头材料的气化点：材料鸨铝铁铜银锡气化点-C592748032998259520012270 可见，鸽、铝的熔点和气化点高，因此，鸽、4目及其合金常 具有良好的抗电磨损性能。4艮、铜的熔点和气化点低，抗电 磨损的性能差。触头的分断速度：触头的分断速度对电磨损也有很大的影 响。触头表面气化弓I起的金属点滴在流经弧柱时被强烈地加 热，这些金属蒸气接着平行于触头表面向外流出。如果动、静触头之间的距离较大，这些高温的金属蒸气与触头表面间 被较厚的冷气体层隔开，高温金属蒸气对触头表面的影响不 大;动、静触头之间的距离较小时，高温金属蒸气以较高的 速度流经触头表面，使大部分热量又转回触头表面，使触头 表面出现大面积的严重熔化。当严重的熔化现象与高速气流 流经触头表面产生的剪切应力一起出现时，大装的金属材料 可能从触头表面上脱落，使电磨损明显增大。因此，触头的 分断速度不宜太低。匚加热的气体 和等离子体(b)触头分开距离很近，京41小结小电接触及其分类N叱对电接触的主要要求小接触电阻的组成N小接触电阻的影响因素4小接触电阻的工程计算方法行化学腐蚀、电化学腐蚀及改善措施4团触头电磨损及改善措施7