第六章 电接触2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6,3,导电斑点处的温度计算,一、,-,：,是,指导电斑点附近的电位,-,温度,最终将温度,T,与电压,U,联系在一起。,二、接触面附近的温度分布的定性分布：,发热功率与电流密度的平方成正比。导电斑点处的电流密度最大，故产生大量热量。,导电斑点处传热面积最小、散热最差。,由、知：已知电流下的斑点处的温度最高。,三、实际测斑点温度困难，引入,-,理论以确定斑点,a,最高温度及其附近温度分布：,1,、求斑点,a,的温度：,-,理论：已知电流值,i,，,求斑点,a,上的最高温度及整个收缩区中的温度分布？,设两接触元件的材料相同，且都是均匀的；其电阻率,和热导率,都与温度有关。,6,3,导电斑点处的温度计算,设斑点形状为圆点，半径为,a,，,电位为零（即温度,=,m,），,为一,等位面,和,等温面,。,在相同的边界条件下，两接触元件收缩区中,热流,-,温度场,与,电流,-,电位场,完全重合，且接触面两边的场对称，故两收缩区中没有热量从一个元件流向另一个。,6,3,导电斑点处的温度计算,如各导体斑点间的热流,-,温度场互不干扰，则只需研究一个斑点一侧收缩区中的热流,-,温度场。,具体分析其原理：,利用稳定情况下的热平衡式：,+,1,=,2,。,参考右图,6-10,。,6,3,导电斑点处的温度计算,对斑点，由远及近，对斑点由远及近分析：先忽略高阶无限小并积分，积分上下限分别取,：由,到零，,由,到,m,，,其中（,，,）为收缩区任一等位面的电位和温度。,得：。,它是收缩区中电位与温度之间的一般关系表达式，是分析电接触热问题的基础。,6,3,导电斑点处的温度计算,当积分上下限由斑点,a,到整个收缩区外边界时，有：,（,U,j,为接触电压降）,式中,、,是温度,的函数，为简化积分，取（,）的平均值 ，令其与温度无关，则得：或,式中,m,是斑点,a,超出收缩区外导体的温度。,6,3,导电斑点处的温度计算,由魏得曼,-,弗朗兹定律求解，得：,当,T,m,T,0,时，得：,T,m,3200,U,j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：,U,j,是反映斑点,a,温度的重要参量,，有重要意义。,6,3,导电斑点处的温度计算,四、电接触下的,R,j,-U,j,特性关系,1,、定义：在直流稳态电流下，分别调不同的,I,值，待稳定后测出,Uj,，,由,R,j,=,U,j,/I,，,得,R,j,，,即得,R,j,U,j,静特性,。,因,U,j,对应一个,m,，,故由上式可得,R,j,m,特性,。,6,3,导电斑点处的温度计算,2,、特性曲线分析：清洁的交叉铜棒（主要考虑收缩电阻）。,五、意义：,由材料的软化电压和熔化电压，可推算不发生融焊的最小通过电流，或,R,j,的上限。,6,3,导电斑点处的温度计算,6-4,触头闭合过程的振动分析,一、触头的振动过程：,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，,R,j,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。,二、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。,三、本讲介绍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,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。,6-4,触头闭合过程的振动分析,四、碰撞图示：,图,6-15,触头振动弹开距离与时间的关系,；,6-4,触头闭合过程的振动分析,2,、第一次碰撞后动触头反弹的最大距离,x,m,和所经过的时间,t,m,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（,W,A,）。,（,2,）,x,m,：,动触头第一次反弹能达到的最大距离。,6-4,触头闭合过程的振动分析,3,、,动触头达到,x,m,的时间,t,m,：,设动触头反跳速度随时间变化的关系为直线关系。,代入触头初压力,F,0,，,得：,式中,v,：,动触头闭合速度；,m,1,：,动触头质量；,c,：,弹簧刚度；,k,：,触头材料恢复速度。,6-4,触头闭合过程的振动分析,四、结论：,采用较大的触头压力、刚度较大的触头弹簧，减小动触头闭合速度，减轻动触头质量，选,K,接近于,1,的触头材料，即可实现触头的无危险振动。,6-4,触头闭合过程的振动分析,6-5,接触导体的稳定稳升分布 与接触点最高温升的计算,一、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边导体各传一半。,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,轴平行。,在距离原点,x,处取一小段,dx,。