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第第 4 章电接触章电接触 Electric Contacts （P76～98） • 物理现象、工程概念（工程考虑）物理现象、工程概念（工程考虑） • 工作要求，材料、结构、加工、制造、运 行、维修、经济 工作要求，材料、结构、加工、制造、运 行、维修、经济——要考虑哪些问题，受哪 些因素影响 要考虑哪些问题，受哪 些因素影响 • 计算在本章中不是主要的，有关问题在世界 上也受到各界的重视 计算在本章中不是主要的，有关问题在世界 上也受到各界的重视 4.1 电接触的分类和要求电接触的分类和要求 电接触现象 • 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连 接或称电接触 • 电接触的目的 —— 导电 • 接触中出现的有关物理的、化学的、电的现象称为电接触 现象 • 电接触 —— 是所有电器设备中不可避免的，是一种普遍现 象在开关电器和接插件中是很重要的部分接触部分出 问题会造成各种故障，后果有时会很严重 1．电接触的分类．电接触的分类 电接触按工作方式，一般可分为三大类： • （1）固定接触：用紧固件如螺钉、螺纹、铆钉等压紧的电 接触称为固定接触，固定接触在工作过程中没有相对运 动。

• （2）可分接触（触头）：在工作过程中可以分离的电接触 称为可分接触，又称触头开关电器触头中，一个是静触 头，一个是动触头触头关合时，一般靠弹簧压紧 ? 可分接触（触头）按控制电流的大小又可分为： （i）弱电流触头——电流在一安以下 （ii）中电流触头——电流从几安到几百安 （iii）强电流触头——电流在几百安以上开关电器的触头 一般属于强电流范围 • （3）滑动及滚动接触（触头）：在工作过程中，触头间可以 互相滑动或滚动但不能分离的电接触称为滑动及滚动接触 开关电器的中间触头就是采用这种电接触 • 本章主要讨论强电流的可分接触 电接触的分类电接触的分类 电接触的分类电接触的分类 电接触的分类电接触的分类 电接触的分类电接触的分类 2．对电接触的主要要求．对电接触的主要要求 • 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 • 因此，对开关电器电接触在工作中有一定要 求 • 对开关电器电接触在工作中的主要要求是： （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 •对于固定接触，滑动或滚动接触，它们的 工作性质决定了只有前两项要求 对电接触的主要要求对电接触的主要要求 4.2 接触电阻接触电阻 • 先用简单现象，说明接触电阻的性 质：一导体，通电流I 时，用电 压表可测出导体上一小段的电压降 为Ub I U R b b = 这一段导体的电阻为 ?将此导体切成两半，对接一起，加 力 将此导体切成两半，对接一起，加 力F F，形成电接触，仍通电流，形成电接触，仍通电流I I ， 测原小段导体的电压降 ， 测原小段导体的电压降U，就会发 现 ，就会发 现U Ub（无论表面怎样处理，大得多）（无论表面怎样处理，大得多） b R I U R= 有接触，有接触，R 增大，增大部分称为接触电阻增大，增大部分称为接触电阻R c ：：R = Rb+ Rc 在相当多情况下，在相当多情况下，Rc Rb∴∴ R ≅ ≅ Rc 构成Rc的原因： • 1．实际接触面积减小，电流线在接触面附 近发生了收缩 —— 收缩电阻R k • 2．接触表面可能被一些导电性能很差的物 质（如氧化物）覆盖 —表面电阻R f 接触电阻接触电阻 fkc RRR+=∴∴ • 下面分别讨论这两部分电阻的性质。

1．收缩电阻．收缩电阻R k • 导体截面为 S ， • 切开前，电流均匀分 布 • 切开后，接触处的表 面不可能是理想的平 面 ， 尽 管 经 过 精 加 工，总多少有些宏观 不平，波纹起伏 • 实际上，两个接触面 实际只是几个小块面 积相接触（图4.3） 图图4.2 经过加工的 金属表面的情况示 意图（放大） 图 经过加工的 金属表面的情况示 意图（放大） 图4.3 接触面接触 情况示意图图 接触面接触 情况示意图图 • 在每块小面积内，实际上又只有几个 小的突起部分相接触（图4.4） • 这些互相接触的小突起部分称为接触 点 • 电流流经接触表面时，从截面尺寸较 大的导体转入面积很小的接触点，在 此情况下，电流线发生剧烈收缩，如 图4.5 • 收缩电阻R k —— 由电流收缩现象所 呈现的电阻 • 由于接触点数目不止一个，所以整个 接触面的收缩电阻为各个接触点收缩 电阻的并联值 收缩电阻收缩电阻R k 图4.4 接触面放大图形 4.5 电流收缩现象 影响收缩电阻的因素影响收缩电阻的因素 • 为简化问题，从一个接触点模型来分析 • 不同人有不同选法， • 这里介绍Holm的模型—— 简单、与实际 比较接近，且得到一定公认。