,收缩区外导体的温度分布的解为：,式中 ：,x=0,处（即收缩区边界）的导体温升，其大小为,：,6-5,接触导体的稳定稳升分布 与接触点最高温升的计算,函数的指数系数；,，为离接触点,x=,处导体的温升。,由叠加定律，接触内表面斑点,a,的最高温升为斑点,a,的超温（即斑点,a,超出收缩区外导体的温度）与收缩区边界温升之和，即：,（收缩区超温）（导体本身的温升）（接触电阻损耗产生的温升）,6-5,接触导体的稳定稳升分布 与接触点最高温升的计算,6-6,触头间的电动斥力,一、触头间产生电动斥力的原因：,电流线在接触面附近发生收缩，从而在由左手定则，知触头间将出现电动斥力。,二、定量分析：,导体为非磁性材料，周围为空气或其他非导磁或非导电介质。假定：,（,1,）接触内表面中只有一个导电斑点，或认为全部导电,斑点集中在中心形成一个大的导电斑点；,（,2,）导电斑点是一个超导小球，为一等位体；,（,3,）收缩区中的等位面为与超导小球同心的圆球面，电流线成为一系列通过超导下球球心的辐射状直线。,6-6,触头间的电动斥力,离超导小球中心,r,处的无限小段,dr,处的磁场强度,H,为：,设流过导体元,da,中的电流为,dI,，,则,dr,环受到的电动力的大小为：,方向：左手定则，垂直于dr,。,6-6,触头间的电动斥力,整个收缩区导体在垂直方向（水平方向分力互相抵消）所受电动力总和为：,式中,B,：,圆柱体接触导体的截面半径；,b,：,导电斑点超导小球的半径。,将,b,转换为接触力,F,后，得：,6-6,触头间的电动斥力,6-7,触头熔焊与焊接力,一、熔焊：,1,、静熔焊：是电阻熔焊，原因是导电斑点及其附近因存在电阻，导致触头熔焊。,2,、动熔焊：是电弧熔焊。是由于电弧高温作用，使触头表面金属熔化和气化，导致触头熔焊。它由短路或短时大电流产生。,二、分析：,1,、第,1,类：静熔焊。,1,）与电流的关系：,2,）开始熔化电流与通电时间关系：,图,6-21,一对面接触的铜触头，不同,t,对应的开始熔化电流，与,F,有关，数据由实验测得，见下页。,6-7,触头熔焊与焊接力,2,、第,2,类：动熔焊。见下图,6-22,动熔焊过程图解（时间只有几毫秒）。,6-7,触头熔焊与焊接力,三、触头焊接力：,1,、等于金属抗拉强度乘以熔焊面积；,2,、随材料电阻率和抗拉强度的增大而增大，随材料的熔化温度增高而降低；,3,、触头焊接力是随机、正态分布；,4,、真空环境下，无氧化，电弧由表面材料熔化和气化而 成，焊接现象特别严重。,6-7,触头熔焊与焊接力,四、减小触头熔焊的方法：,1,、选电阻率小、抗拉强度小和熔化温度高的材料；,2,、材料中加少量其他材料，使凝结面变脆；,3,、尽量减小触头振动。,五、冷焊：,在常温、无电流情况下，因贵金属,(,金及金的合金,),的原子与原子之间的化学亲合力的作用，使二接触表面牢固粘在一起的现象。,6-7,触头熔焊与焊接力,【,例题,】,一对铜触头的,R,c,=6.6,，,问当,I,20kA,，,t,5s,时，触头是否出现熔焊？,【,解,】,U,c,I R,c,2010,3,6.610,-6,0.132 V,0.43V,不会熔焊,U,c,I R,c,2010,3,3010,-6,0.6 V,0.43V,有熔焊的可能。,6-7,触头熔焊与焊接力,6,8,触头的质量转移,一、触头电磨损,1,、触头磨损：触头表面形成凹凸不平、变形、材料转移或损失等，结果导致触头寿命终结。,2,、磨损产生原因：机械、电、热、化学。其中，触头磨损主要原因是电和热。,3,、触头电磨损：与电流和触头断开时的电压有关。,（,1,）定义：触头电磨损指触头在开断与闭合电路时，产生金属液桥、电弧与火花放电等，引起金属转移、喷溅和气化，使触头材料损耗和变形的现象。,（,2,）触头电磨损的两种主要形式：桥磨损和电弧磨损。,（,3,）,I,I,0,（,形成金属液桥的最小电流，为,0.050.06A,）；,（,4,）电压：,6,8,触头的质量转移,二、分类：,1,、桥磨损：即液桥磨损。,1,）液桥的特点：,阳极侧的温度最高，液桥最终是在此处被拉断，因此阳极常常成为凹坑而阴极成为针状或瘤状。,2,）呈负电阻特性，,U,与,I,成反比；,3,）桥的形成与保持与触头材料和周围介质有关；,4,）桥的几何形状是完全对称的（中间细，两头粗），沿轴向温度分布不对称，大多最高温度处偏向阳极，故桥断后，阳极易形成凹坑。,6,8,触头的质量转移,5,）利用,“,液桥温度分布不对称,”,的性质，限制桥材料转 移的措施：,导热好的作最高温度偏移处，形成,“,补偿触头对,”,；利用不同材料形成的液桥直径不同，选配,“,触头对,”,；加其它金属形成合金，使桥温度对称分布；附加电流回路，使总电流工作在零转移电流下。,6,）防止液桥产生的措施：选用导热性好的材料作阳极,(,如,“,铂,),，形成,“,补偿触头对,”,，以减小电磨损。,6,8,触头的质量转移,2,、电弧磨损：,1,）液桥形成条件：,2,）电弧产生条件：,6,8,触头的质量转移,3,）机理：,（,1,）带电粒子在电场作用下轰击电极，使表面材料蒸发；,（,2,）电动力和气吹作用，使熔化金属成滴状喷出。,4,）减小的措施：,（,1,）选磨损系数小的复合材料制成触头；（,2,）采取有效灭弧措施，缩短燃弧时间，或用横向磁场吹弧。,6,8,触头的质量转移,6,9,电接触材料,一、对电接触材料的性能要求：,1,、电气性能；,2,、热性能；,3,、物理与力学性能；,4,、化学性能；,5,、加工与经济性能；,在实际工作中，根据工作条件和负荷大小，满足主要要求即可。,二、分述：,按照触头上通过的电流的大小、电接触的结构形式等选择触头材料。,1,、弱电流：铜、银、铂；铜银合金、铂合金及金；,2,、中、强电流：铜、黄铜、青铜及其它合金，其中金属陶冶,(,粉末冶金,),材料被大量使用。,黄铜、青铜性质：,6,9,电接触材料,金属陶冶,(,粉末冶金,),材料：,a,、,定义：叫粉末冶金材料，是由二种或二种以上的金属粉末经混合压制及烧结而成，是彼此不相熔合的机械混合物。它常常用作大容量触头的触头材料。,b,、,例：,、银,钨陶冶材料：,、银石墨陶冶材料：,c,、,金属陶冶材料的优点：综合了所含的各种材料的优点，有良好的耐热耐弧、耐磨性能，价格低。,d,、,金属陶冶材料的缺点：导电率较低，为此常将其作成薄片焊在触头的接触面上。,6,9,电接触材料,3,、固定电接触选材：,常选铝，实际工作中，在其上常常覆盖有银、铜、锡,(,N,),等材料，目的是降低接触表面的,j,，以减少静熔焊。,4,、真空开关电器的触头材料性能：,除一般要求外，还要求触头表面特别洁净，触头材料的抗熔焊性能更高，材料有坚固而致密的组织；截流值小；本身含杂质很少等。,6,9,电接触材料,（,1,）银,与,H,B,都小；在低温下不易氧化，高温下,Ag,2,O,Ag,、,O,2,；银的氧化物的,也很低。,从减少接触电阻角度看，银是最理想的材料。,银的价格较贵,因此，,电器中常采用铜镀银触头,。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（,2,）铜,与,H,B,比银略大；,在室温下，在大气中或变压器油中铜会氧化，形成,Cu,2,O,；,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。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（,3,）铝,与,H,B,不算太高；铝的严重缺点是化学性质活泼。,在空气中，室温条件下就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。几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（,4,）金、铂、铱：,化学性能稳定，触头表面不会产生不导电的薄膜。,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头。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,（,5,）钨铜和钨银合金,以高熔点钨与高导电铜、银采用粉未治金的方法制成的钨铜、钨银合金。,具有导电性能好,在电弧作用下烧损小,钨铜价格较便宜。,开关电器中广泛使用的触头材料,缺点：在大气中易氧化，接触电阻不稳定。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,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%,的钨铜合金。,钨银合金通常用于对接式触头，接触电阻稳定，但耐弧性能稍差。,几种常用金属材料在接触电阻方面的性能,三、电接触新材料的发展,电器新产品的开发在很大程度上依赖于电工绝缘材料和电工合金的新发展，新材料的应用使电工产品的单机输出功率大大提高、功耗降低，同时极大地缩小体积、减轻重量，也改善和提高了产品的性能，甚至可以美化外观造型。,电器制造技术的发展以,“,磁性材料、绝缘材料和电接触材料,”,三种特种材料为基础。,6,9,电接触材料,为提高我国发电机单机容量，开发高效节能的电机、电磁开关等电工产品的需要，先后研制成功的,“,高磁感应低铁损冷轧取向硅钢片、特种硅钢片、电工纯铁、高磁能稀土永磁,”,等磁性材料和,“,聚酰亚胺玻璃纤维塑料、氨基玻璃纤维塑料、酚醛注射塑料、三聚氰胺改性酚醛塑料,”,等高分子绝缘材料，促进了高低压电器与仪表更新换代产品的开发研制。,6,9,电接触材料,由于电接触材料已成为现代科学技术和工业发展不可缺少的重要材料，国外特别重视电接触复合材料，其发展方向主要是,“,合金多元化、复合多元化、超小型化和性能综合化,”,，如,“,粒状强化（粉末冶金）、弥散强化、纤维增强和层状复合材料,”,，其中的,“,层状复合材料,”,应用广泛。,6,9,电接触材料,目前我国从事电触头材料生产的企业有,60,多家，职工总数约,12000,人，资产规模约,12,亿元。经过多年的发展，国内低压电触头材料整体发展水平与国外相差不大，某些品种的低压电触头材料性能已接近或达到国际先进水平，但是在生产工艺研究和产品可靠性方面与国外先进水平相比存在明显差距，特别是不含有害物质的银金属氧化物电触头材料的差距更大。我国对银氧化镉替代品的研究较少，基础研究近乎空白，技术储备严重不足。,6,9,电接触材料,作业：,P177,，思考题：,4,、,6,习 题：,1,、,3,