• 两个“半∝”导体（四方截柱）相接触，接 触面：两个∝平面 • 接触点：半径为a的圆（图4.6），触头材 料是均质的，接触点上下的导体面积与接 触点面积相比可视为是无限大 • 这样的接触面附近的电流线与等位线的分 布如图4.7所示 收缩电阻收缩电阻R k 一个接触点一个接触点 • 这样的接触面附近的电流线与等位线的分布如恒稳电流 场 恒稳电流场计算（轴对称，三维 → 二维）恒稳电流场计算（轴对称，三维 → 二维） • 进一步的分析表明，Rk集中于接触点附近的狭小范围内， 因而模型中假设 ∝ 对具体计算影响不大 • 上式虽简单，用时有困难，主要是 a 不知 收缩电阻收缩电阻R k 接触面附近的电流线与等位线接触面附近的电流线与等位线 • 电流流向：＋∝ → －∝ • 电流流过，有电流场， • 等位面 ： 一组椭球面 • 根据电流场与静电场相似的理 论，可得接触点的收缩电阻为 a RRk 2 2 1 ρ == 由材料力学可知由材料力学可知 • 接触点中有弹性变形也有塑性变形一般来说，无法用一 种简单方式来表达塑性变形为主） • 塑性变形的接触硬度H 与接触压力F，接触面的半径a之间 的关系可用下式表示： 2 aHFπ= 收缩电阻收缩电阻R k • ζ值可取～1，压强大时，ζ 可取得大一些。

在塑性变形下， 接触面半径 a 与接触压力 F 的平方根成正比 πH F a = ，或 考虑有一部分弹性变形家一修正系数 ξ ，考虑有一部分弹性变形家一修正系数 ξ ， ζHπ F a = • 实际计算中，应用此式仍有困难，因 n 不知，但做定性分析很 有用，从式中可看出，控制 Rk可从哪些方面来采取措施 • 影响因素：ρ、H材料，F 力，n－接触形式 收缩电阻收缩电阻R k 在塑性变形下在塑性变形下 F ζH .F ζHρ R 3312 1k ρπ == 触头材料的电阻率触头材料的电阻率ρ ρ与布氏硬度与布氏硬度 HB 的数据见表的数据见表4－－2 ann R R 2 k1 k ρ == 若电接触由若电接触由n个接触点组成， 则 个接触点组成， 则R k相当 相当 n 个个R k1并联，即并联，即 考虑到考虑到 n 个接触点时，每个接触点上的压力为个接触点时，每个接触点上的压力为 n F 在塑性变形下在塑性变形下 nF ζH . ρ R k 331 = 2．表面电阻．表面电阻R f （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R f 。

• （1）灰尘（对弱电接触不可忽视） 灰尘面积Ac＝2～20 μm2（10-6mm2） 若压力大，灰尘压扁，金属变形，可接触 增加F 使金属变形 —— 对小电器很重要 • （2）吸附膜 —— 非导电气体、液体膜，使接触变坏 稍加力，膜变的很簿：1～2分子层，5～10 （10-8cm）， 自由电子就可通过（隧道效应） （（3）无机膜）无机膜 ——金属的氧化物，硫化物等金属的氧化物，硫化物等 • 对于断路器来说，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，见表4－3 表面电阻表面电阻R f • Ag2O是例外，可导电，且θ↑ Ag2O → Ag 、O2 故广泛使用 • 但Ag 有硫化问题 • 氧化物薄膜使接触电阻大为增加计算表明，几埃（10- 8cm）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 Ag：： 0.016××10-6 14 6 6 1025. 6 10016. 0 1010 ×= × × − Cu：： 0.017××10-6 16 6 8 1094 . 2 10017. 0 105 ×= × × − 金属氧化物Ag2OAg2SCu2OCuOAl2O3NiOW2O5CdO 电阻率(Ω.m）1×10-410×1065×1082×1081×10101×1061010-3 实际上，表面电阻不会高到这种程度。

这是因为：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）电场强度较高时（超过106V/cm），将膜击穿 表面电阻表面电阻R f • 氧化膜的存在仍然会使表面电阻有所增大但在这种情况 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 • （4）有机膜—— 漆、蒸汽，也可能来自电器本身 接触面上氧化膜压碎情况 • （3）触头压力大，可压碎氧化膜 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 （图4.10） 4.3影响接触电阻的因素影响接触电阻的因素 • （3）耐弧性能：在电弧作用下，烧损要小 • （4）长期工作中，还要考虑化学腐蚀及电化学腐蚀问题 • （1）物理性能 1．材料性质（金属）．材料性质（金属） nF ζH . ρ Rk 331 = 由由 ρ ρ H 直接影响直接影响 Rk，其它条件相 同，希望其小 ，其它条件相 同，希望其小 • （2）化学性能（是否活波、稳定）Rf 氧化物的氧化物的 ρ ρ 机械强度机械强度 电强度电强度 希望其低希望其低 常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能：常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能： • （1）银：ρ与 HB 都小；在低温下不易氧化， ? 高温下 Ag2O → Ag 、O2 ；银的氧化物的ρ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：ρ与HB比银略大； ? 在室温下，在大气中或变压器油中铜会氧化，形成Cu2O； ? 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 常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能：常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能： • （3）铝：ρ与HB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， ? 并常采用表面复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， ? 一般只用于低压电器中的弱电流触头 常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能：常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能。